Prospezione archeologicamagnetica

Prospezione (Prospection)

• La prospezione investigativa, o pre-scavo, è in archeologia un’attività fondamentale, che può aiutare a definire l’area di interesse maggiore e, quindi, a risparmiare tempo e danaro durante le opere di scavo che, eventualmente, potranno seguire. Può anche fornire importanti informazioni che non sarebbero altrimenti ottenibili, nemmeno attraverso il recupero e lo scavo.

• La prospezione dovrebbe costituire parte integrale di ogni indagine archeologica, e non essere usata solo come riferimento per le successive analisi ambientali archeologiche dei sedimenti dentro e attorno al sito.

• Esistono molti metodi per il lavoro di prospezione, la cui scelta dipende dalle particolari questioni scientifiche poste e dalle condizioni ambientali specifiche del sito.

ProspezioneLe metodologie di prospezione fisica possono essere “attive” o “passive”:

• Attive sono le tecniche basate sull’invio di un segnale nel suolo (corrente elettrica, onda elettromagnetica GPR– Ground Penetrating Radar) per poi misurare la risposta in superficie.

• Passive sono le tecniche basate sulla misura delle proprietà fisica del terreno (campo elettromagnetico), indipendenti dalla presenza del sistema di rilevamento.

I principali metodi applicati sono:

- Field Walking, - Magnetic Survey, - Electrical Resistance, - Soil chemical-physical Properties, - GPR – Ethno-pedology

ProspezioneNel 1893 si martellava il terreno per cogliere variazioni del segnale acustico. Dal 1945 si ha la prospezione aerea, Nel 1946 si applicano studi sulle proprietà elettriche del terreno. Nel 1958 Martin Aitken introuce la prospezione magnetica (proton magnetometer) che permette la prospezione su ampia scala con digitalizzazione automatica dei dati.

Nel 1960 s’introduce il Fluxgate magnetometer che velocizza le scansioni. Oggi strumentazioni sensibilissime come magnetometri a vapori alcalini (sensibilità 0.01 nT) sono disponibili. Il GPR è un metodo attivo elettromagnetico.

L’etno-pedologia, permette di ricavare informazioni sull’occupazione umana di un sito grazie all’arricchimento in superficie di elementi metallici (Fe, Pb) o di P (proteine). L’arricchimento di micro-nutrienti (Cu, Mn, Zn, …) può indicare l’utilizzo come terreno coltivato.

Una combinazione di più metodi costituisce il miglior approccio possibile, dati provenienti da un’unica tecnica sono interpretabili con più difficoltà.

Field Walking: una gran quantità di informazioni sulle epoche storiche del passato può essere raccolta semplicemente osservando il territorio. Tratti caratteristici come tumuli, fossati, palaeo-canali, 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. Mappe dell’area investigata sono strumenti preziosi per la raccolta delle osservazioni.

Carnuntum (Austria) 1968

Carnuntum (Austria)

1968

“cropmarks”

Paleo-canali (individuabili mediante prospezione magnetica)Sono i “letti” sepolti di corsi d’acqua, fiumi o fossati (trincee). Sovente, specialmente in siti rimasti permanentemente allagati, possono contenere resti organici caratteristici del tipo di canale (dipendenti per esempio dalla velocità del flusso, dalla profondità, dalle dimensioni, etc) e dell’ecosistema di quel territorio (per esempio, tipo e diffusione della vegetazione; presenza di terreni boscosi o pianure).I sedimenti dei paleo-canali possono fornire importanti informazioni sulle attività umane nell’antichità. Specialmente su eventi come deforestazioni, incendi, concimazione, che possono drammaticamente o in forma minore modificare le caratteristiche della flora e della fauna nel canale.

Attraverso una combinazione di paleoentomologia, palinologia e analisi dei macro-fossili nel contesto di scavo, si possono ottenere informazioni sulle variazioni del paesaggio nell’area interessata dal bacino idrogeografico relativo al canale.

Seismic Survey

Resistivity

Survey

Resistivity Survey

                                                                                                                                      

                                              

Data la natura conica del fascio radar, l’oggetto sepolto (rosso) sarà parzialmente illuminato anche prima e dopo il passaggio diretto su di esso del sensore. (b) Il segnale risultante può apparire confuso per il sovrapporsi di segnali in tempi diversi corrispondenti a piani diversi. (c) I dati sono per questo analizzati numericamente per formare una successione di “fette temporali" che svelano sul piano bidimensionale la struttura e la profondità del materiale seppellito.

Ground Penetrating Radar

GPR

(a) Mentre l’operatore si muove sul sito, l’antenna radar emette una serie di brevi impulsi radar verso il terreno, registrando il tempo e l’intensità del segnale riflesso.

The Ground Penetrating Radar equipment in operation at Wroxeter

I segnali rifratti del Radar sono raccolti sistematicamente, facendo correre il sensore-emettitore lungo linee parallele predefinite. Poiché le microonde viaggiano nel suolo a velocità nota, il tempo che intercorre fra invio e raccolta del segnale di eco (ritornato al sensore) è proporzionale alla profondità raggiunta dall’onda prima impattare un ostacolo solido. Segnali di eco anticipato (forti) sono riportati in rosso, segnali di eco deboli sono riportati in blu

I magnetometri possono identificare sostanze/particelle ferromagnetiche sepolte nel terreno capaci di fornire al materiale che le contiene diversi valori di forza e direzione del campo magnetico. Per esempio, un aratro in ferro fornisce una lettura magnetica molto più elevata di quella media ambientale, mentre un muro in pietra fornirà un valore più basso. Inoltre, effetti di disturbo nel suolo possono modificare l’allineamento delle particelle magnetizzate in direzione diversa rispetto a quella (quasi) naturale. Queste variazioni danno segnali diferenti rilevabili attraverso un magnetometero, e possono essere usate per identificare strutture come antichi fossati, mura e paleocanali.

Il metodo usuale consiste nel suddividere il sito secondo una griglia (per esempio, definita una linea base, si tracciano con nastri le perpendicolari ad essa, e poi ci si muove progressivamente fino a completare l’intreccio di linee) fino a una risoluzione di circa 1 m. Lo strumento di più semplice utilizzo è il Fluxgate Gradiometer, che abbinato a un PC portatile, può rapidamente fornire risultati utili sul sito. Lo strumento deve essere attentamente tarato rispetto al valore del CMT presente nell’unità investigata, per poi misurare minute variazioni di campo per ogni punto di misura.

Prospezione magnetica (survey)

Cosa andiamo a “osservare” con i magnetometri

• L’utilizzo nel passato del fuoco per la cottura del cibo, per riscaldarsi, per il disboscamento, la preparazione di un terreno agricolo o per la produzione di manufatti ha modificato le proprietà magnetiche di argilla, pietre e del suolo in modo tale che è oggi possibile riconoscere I luoghi dove questo è accaduto.

• le strutture naturali di superficie tipicamente esibiscono anomalie magnetiche locali dell’ordine di 1-20 nT, invece strutture “cotte" mostrano anomalie fra 10 e 1000 nT. Si ricordi che Earth field (CMT) ~ 0.6 G = 20-60 µT.

• Gli oggetti in ferro, comprese le scorie della fusione e fucinatura, sono molto rari ma possono dare anomalie fra 20 e 2000 nT. Le variazioni di suscettività magnetica fra superficie, suolo e rocce presenti (la superficie è solitamente più magnetizzata) sono un fattore da considerare.

Prospection

• Queste variazioni rendono possibile l’identificazione di fossati, buche e altre strutture interrate che furno scavate e poi riempite volontariamente o per frana della supercicie. Queste aree producono anomalie positive.

• Al contrario, minerali non magnetici provenienti dal suolo, compresi molti tipi di strutture murarie (p.es. mura di calcare) producono anomalie negative variabili da 2 12 nT circa.

Magnetic Prospection

Magnetic Prospection (sensors)Ogni sensore “flux-gate” consiste di due strisce (o barre) di materiale magnetico estremamente dolce (soft), come la lega Ni-Co (Mu-metal), circondate da un avvolgimento primario. I due avvolgimenti sono orientati in direzioni opposte l’uno rispetto all’altro e sono alimentati con un segnale sinusoidale di corrente alternata ad elevata frequenza. I due nuclei di Mu-metal sono così sottoposti a cicli alternati di magnetizzazione a saturazione positiva e negativa.

Fluxgate (rivelatori di distorsione del segnale)

• I magnetometri “fluxgate” si basano sul principio di saturazione del circuito magnetico. Barre parallele di un materiale ferromagnetico vengono posizionate affiancate. Lassuscettività delle due barre deve essere così elevata che anche solo il debole campo terrestre possa portarle alla saturazione magnetica. • Ogni barra è circondata da un avvolgimento primario, ma ognuna in verso opposto all’altra. Corrente alternata (AC) attraversa l’avvolgimento primario provocando un campo magnetico ampio, artificiale e variabile in ogni avvolgimento. Questo produce campi indotti cha hanno in ogni istante la stessa intensità ma direzione opposta. • In presenza di un campo esterno, al crescere della corrente il campo magnetico nella barra avvolta con lo stesso verso del campo esterno sarà da questo rinforzato, mentre nell’altra barra il campo risulterà ridotto, a causa del campo esterno. La magnetizzazione nei due casi seguirà percorsi non più coerenti 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 e proporzionale alla forza del campo magnetico esterno nella direzione delle barre.

FluxgateL’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, perchè i campi magnetici generati nei due nuclei hanno stessa intensità ma direzioni opposte e si elidono.

In presenza di campo esterno, invece, il comportamento nei due nuclei varia di una quantità proporzionale al campo esterno. I magnetometri “fluxgate” sono in grado di misurare la forza di campi magnetici fino a circa 1.0 nT (campo terrestre = equatore 20 µT – poli 60 µT).

M

ext

Proton precession magnetometers

Questi magnetometri operano grazie al principio secondo cui i momenti magnetici dei protoni ruotano (spin) lungo l’asse allineato col campo magnetico. Il moto di precessione dei protoni in presenza di un campo magnetico fu scoperta per la prima volta attorno al 1950, osservando che il protone “precede” con una velocità angolare , (frequenza di precessione di Larmor), proporzionale all'intensità F del campo magnetico, ovvero:

Un induttore crea un forte campo magnetico attorno al fluido ricco di protoni, causando l’allineamento degli spin dei protoni lungo il campo. Il campo viene poi interrotto e mentre i protoni si riallineano col campo terrestre, gli spin dei protoni “precedono” a frequenza specifica. Questo produce un campo magnetico debole che può essere rilevato dallo stesso induttore. La relazione fra la frequenza della corrente indotta e la forza del campo terrestre è chiamata “rapporto giromagnetico del protone”, pari a 0.042576 Hertz/nanoTesla0.042576 Hertz/nanoTesla

frequenza di risonanza del moto di precessione

= B = costante giromagnetica tipica del sistema (atomo)

La sorgente di protoni è solitamente una piccola quantità d’acqua o un liquido organico ricco di idrogeno, come il metanolo, l'alcool etilico, il benzene, etc.     = pF

Elementi essenziali di un magnetometro di questo genere sono: - una sorgente di protoni, - un campo polarizzante molto più forte del campo terrestre e a questo, grossomodo, perpendiculare, una bobina di rilevazione strettamente accoppiata alla sorgente, un amplificatore per aumentare le tensioni ridotte indotte nella bobina e un dispositivo di misura della frequenza.

Proton precession magnetometers

I Magnetometri a Vapori Alcalini sfruttano La separazione (splitting) dei livelli energetici elettronici (emissione luminosa) in presenza di un campo magnetico (effetto Zeeman).

Con i sistemi di misura che sfruttano il moto di precessione protonica o l’effetto Zeeman non misuriamo direttamente il campo magnetico ma una conseguenza fisica della sua intensità, come una variazione di frequenza o una quantità di energia associata ad un livello energetico elettronico.

Hydrogen Zeeman Example

Magnetometer Survey

Excavation At Newstead (UK, Notthingam)Newstead Fort Complex: un insediamento extramurario a sud del forte. La strada Nord-sud rilevata è larga approssimativamente 4 m e lastricata con ciottoli, non protetti da pietre angolari o da scanalature.

L’area a est della strada si è mostrata occupata da una complessa sequenza di canali di drenaggio e zone con metallo. In apparenza si tratta di una antica discarica all’aria aperta vicina a una struttura di passagio, edificata in legno e probabilmente in legno anche pavimentata

Geophysical Survey (UK, Scotland)Un’altro rilievo, nella regione di Lilliesleaf in Scozia), su un sito osservato con fotografie da aereo sopra la laguna di Lilliesleaf. Si osserva una recinzione rettangolare circondata da un fossato, su una radura sopraelevata rispetto al fondovalle.

Il rilievo magnetico ha fornito una chiara rappresentazione della recinzione, che presenta due diverse entrate e all’interno una struttura circolare di circa 20 m in diametro vicino all’entrata Nord ovest. Questa sembra probabilmente essere stata una abitazione circolare. Una struttura analoga sembra identificabile da un profilo nella zona esta.

                                                                    

                                                      

                                              

(a) Un magnetometro a vapori di Cesio con elevata sensibilità pè stato usato per un rilievo magnetico del sito in pietra di Stanton Drew (UK).

(b) Il rilievo ha mostrato una serie di 9 cerchi concentrici di anomalie positive. Ogni singola anomalia si ritiene corrisponda ai resti di tronchi usati per una struttura unica.

Da oservazioni geofisiche, il sito è interpretato come monumento neolitico rituale, rappresentato in (c).

Le resta magnetica di un villaggio (henge) in legno

Valle del Tevere (Salvatore Piro, ITABC-CNR) a Veio (Veii)

Rilievo magnetico e georadar hanno individuato le strutture sulla Piazza d'Armi. Il programma di prospezione geofisica comprende lo studio della topografia e delle strutture ancora in piedi.

Misura della resistività e rilievo magnetico sono state applicate in ampie aree vicino alla chiesa e agli scavi (Veio). I risultati hanno mostrato un certo numero di edifici, incluse una villa, e un’area residenziale associata con il mercato. Questi esempi dimostrano che il rilievo geofisico è un importante metodo di prospezione in un contesto archeologico e che facilita l’individuazione e la mappatura di strutture sepolte, integrando un numero di tecniche diverse e utilizzando l’esperienza di archeologi e geofisici.

Il rilievo, che ha coperto un’area di 28 ettari, ha permesso di individuare il piano della città entro i resti delle mura difensive, incluso un mercato, un teatro un’insula e l’intrico delle strade.

Veio (Veii)

Fluxgate Gradiometer Survey

Il sito della città romana di Uriconium a Wroxeter nella contea

dello “Shropshire”

• I risultati raccolti con la prospezione magnetica da questo sito forniscono il più esteso insieme di dati a oggi disponibili. Quesi due milioni di punti sperimentali raccolti.

• Questa prospezione ha fornito evidenze particolari e di ampia portata, non solo per l’insieme di informazioni su comuni anomalie positive, le informazioni più interessanti e frequenti nel sito sonostate osservate su elementi strutturali in pietra.

• Sebbene sia comune altrove in Europa, per esempio in suoli argillosi, in Gran Bretagna questa risposta è rara e può essere attribuita a materiali lapidei non-magnetici presenti su suoli altamente magnetici.

Wroxeter Survey Project

La città romana di Wroxeter, grazie alla sua grandezza, alla buona conservazione e accessibilità, è diventata il laboratorio ideale per provare una varietà di metodi di prospezione geofisica e geochimica, o di altre tecniche di rilievo. Sebbene molti di questi siano stati in uso fra gli archeologi da lungo tempo, altri sono invece nuovi o innovativi, e nella maggior parte non sono mai stati studiati in combinazione fra loro.

A Wroxeter, il sopralluogo aereo fotografico è stato combinato con i risultati di misura con il rilievo magnetico, la resistività elettrica, il ground penetrating radar, le misure sismiche, e l’analisi spettrografica dall’alto per produrre una mappa accurata della città, distinguendo ovunque possibile le fasi cronologiche (dalla tarda età del ferro al periodo sub-Romano) e le caratteristiche strutturali (dall’architettura topografica alle stanze delle singole abitazioni).

The Magnetometer Survey at Wroxeter

Geophysical Survey –

Case Studies

Una porzione del rilievo eseguito nella città romana di Wroxeter (UK) con un magnetometro flux-gate.

In condizioni ideali come quelle analizzate, il magnetometro può indicare una gran quantità di dettagli archeologici, compresi il piano stradale (il reticolo rettangolare ben svelato in alto) e perfino il profilo di alcuni edifico. Le linee di interruzione sono tubazioni moderne.

Il responso magnetico è eccellente, si osservano le basi delle mura delineate come anomalie negative mentre le anomalie positive sono causate dal suolo ricco “magneticamente”.

Wroxeter in Shropshire

Possible burnt area in north-east quadrant

Possible Church south of the bath's basilica

Batteri magnetotattici

Geomagnetismo: prospezione geologica magnetica ed elettrica

Appendice 1: Prospezione geofisica col magnetismo

• La Prospezione Magnetica è una tecnicatecnica passiva 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 50000 volte più deboli del campo magnetico locale.

• Inizialmente, sopralluoghi magnetici furono utilizzati per individuare strutture archeologiche particolari, come i forni di forni di ceramicaceramica Romani. La tecnica si è poi rapidamente dimostrata molto sensibile anche per altre “strutture”, come fossatifossati, antiche antiche discarichediscariche e perfino buche singole buche singole in cui furono piantati pali di pali di legnolegno.

• Le anomalie osservabili sono dovute a variazioni della suscettività magnetica suscettività magnetica delle strutture interrate, tipiche quando minerali ricchi di ferro minerali ricchi di ferro sono rinvenuti nel terreno (magnetite e magnetite e maghemite)maghemite). Questo rafforzamento delle caratteristiche magnetiche viene solitamente correlato a passaggi di ricottura 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.

• 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 "flux-gateflux-gate“, distanti 0.5 m e posti su una asse rigido verticale.

• Questi strumenti portatilistrumenti 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 localivariazioni 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 stagionalivariazioni 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.