Geofisica applicata all Archeologia

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.

2) 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 prosperità 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 di

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 così detto

“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° 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 magnanese), 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 susscettibilità molto piccola.

Quando si cerca di misurare il campo magnetico, come già detto, si deve tenere conto non solo della

longitudine, ma anche delle variazioni secolari che si diluiscono nel tempo. L' IGRF fornisce delle

ragionevoli rappresentazioni del campo magnetico su vaste aree, cercando, oltretutto, di prevedere i

cambiamenti all'interno degli anni, ripetendo le misurazioni ogni 5 anni così da avere una traccia

sempre aggiornata del campo magnetico terrestre, producendo correzioni di vitale importanza nelle

misurazioni aeree o marine.

Altro fattore che influenza il campo magnetico terrestre è la suscettibilità della ionosfera, che è

soggetta a cambiamenti di correnti influenzate dal tempo solare.

In stato di quiete del sole (sq) il campo è costante (durante la notte) ma varia in base all'orario.

Esistono punti, come nei pressi dell'equatore, dove la ionosfera è particolarmente suscettibile al

campo magnetico, creando un effetto detto “elettrojet equatoriale”, creando notevoli variazioni ed

anomalie.

Ai poli le fluttuazioni sono causate da elettrojet aurorale, dunque in queste zone si rende necessaria

una misurazione costante.

Oltre agli orari anche l'attività solare influenza il campo magnetico, come tempeste solari che,

notoriamente, creano difficoltà ad apparecchi elettronici.

Naturalmente le indagini e le prospezioni sono generalmente sulle rocce e sui sedimenti, che hanno

differente suscettività magnetica in base alla propria presenza di magnetite: le rocce acide ed i

sedimenti hanno una bassa suscettività, mentre i basalti, doleriti, gabbri e serpentiniti sono

fortemente magnetici.

Gli agenti atmosferici producono una diminuzione della suscettività, poiché tendono ad ossidare i

materiali ferrosi.

Naturalmente ogni strumento sarà utile ad un determinato tipo di indagine: il fluxgate, ad esempio,

è composto da due bobine primarie e secondarie, portati a saturazione uguale ma con segno

opposto in presenza di un campo magnetico esterno che creerà scompensi all'interno dei

nuclei, rafforzandone uno e indebolendo l'altro. In sostanza quando un materiale magnetico è

portato a saturazione la sua suscettività magnetica decresce nel tempo.

Le prospezioni possono essere sia terrestri che aeree; nell'ultimo caso lo strumento viene collegato

ed orientato in base al campo magnetico totale.

Le misurazioni da fluxgate non sono assolute, per tanto necessitano di calibrazioni.

Principalmente viene utilizzato per indagini archeologiche, poiché è relativamente economico e le

misurazioni sono abbastanza rapide rispetto a quelle degli altri magnetometri.

Utilizzando due sensori si diminuisce la deriva termica alla quale è soggetto nonché l'imprecisione

dello strumento, seppur sia importante allinearne la temperatura in equilibrio tra essi e l'ambiente.

Con tre componenti, in ultimo, si minimizza la necessità di orientare precisamente il fluxgate e può

fornire informazioni sulla direzione e l'orientamento del campo terrestre.

Naturalmente non è l'unico tipo di magnetometro, ma dato il suo basso costo, robustezza e

affidabilità, oltre alla risoluzione, è quello più utilizzato all'interno delle indagini archeologiche.

Ad esempio il Magnetometro a Protoni, probabilmente il più diffuso misura la sola direzione del

campo magnetico (non l'intensità), ma non necessita una precisa orientazione, basandosi sul

principio di precessione di materiale ricco di protoni, attraverso il quale viene fatta passare una

corrente che polarizza il terreno; azzeratasi la polarizzazione il campo magnetico terrestre ne

eseguirà automaticamente un'altra che verrà misurata in una bobina che riceverà una corrente

misurabile. Non è usabile in zone ad alto grediente.

Magnetometri ad assorbimento ottico (al cesio, al rubidio), che si basa sullo scarto di energia

potenziale tra elemento chimico utilizzato e campo magnetico terrestre.

Comunque, indipendentemente dallo strumento, sarà necessario rappresentare i dati ed analizzarli:

si produrranno delle mappature (tomografie) magnetiche, che indicheranno attraverso una scala di

colori zone con maggiore o minore concentrazione di campo magnetico.

Nel caso di ritrovamenti archeologici i dati possono essere rappresentati come dei picchi più o meno

alti in base alla profondità e alla suscettività al magnetismo, o magari delle variazioni negative in

presenza di materiale refrattario al magnetismo, il tutto rappresentato su un piano cartesiano.

Oggi buona parte dei rilevamenti in campagna viene fatto attraverso mezzi aerei, ottimizzando il

rapporto spesa/qualità e distanza di indagine, riuscendo oltretutto a ridurre le difficoltà legate alla

variazione topografica, però rischiando di perdersi eventuali segnali che richiedano un indagine a

stretto contatto col terreno; la possibilità di poter effettuare la prospezione in movimento è uno dei

vantaggi rispetto alla gravimetria.

Ogni indagine deve tenere conto delle fonti di rumore, come i corpi degli stessi operatori, eventuali

presenze di materiali metallici addosso agli stessi, la variazione diurna e la longitudine.

È altresì vero che la densità è più semplice da misurare rispetto alla magnetizzazione; oltretutto il

campo gravitazione ha sempre la medesima direzione, ossia tende ad attirare verso il basso, mentr