Cap. VII: LA PROSPEZIONE MAGNETICA APPLICATA IN ARCHEOLOGIA

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1 Cap. VII: LA PROSPEZIONE MAGNETICA APPLICATA IN ARCHEOLOGIA Prospezione Archeologica La prospezione archeologica, che fa parte del vasto campo delle scienze applicate all archeologia, ha lo scopo di individuare antichi siti e oggetti sepolti nel terreno, non visibili dalla superficie. Dall interpretazione ed elaborazione delle immagini ottenute da sensori posti in superficie, o su satelliti, aerei o aerostati si, possono ottenere informazioni utili prima dell avvio degli scavi. Infatti, in molti casi strutture, solchi, paleo-canali possono lasciare, anche dopo il completo degrado, tracce che persistono nel terreno per millenni, visibili talvolta semplicemente osservando il paesaggio (Field Walking). La prospezione archeologica può essere considerata come una fase di investigazione pre-scavo in quanto aiuta a definire meglio l area d indagine e indirizzare con cautela ogni successiva operazione di scavo. Fra le metodologie di prospezioni del suolo vanno inclusi tutti i metodi di indagine geofisica basati su procedimenti non distruttivi, utilizzati usualmente per l analisi della crosta terrestre (ricerca di cave, acqua, minerali) ma che permettono di rilevare con buona risoluzione e accuratezza anche il profilo delle vestigia del passato di differente origine sepolte e non percettibili dalla superficie. Ricerche geofisiche Agli anni 30 e 40 del Novecento risalgono le prime applicazioni all'archeologia dell esperienza acquisita nella ricerca geo-mineraria, queste portarono alla scoperta di un buon numero di siti archeologici nuovi e sconosciuti. In seguito, nel dopoguerra, si è assistito ad un rapido ed intenso sviluppo delle tecniche metodologiche di ricerca legate, purtroppo, soprattutto all'impiego delle tecnologie di derivazione bellica come i metal detector, i sistemi di rilevazione elettromagnetici e il radar. Attualmente, grazie ai raffinamenti tecnologici dell'elettronica e dell'informatica sono disponibili strumentazioni molto sensibili utilizzabili nel campo della prospezione geofisica applicata alla ricerca archeologica. Le prospezioni geofisiche consentono una ricognizione del sottosuolo mediante la misura delle variazioni di alcune grandezze fisiche. I principali metodi si possono suddividere in due gruppi: Metodi attivi basati sull invio di un segnale nel suolo (es: corrente elettrica, onda elettromagnetica GPR- Ground Penetrating Radar) per poi misurare la risposta raccolta in superficie. Possiamo individuare mezzi: 1. Sismici: proprietà elastiche del mezzo 2. Elettrici: resistività elettrica dei terreni. Si basa sul principio che il suolo modifica le proprietà di conducibilità (o resistività) elettrica a seconda della composizione e/o della presenza di strutture sepolte. N.B. la conducibilità di un terreno via col livello di umidità: il clima (pioggia, sole) può modificare le risultanze di un analisi di prospezione per resistenza elettrica. 3. Elettromagnetici: resistività elettrica ed effetti d induzione magnetica. 4. Ground Penetrating Radar, Georadar o GPR: riflessione e rifrazione impulsi elettromagnetici. Vengono inviati impulsi elettromagnetici e si registrano tempo e intensità degli impulsi riflessi. Il tempo che intercorre tra l emissione e la registrazione del segnale di ritorno può dare informazioni sulla presenza e sulla profondità a cui si trovano reperti sepolti. 57

2 Metodi passivi basati sulla misura delle proprietà fisiche del terreno (campo elettromagnetico) indipendenti dalla presenza del sistema di rilevamento. I principali metodi applicati sono: 1. Mappe dell area investigata, fotografie riprese dall alto (aerei) sono strumenti preziosi per la raccolta e l integrazione delle osservazioni. 2. Rilievo aereo: analisi della distribuzione delle coltivazioni e della vegetazione. 3. Field Walking. Una gran quantità di informazioni sulle epoche storiche del passato può essere raccolta semplicemente osservando il territorio. Tratti caratteristici come tumuli, fossati, paleocanali, etc., lasciano tracce che possono persistere nel territorio per millenni. L aratura di un campo può portare alla luce manufatti seppelliti poco al di sotto della superficie. 4. Magnetic Survey (Prospezione Magnetica) misura delle intensità delle variazioni localizzate rispetto al Campo Magnetico Terrestre. Rilievo in laboratorio della suscettività magnetica del terreno o misura del magnetismo residuo locale con strumenti portatili. I magnetometri possono rilevare la presenza di particelle ferromagnetiche che conferiscono proprietà differenti al materiale che le contiene. Queste particelle danno un diverso segnale al magnetometro e possono essere utilizzate per la localizzazione di reperti archeologici. Il metodo prevede l utilizzo di una griglia di riferimento disegnata sulla superficie. 5. Gravimetrici: microvariazioni della gravità legate alla distribuzione dei materiali nel sottosuolo. 6. Soil Chemical-Physical Properties: analisi della composizione chimica lungo un profilo di profondità del terreno (anche detta analisi pedologica ). Poiché l occupazione di un territorio da parte di una società umana implica uno specifico sfruttamento delle risorse disponibili nell ecosistema, l analisi chimica permette di rilevare l eventuale utilizzo del territorio come terreno agricolo: metalli come Mn, Cu, Zn sono comuni micronutrienti della vegetazione e assieme a Stronzio e Bario, sono estratti per azione delle piante dal terreno e accumulati sulla superficie tramite i residui organici). Oppure si possono osservare variazioni fra superficie e suolo nel contenuto totale metallico (piombo, ferro, ) o di fosforo (costituente primario di proteine, acidi nucleici, e altri metabolici) come indicazioni di un insediamento umano nel passato. Prospezione Magnetica La prospezione magnetica è una delle tecniche d'indagine più importanti e più applicate per la ricerca archeologica, questo grazie al fatto che si tratta di una tecnica assolutamente non distruttiva corredata da rapidità nel lavoro di investigazione e da economicità nell impiego. Il metodo magnetico si basa sulla misura delle variazioni localizzate del Campo Magnetico Terrestre (CMT) o del suo gradiente. Le variazioni o anomalie magnetiche che vengono rilevate riflettono la differenza esistente tra la suscettività magnetica rimanente (proprietà caratteristica degli elementi) delle diverse formazioni/strutture archeologiche rilevate e la suscettività media del terreno che le contiene. La prospezione magnetica è una tecnica passiva di prospezione, che può rilevare variazioni minime nell intensità o nella direzione rispetto al campo magnetico terrestre. È possibile misurare variazioni o anomalie fino a volte più deboli del campo magnetico locale. Inizialmente, sopralluoghi magnetici furono utilizzati per individuare strutture archeologiche particolari, come i forni di ceramica Romani. La tecnica si è poi rapidamente dimostrata molto sensibile anche per altre strutture, come fossati, antiche 58

3 discariche e perfino buche singole in cui furono piantati pali di legno. Le anomalie osservabili sono dovute a variazioni della suscettività magnetica delle strutture interrate, tipiche quando minerali ricchi di ferro sono rinvenuti nel terreno (magnetite e maghemite). Il contrasto di suscettività è tanto più forte quanto più è elevato il contenuto di minerali ferri-magnetici nelle strutture del sito (o nel terreno, quando le anomalie sono negative rispetto al fondo). Un rafforzamento delle caratteristiche magnetiche è solitamente correlato a passaggi di ricottura (stress termico) eventualmente effettuati sugli elementi (terreno o resti analizzati), oppure a trasformazioni di tipo inorganico o controllate da batteri che possono aver luogo naturalmente nella maggior parte dei terreni, dando luogo a materiali magneticamente evidenziabili, incastonati entro le strutture archeologiche e capaci di fornire segnali anomali quasi indelebili nel tempo. Fig. 33 Diagramma di un profilo magnetico diretto S-N, ottenuto sovrapponendo l effetto del campo magnetico terrestre con un campo magnetico anomalo dovuto ad una struttura localizzata (Weymouth, 1986). I primi procedimenti di sopralluogo magnetico furono condotti (1940) utilizzando magnetometri a precessione protonica, strumenti con limitata sensibilità che richiedevano diversi secondi per la misura su ogni punto. Attualmente, la maggioranza delle misure è effettuata per gradiente con due sensori "fluxgate, distanti 0.5 m e posti su una asse rigido verticale. Questi strumenti portatili possono registrare dati magnetici in modo continuo, permettendo la rapida effettuazione di sopralluoghi su diversi ettari di terreno in una sola giornata, con più letture per unità di area. Un ulteriore vantaggio dei gradiometri flux-gate è che non risultano affetti dalle variazioni del campo terrestre o dalle tempeste elettromagnetiche solari. Questo perché i due flux-gate paralleli sperimentano in questi casi un disturbo magnetico identico e dunque solo le variazioni locali significative rispetto all intensità del campo terrestre risulteranno rilevate. Diversamente dalle misure di prospezione per resistenza elettrica, i sopralluoghi magnetici non sono soggetti a variazioni stagionali. Il successo di questa tecnica è sovente strettamente correlato con la struttura geologica del sito analizzato. Fortunatamente, le condizioni geologiche nella maggior parte dei casi sono favorevoli, ovvero si ha un supporto di minerali ricchi in ferro sufficiente perché il terreno possa sviluppare proprietà magneticamente rilevabili. Tuttavia, alcune regioni contengono minerali magnetici naturali che complicano notevolmente l interpretazione dei dati archeologici. La maggior parte dei terreni ha un contenuto di minerali formati da ossidi di ferro - come magnetite (Fe 3 O 4 ), ematite (Fe 2 O 3 ) e maghemite (γ- Fe 2 O 3 ) - che va dall 1% al 10% in massa. Il suolo coltivato, e in minor misura anche quello incolto, hanno nel loro strato superiore 59

4 (circa 30 cm) una suscettività magnetica più alta rispetto a quella riscontrabile negli strati più profondi, a causa della trasformazione naturale nelle fasi più ossidate, per effetto di incendi naturali o artificiali, degli agenti atmosferici e dei cicli stagionali, dell ematite (antiferromagnetica) in maghemite prima e in magnetite poi, queste ultime entrambe ferri-magnetiche. I meccanismi in generale responsabili di quest effetto di trasformazione sono: 1. Processi di fermentazione derivanti dalla degradazione dei rifiuti organici, che abbondano nei campi coltivati e nelle fosse di scarico degli insediamenti. 2. Una pratica comune era quella di bruciare l erba secca, arbusti e legna per ripulire il terreno prima di coltivarlo. Durante la combustione, il consumo dell ossigeno impoverisce di questo elemento lo strato superiore del terreno. Successivamente, grazie al contatto con l aria, avvengono fenomeni di riossidazione e di riequilibrio del contenuto di Ossigeno. Da ciò risulta che il suolo coltivato, laterizi sepolti nel terreno naturale, buche, fosse, presentano valori magnetici decisamente superiori (anche di parecchi ordini di grandezza) rispetto a quelli del fondo naturale e sono quindi misurabili da un magnetometro come anomalie positive. Le aree invece con inferiori concentrazioni di minerali ferromagnetici (ad esempio, muri in arenaria, pietre, marmi, sabbia) hanno una minore suscettività magnetica rispetto ai terreni che li circondano e sono misurabili come anomalie negative. 3. Alcuni materiali, come manufatti in argilla cotta (terra-cotte, ceramica ecc.), o materiali venuti direttamente a contatto con il fuoco (focolari, fornaci, ecc.) possono aver subito fenomeni di cottura a temperature inferiori a 1000 C e ritengono quindi una maggiore suscettività magnetica e, in corrispondenza, una anisotropia magnetica rimanente nel materiale nella direzione del campo terrestre al momento dell ultima cottura. [Il calore, infatti, agisce sull'orientazione dei dipoli magnetici dei cristalli di magnetite che orientano i propri domini lungo la direzione del campo terrestre presente in quel luogo e nel momento del trattamento. Il successivo raffreddamento "congela" l'orientamento magnetico parallelamente al campo terrestre]. Figura 34: Confronto nella sensibilità di rilevamento durante la prospezione tra un magnetometro e un misuratore di resistenza elettrica. Si osserva che l abbinamento dei due metodi offre la possibilità di integrare le informazioni: i materiali in pietra non rilevati dal magnetometro danno un segnale di aumento della resistività; forni o focolari (cha non danno segnale elettrico rilevante) sono ben rilevabili attraverso il rilievo delle proprietà magnetiche. 60

5 I problemi che possono compromettere la ricognizione magnetica (magnetic survey) sono numerosi: - condizioni geologiche proibitive: quando si lavora stando sul minerale di ferro o su certi basalti. - rumore magnetico del suolo: ad esempio, variazioni dello spessore dello strato di humus - la eventuale presenza di tubature in ferro, cavi elettrici sotterranei o linee ad alta tensione. - lo stesso campo magnetico terrestre è una fonte di disturbo perché varia considerevolmente nel corso del tempo (~ 10/50 nt/giorno). Il rilievo magnetico con la tecnica del gradiente, che si basa sull impiego di un magnetometro differenziale o gradiometro (tipo fluxgate), da un indicazione continua delle variazioni di intensità del campo magnetico terrestre. Rispetto al metodo della misura del campo totale, ha il vantaggio di poter operare indipendentemente dalle variazioni magnetiche temporali naturali o dalle interferenze magnetiche di origine antropica che interagiscono con il segnale magnetico originale. PROCEDURE DI CAMPO Per eseguire una prospezione magnetica è auspicabile che il terreno da analizzare sia uniforme, costituito da materiali fini e con una moderata suscettività magnetica. Sono invece, condizioni sfavorevoli, considerate come alto rumore di fondo, un terreno sabbioso con bassa suscettività, vistose irregolarità della superficie, la presenza di grossi blocchi di materiale vulcanico nelle vicinanze o la presenza di detriti metallici. Un altra condizione molto importante è che l operatore sia magneticamente pulito, cioè privo di oggetti metallici che potrebbero essi stessi influenzare i sensori. Per effettuare la prospezione l operatore deve percorrere l area oggetto d indagine seguendo una griglia regolare con passi predefiniti variabili tra 1 e 5 m e deve eseguire le misure in corrispondenza dei nodi della griglia. STRUMENTAZIONE MAGNETOMETRO A SATURAZIONE A partire dalla Seconda Guerra Mondiale vennero introdotti strumenti elettronici, tra cui il magnetometro a saturazione detto anche gradiometro a porta di flusso (ingl. flux-gate) che è uno degli strumenti più comunemente impiegati nella ricerca archeologica ed è basato sulla saturazione di materiali magnetici. Per quanto la sua accuratezza sia leggermente minore di quella del magnetometro a precessione, ha su questo il vantaggio di fornire misure continue nel tempo e, soprattutto, di funzionare bene anche con campi deboli ed è relativamente indifferente al rumore esterno. Questo strumento è costituito da due nuclei di una lega metallica, avvolti da due spire, arrotolate in senso opposto, e alimentati da una corrente alternata nota. I due nuclei risultano magnetizzati in senso opposto e in assenza di campo magnetico terrestre la tensione indotta che si misura dalle due spire è uguale ma di senso opposto quindi la risultante è nulla. Se, invece, è presente un campo unidirezionale orientato secondo l asse dei nuclei, la tensione indotta nei due circuiti non avrà più lo stesso valore e 61

6 quindi avrà una tensione differenziale che si può misurare e che sarà proporzionale al valore del campo magnetico. FLUXGATE (rivelatori di distorsione del segnale) I magnetometri fluxgate (Fig. 35) si basano sul principio di saturazione del circuito magnetico. Barre parallele di un materiale ferromagnetico vengono posizionate affiancate. Ogni barra è circondata da un avvolgimento primario, ma ognuna in verso opposto all altra. Una corrente alternata (AC) attraversa l avvolgimento primario provocando un campo magnetico Figura 35: Esempi di Magnetometri Flux-gate. Consistono in due barre di lega magnetica "dolce" (Mumetal) avvolte da un circuito primario induttivo. I due avvolgimenti sono in controfase, posti in direzione opposta l una rispetto all altra e alimentati con una corrente sinusoidale a frequenza elevata. Le due barre sono sottoposte a cicli di saturazione alternata, positiva e negativa. ampio, artificiale e variabile in ogni avvolgimento. Questo produce campi indotti cha hanno in ogni istante la stessa intensità ma direzione opposta. L avvolgimento secondario circonda sia i nuclei ferromagnetici che gli avvolgimenti primari. In assenza di campo esterno, la tensione nell avvolgimento secondario è pari a zero, perché i campi magnetici generati nei due nuclei hanno stessa intensità ma direzioni opposte e si elidono. In presenza di un campo esterno, invece, al crescere della corrente, la magnetizzazione della barra avvolta con lo stesso verso del campo esterno sarà da questo rinforzata, mentre nell altra barra, avvolta con verso opposto a quello del campo esterno, la magnetizzazione risulterà ridotta. La magnetizzazione nei due casi seguirà percorsi inversi ma non più coerenti (simmetrici) e la saturazione sarà raggiunta in una barra ad un tempo differente rispetto all altra. Questa differenza è sufficiente per indurre nell avvolgimento secondario un potenziale elettrico (d.d.p. - V) misurabile, proporzionale alla forza del campo magnetico esterno nella direzione delle barre. La suscettività delle due barre deve essere così elevata che anche solo il debole campo terrestre possa portarle alla saturazione magnetica. I magnetometri fluxgate sono in grado di misurare 62

7 la forza di campi magnetici fino a circa 1.0 nt (campo terrestre = equatore ~ 20 µt poli ~ 60 µt). MAGNETOMETRO A PROTONI Uno degli strumenti che ha avuto maggiore applicazione nel campo archeologico è il magnetometro a protoni, che non misura direttamente le variazioni del campo magnetico ma la variazione della frequenza del moto di precessione dei protoni. Questo strumento si basa sulle caratteristiche fisiche del protone dell atomo di idrogeno. Struttura: Il sensore dello strumento è costituito da una piccola bobina lineare che circonda un ampolla contenente acqua chimicamente purissima, un insieme di molecole H 2 O e, a causa della dissociazione ionica, di ioni H +, cioè protoni, e di vari generi di ioni negativi (O - 2, O, OH, ecc.). I protoni ruotando attorno al proprio asse generano un campo magnetico di spin. Se introdotti in un campo magnetico esterno, i protoni tendono ad allineare il proprio asse parallelamente all asse del campo magnetico. Per allinearsi i protoni compiono un moto di precessione, cioè un moto di rotazione dell asse attorno alla direzione del campo. Procedura di misurazione: Polarizzazione dei protoni. La bobina (Fig. 36) è disposta con il suo asse orizzontale all incirca ortogonalmente rispetto al campo geo-magnetico e inizialmente è collegata a un generatore di corrente elettrica continua che fa scorrere in essa una corrente elettrica sufficientemente intensa da determinare un campo magnetico (campo di polarizzazione) molto più intenso del campo geomagnetico, per cui il campo risultante è praticamente lungo l asse della bobina e con esso tendono ad allinearsi i momenti magnetici dei protoni a causa dell agitazione termica. 63

8 Figura 36: Rappresentazione del nucleo di un magnetometro a precessione di protoni. Sulla sinistra, il contenitore del liquido con l avvolgimento induttore; sulla sinistra un protone con lo spin allineato lungo il campo. Trascorso qualche secondo perché tutto vada in equilibrio, viene interrotto il campo magnetico applicato. Sui protoni agisce ora il solo campo geo-magnetico, con il quale essi tendono ad allinearsi descrivendo un moto di riallineamento prima e di precessione poi intorno alla direzione del campo. La frequenza angolare ω del moto di precessione dei protoni, (cioè la velocità con cui lo spin del protone ruota intorno all asse del campo) è proporzionale all intensità B del campo esterno secondo la costante giro-magnetica γ, caratteristica del protone: ω = γ B (eq. 7.1 Misurando, attraverso il circuito descritto in fig. 37, il tempo di riallineamento e l intensità (campo generato) dell effetto di riallineamento, è possibile ricavare il valore della frequenza di precessione e da questa, attraverso l equazione 7.1, l intensità del campo magnetico esterno. Pregi peculiari dello strumento sono: semplicità sia costruttiva sia di misurazione; rapidità di misurazione; accuratezza delle misure (risoluzione ~ 0,1 nt; accuratezza ~ 0,5 nt). Le sole limitazioni sono che: il campo deve essere sufficientemente intenso perché si abbia un efficace effetto di precessione dei protoni, per questo si orienta l induttore con angolo ampio rispetto al CMT; richiede una corrente elettrica relativamente intensa per la polarizzazione; il suo funzionamento è forzatamente discontinuo nel tempo (fornisce una misura circa ogni 3 secondi o più) e quindi non va bene se si vuole una elevata risoluzione temporale. 64

9 Figura 37: Il sensore di un Proton Precession Magnetometer è un contenitore cilindrico riempito con un liquido ricco di atomi di idrogeno, circondato da un avvolgimento (primario: pick-up coil). Liquidi usati comunemente sono acqua, kerosene e alcool. Il sensore è connesso attraverso un cavo ad una piccola unità dotata di un generatore di corrente, un interruttore, un amplificatore (amplifier) e un frequenzimetro (counter) [da Toshihiko Iyemori and Yoko Odagi, World Data Center for Geomagnetism, Kyoto- KAGI21project]. Il magnetometro a protoni OVERHAUSER È una notevole variante, realizzata intorno al 1974, che è caratterizzata dalla grande accuratezza e dalla capacità di fornire misure pressoché continue nel tempo. Si differenzia dal magnetometro normale perché l acqua del sensore contiene un radicale libero la presenza del quale induce, sotto una modesta corrente polarizzatrice a radiofrequenza, una polarizzazione dei protoni molto più efficiente di quella indotta sull acqua semplice da una corrente polarizzatrice continua, anche se di notevole intensità; tale comportamento è noto come effetto Overhauser, dal nome di chi lo ha scoperto, Albert Warner Overhauser. MAGNETOMETRI DI GRANDE SENSIBILITA Sono stati anche realizzati magnetometri di straordinaria sensibilità, quali, il magnetometro a pompaggio ottico, o a rubidio, e il magnetometro SQUID, o a affetto Josephson; la loro grande sensibilità li rende però poco adatti per le misurazioni di routine del magnetismo terrestre, sia in osservatorio che in campagna questo perché il campo magnetico terrestre è caratterizzato, da una continua micro-variabilità che sarebbe ben rilevata da tali strumenti e darebbe quindi luogo a rappresentazioni troppo complesse e difficili da interpretare. Questi magnetometri di grande sensibilità sono tuttavia usati per misurazioni particolari (magnetismo delle rocce). MAGNETOMETRI A VAPORI ALCALINI (RUBIDIO, CESIO) 65

10 I Magnetometri a Vapori Alcalini sfruttano La separazione (splitting) dei livelli energetici elettronici (emissione luminosa) in presenza di un campo magnetico (effetto Zeeman) (Fig. 38). Questi strumenti fanno parte dei magnetometri a pompaggio ottico nei quali i sensori sono costituiti da celle con vapori di metalli alcalini. Non viene misurato direttamente il campo magnetico, ma una conseguenza fisica della sua intensità cioè la frequenza di risonanza elettronica del vapore alcalino (es. rubidio) in presenza di un campo magnetico. Figura 38: Effetto Zeeman : separazione (splitting) dei livelli degeneri degli orbitali m l in presenza di un campo magnetico esterno. La frequenza di risonanza per il passaggio da un livello elettronico all altro (per esempio da n = 2 a n = 3) non è più univocamente definita, come in assenza di campo (Magnetic field off). Il passaggio di livello, in presenza di un campo esterno (Magnetic field on) può avvenire secondo diversi valori di energia radiante assorbita (e poi rilasciata). Il delta di energia dovuto alla presenza del campo, avrà sui diversi orbitali del livello n=2 effetti differenti: in un caso sarà sottratto, in un altro addizionato e in un terzo caso non avrà effetti sulla quantità di energia necessaria per il passaggio di livello. 66

11 Esempi di applicazione L immagine di fig. 39 mostra il rilievo magnetico di un villaggio Scita risalente al d.c., scoperto in Siberia. La gradazione di grigio indica il livello di induzione rilevato (scuro = elevata induzione; meno scuro/ più chiaro = minore induzione) in una scala compresa fra (bianco) 10 nt e (nero) + 10 nt, rispetto al CMT medio locale. Figura 39: insediamento scita in Siberia, dell VIII IX secolo d.c.. Ogni quadrato ha una dimensione di 40x40 m. Le abitazioni (capanne o baracche) avevano dimensioni pari a circa 10x10 m. Il villaggio era fortificato (circondato) con palizzate o fossati. Rilievo effettuato con magnetometro a vapori di Cesio. 67