Geofisica applicata all Archeologia

Geofisica applicata all'archeologia

Introduzione

La geofisica, grazie alla vastità dei suoi campi di indagine, si rivela un potente alleato delle indagini archeologiche, soprattutto in funzione della natura non distruttiva delle prospezioni. È importante sapere che ogni metodo che prenderemo in considerazione necessita di un minimo addestramento per poterlo utilizzare e, soprattutto, per poter leggere ed interpretare i dati. Spesso, per non dire sempre, l'archeologo dovrà avvalersi della competenza di un geofisico per l'utilizzo delle attrezzature e l'interpretazione dei dati.

Micogravimetria

Secondo la legge di gravitazione universale, scoperta da Newton, ogni massa, per quanto sia essa piccola, viene attratta e attrae altre masse, in relazione alla costante gravitazionale (G) e in rapporto al quadrato della distanza fra loro [F= G (m1 m2)/r²]. La seconda legge di Newton [ F= m g], dove g rappresenta l'accelerazione gravitazionale sulla Terra di circa 9.81 m/s². Queste due leggi sono alla base del metodo gravimetrico, tuttavia si deve tener presente che la gravità terrestre non è costante come si penserebbe, ma varia da luogo a luogo, questo perché non è una sfera perfetta, ma ha la forma di un'ellisse di rotazione con una topografia irregolare, dunque, con distribuzione di massa irregolare; chiameremo dunque la terra “geoide”, in quanto la sua distribuzione irregolare di massa la rende differente dall'ellisse di rotazione.

In base al luogo della misurazione, la gravità varierà, seppur di pochissimo. L'unità di misura utilizzata in questi casi è il “Gal” ed il suo sottomultiplo “mGal” (milli= 10^-3 Gal). È noto che la terra ruota su se stessa ed attorno al sole: la rotazione della terra provoca una forza centrifuga che, come la gravità, varierà in base alla latitudine: la risultante tra accelerazione gravitazionale e forza centrifuga sarà chiamata “gravità normale”.

A complicare ulteriormente le misure c'è da dire che l'interazione tra corpi celesti (terra – sole – luna) provoca un'ulteriore variazione della gravità, poiché questi esercitano leggera attrazione fra le loro masse. Quanto preso in considerazione, dunque, deve esser tenuto presente nel momento di una misurazione, che può naturalmente essere falsata da numerosi agenti esterni: ai dati dovranno essere, infatti, applicate delle “correzioni”, come quelle di Faye (tenendo presente la distanza dal punto osservato al livello del mare e della latitudine), quella di Bouguer (che tiene conto della distanza dal livello del mare e della densità dello strato roccioso fino al livello del mare) ed, in ultimo, la correzione topografica (correzione sempre positiva che riguarda la variazione tra topografia ed il piano orizzontale tangente alla stazione di indagine).

Assunto che le misure necessitano di correzioni, possiamo parlare degli strumenti che vengono utilizzati per le misurazioni; questi possono essere di tre tipi: misure pendolari (misura assoluta che utilizza la teoria del pendolo matematico); Misura della caduta di una massa libera dall'alto (misura assoluta che calcola la velocità della caduta del grave attraverso un laser); il dinamometro statico o astatico (misura relativa, gravimetro).

Per quanto riguarda le misure sul campo si tende ad utilizzare i gravimetri statici o astatici: il gravimetro statico possiede una molla all'interno con una massa alla sua estremità; mettendo “in bolla” lo strumento, dunque perpendicolarmente al terreno, la molla avrà un allungamento in caso nel sottosuolo vi sia un accumulo di massa che eserciti un'attrazione sul peso, od una contrazione in caso vi sia un vuoto di massa (cavità), misurando la differenza tra stato di quiete della molla e allungamento, si otterrà il risultato; il gravimetro astatico, invece, utilizzerà il metodo del pendolo, avendo una molla a lunghezza zero che sorregga un'asticella collegata ad una massa, il tutto posato su una base il cui spostamento viene calcolato in base ad un sensore.

A livello applicativo i dati raccolti vengono rappresentati su un diagramma cartesiano con la gravità, misurata in mGal in ascisse e la lunghezza del terreno in ordinate: si inserisce il profilo del terreno che darà una diminuzione della gravità in un determinato punto in presenza di cavità, ed un aumento in presenza di masse, come potrebbe essere un muro. Naturalmente la rappresentazione gravimetrica può essere non solo su modelli bidimensionali ma anche tridimensionali, aiutandoci anche a rappresentare una terza dimensione del terreno.

Magnetometria

I metodi magnetici puntano le loro basi sui principi del magnetismo, come ne preannuncia il nome. L'utilizzo di aghi magnetici per trovare minerali nel sottosuolo era in uso già dal medioevo, rendendolo il metodo più antico e ancora in uso. L'intensità del campo magnetico si misura in nano Tesla, e le proprietà magnetiche di ogni minerale possono variare anche di diversi ordini di grandezza. Ogni polo magnetico esercita un campo magnetico dello stesso segno del polo a cui afferisce.

I magneti hanno sempre due poli, uno positivo ed uno negativo; anche quando un magnete si spezza, creando due nuove estremità, queste creano altri due poli, uno positivo ed uno negativo, procedendo all'infinito se si continuasse a spezzare il materiale (dipoli). Quando un dipolo viene inserito in un campo magnetico questo tende ad orientarsi secondo lo stesso, creando un cosiddetto “momento” magnetico.

Un ago magnetico tende ad indicare il polo del suo opposto: su questo principio si basa la bussola, largamente usata nei secoli. Nel 15^° secolo, infatti, date le numerose navigazioni ed esplorazioni, i marinai iniziarono a rendersi conto, però, che l'ago della bussola non indicava precisamente il nord geografico, indicato dalla stella polare, questo successe perché il nord magnetico e quello geografico non coincidono precisamente, infatti il primo tende a spostarsi andando avanti con i secoli.

Il campo magnetico terrestre non è solamente in continuo movimento, ma varia con la longitudine, infatti è generato dalle correnti elettriche nel mantello liquido della terra, venendo ulteriormente distorto da un numero relativamente basso di dipoli presenti tra nucleo e mantello. La sovrapposizione tra campo magnetico terrestre e campo magnetico prodotto dai corpi geologici forma un'anomalia nel campo magnetico totale.

Quando un corpo viene inserito all'interno di un campo magnetico tende ad acquistare una magnetizzazione che varia in base alla propria suscettibilità magnetica, potendo essere positiva (paramagnetismo - dipende dal contenuto di ferro o manganese), negativa (diamagnetismo – caratteristico di tutte le leghe) o naturale (ferromagnetici – ferro, cobalto, nichel e alcune leghe) creando campi abbastanza piccoli da essere generalmente ignorati dai magnetometri (anche se quelli moderni sono abbastanza sensibili da registrare anche variazioni minime, risultando molto utili dato il numero limitato di materiali ferro-magnetici in natura). Gli unici tre materiali con una forte impronta magnetica sono la magnetite, la pirrotite e maghemite, mentre la più presente ematite, materiale ferroso molto diffuso, ha una suscettibilità molto piccola.