CAPITOLO 3
Applicazioni GPR all’archeologia
Saranno adesso descritte alcune ricerche archeologiche effettuate con il GPR. Gli esempi riportati confermano che esso può essere efficacemente applicato all’archeologia con risultati soddisfacenti.
3.1. Giappone [14]
Come primo esempio saranno illustrate le ricerche archeologiche svolte in Giappone al villaggio di Komochi-mura, situato nella parte centrale della prefettura di Gumna (fig. 3.1, fig. 3.2).
L’intera area su cui il moderno villaggio si estende è costituita da uno spesso strato di pomice derivante dall’eruzione del vulcano Futatsudake del monte Haruna, situato a circa 10 Km a sud-est del villaggio, che intorno alla metà del sesto secolo ricoprì interamente il villaggio allora presente. Per verificare le presenza dell’antico villaggio e la sua conservazione, sono state effettuate ricerche con l’utilizzo del GPR per un periodo di 10 anni. Alla fine delle ricerche è stata ottenuta una dettagliata mappa dell’intero villaggio. In seguito gli scavi hanno riportato alla luce una larga varietà di manufatti e resti di costruzioni (abitazioni e tombe).
Fig.3.1. Mappa dei principali vulcani del Giappone.
Fig.3.2. Localizzazione del sito investigato.
Per effettuare le ricerche è stato utilizzato un sistema prodotto dalla OYO, chiamato GeoRadar-2, con frequenza centrale pari a 350 MHz. La pomice è caratterizzata da una costante dielettrica molto bassa, perciò la velocità di propagazione delle onde raggiunge valori abbastanza elevati, pari a circa 9.0 cm/nsec. Lo spessore massimo della pomice, sufficiente a ricoprire completamente il vecchio villaggio, è risultato essere pari a 2 metri. Analizzando i diversi strati di pomice (questo dimostra che avvennero più eruzioni) e ponendo particolare attenzione alle irregolarità delle basi
degli strati è stato possibile risalire ad una mappa dell’antico villaggio ed a distinguere quali costruzioni resistettero alla prima eruzione e quali no.
3.1.1. Le abitazioni
E’ stato possibile risalire alla mappa del villaggio grazie alla particolarità delle abitazioni. Nel villaggio erano presenti due diversi tipi di abitazioni: le più diffuse erano case scavate nel terreno (chiamate “pit-dwelling”, fig. 3.3.1) le altre invece erano erette sulla superficie (chiamate “surface-dwelling”, fig. 3.3.2).
In figura 3.3 è mostrato un esempio di come possono essere state distrutte le abitazioni.
Fig.3.3. Distruzione delle abitazioni: (fig.1A, fig.2A) la pomice si deposita sul tetto finchè esso non cede (fig.1B, fig.2B) e l’abitazione è completamente distrutta.
In figura 3.4 è riportato un profilo GPR in cui è chiaramente visibile la presenza delle rovine di una “pit-dwelling”.
Fig.3.4. Profilo GPR ricavato su una “pit-dwelling”.
In essa si possono riconoscere due distinti strati di pomice a dimostrazione che l’abitazione era già stata distrutta al momento in cui il primo strato di pomice si depositò.
In figura 3.5 invece è riportato il profilo relativo ad una surface-dwelling. Le anomalie hanno una lunghezza di circa 8 metri, ma per la loro particolare struttura questi tipi di abitazioni non sono perfettamente distinguibili come le altre.
3.1.2. Le tombe
Altri reperti che sono stati individuati sono le tombe, chiamate Kofun (che significa tombe a tumulo). Esse potevano essere di forma quadrata o circolare ed erano delimitate da un fossato. In figura 3.6 è riportato un profilo GPR relativo ad una tomba. Sono perfettamente distinguibili i due fossati (surrounding moat) ed il tumulo (mound). Dall’analisi della figura si può supporre che la pomice abbia dapprima ricoperto i fossati e poi man mano che lo strato aumentava anche il tumulo sia stato sommerso.
Fig.3.6. Profilo GPR che mostra una tomba ricoperta dalla pomice
3.2. Valenza (Spagna) [15]
La cattedrale di Valenza è uno dei principali monumenti storici della Spagna. La sua costruzione cominciò nel 1262 e terminò nel 1530. Sorta sopra le antiche rovine di una moschea araba ed altre rovine risalenti al periodo romano, la sua costruzione può essere suddivisa in tre fasi: (I) costruzione di un’antica chiesa romanica tra il 1262 ed i 1330, (II) alcune modifiche e la costruzione di una torre tra il 1330 ed il 1430, (III) espansione ed alcune modifiche strutturali tra il 1430 ed il 1530.
Le ricerche che sono state effettuate con il GPR all’interno della cattedrale di Valenza sono servite ad ottenere informazioni riguardo ad alcuni documenti e vecchie mappe contenuti negli archivi della cattedrale, che illustravano la presenza
di antiche strutture (la cattedrale, come abbiamo visto, fu costruita in tre fasi, ognuna delle quali è documentata) e per monitorare ed analizzare l’estensione e la potenziale pericolosità di una chiazza di umidità che appariva sul pavimento. I dati ottenuti sono stati di grande aiuto per la localizzazione di cripte, ossari, e di antichi muri che esistevano prima della costruzione della cattedrale.
I materiali su cui sorge la cattedrale sono principalmente depositi di origine alluvionale (ghaia, sabbia e argilla). Per verificarlo sono state scavate alcune buche nel terreno, che ne hanno confermato un’estensione fino a 20 metri di profondità, inoltre è stato trovato un bacino di acqua che si estende tra i 7 e i 9 metri di profondità.
L’area di interesse per le ricerche si estendeva comunque fino a 3 metri di profondità, per questo è stata utilizzata una frequenza di 500 MHz, scelta come compromesso tra la potenza necessaria e la risoluzione richiesta per individuare oggetti di piccole dimensioni. Le ricerche sono state effettuate andando a raccogliere dati nella navata centrale e in quelle laterali, nell’ambulacro, nel transetto, e in prossimità dell’altare. Una mappa dei profili GPR e della planimetria della cattedrale è mostrata in figura 3.7.
Fig.3.7. Planimetria della cattedrale e localizzazione dei profili GPR: (1) navata centrale, (2) navate laterali, (3) ambulacro, (4) transetto, (5) altare. Le frecce indicano le direzioni lungo le quali si sono acquisiti i profili GPR (denominati con P1, P2, ecc ).
3.2.1. Le cripte
Le principali strutture individuate sono state le cripte. Le vecchie mappe contenute negli archivi indicavano la presenza di 3 cripte, la più grande delle quali, chiamata Cripta di “Capuchinos”, era localizzata sotto la navata centrale di fronte all’altare, ed i profili hanno confermato la sua presenza.
La permittività del materiale, valutata andando a misurare il “travel time” dell’onda riflessa da oggetti di profondità nota, è risultata essere pari a circa 9 (valore compatibile con quello riportato in tabella 1.1 per l’argilla). Una volta noto il valore della permittività, come abbiamo visto dalle (1.1) e (1.2), si è potuto risalire alla profondità degli oggetti che hanno causato la riflessione.
La presenza di un supporto metallico nel tetto delle cripte, spiega la forte riflessione che esse hanno prodotto, dal momento che i metalli risultano essere dei riflettori perfetti per le onde elettromagnetiche.
In figura 3.8 sono riportati i profili acquisiti lungo la navata centrale (P1) e vicino all’altare (P5). Da essi si può constatare che la cripta, posta a circa 0,5 metri sotto il pavimento, provoca un’anomalia che si estende per circa 4 metri.
Inoltre si rileva la presenza di altre strutture, tra le quali un muro risalente all’antica costruzione romanica, tombe ed un’altra cripta.
Fig. 3.8. (a) Profilo P1 ottenuto lungo la navata centrale. (b) Profilo P5 ottenuto nelle vicinanze dell’altare, (ogni tacca indicata in superficie corrisponde ad un metro). (1) muro romanico, (2) cripta di “Capuchinos”, (3) cripta, (4) tomba.
3.2.2. Tombe ed ossari
Altre strutture rivelate grazie alle ricerche effettuate sono stati gli ossari (la cui precisa localizzazione non era nota anche se la loro presenza era ben documentata nelle carte presenti negli archivi) e le tombe. In figura 3.9 è riportata l’anomalia probabilmente generata da un ossario posto sotto una cappella laterale, mentre in figura 3.10 sono ben visibili le anomalie generate da tre tombe.
Fig.3.9. Profilo acquisito lungo una cappella laterale della cattedrale, dove si individua la possibile presenza di un ossario (profilo P8).
3.2.3. Monitoraggio dell’umidità
L’umidità presente all’interno della cattedrale è probabilmente causata dal bacino sotterraneo posto a circa 7-9 metri di profondità. Sul pavimento, costituito da lastre di marmo nero su di uno strato di cemento, sono ben visibili delle macchie bianche di sale dovute alla evaporazione dell’acqua proveniente dal bacino sotterraneo. Le ricerche sono state svolte nella zona in cui la concentrazione delle macchie era maggiormente elevata, utilizzando una frequenza pari a 900 MHz.
I risultati ottenuti mostrano una notevole differenza tra la zona umida e le zone non umide, come si può vedere dalla figura 3.11.
Fig.3.11. Differenza tra i dati provenienti da una zona umida (a sinistra) ed una zona secca (a destra).
In essa si nota che le riflessioni provenienti dalla zona umida sono numerose e intense e non sono dovute soltanto alle interfacce tra il marmo e il cemento, nella zona secca invece si hanno riflessioni molto meno accentuate riconducibili esclusivamente alle interfacce tra i due materiali.
In figura 3.12 sono riportate le velocità di propagazione delle onde nella zona investigata. Dato che lo spessore del pavimento di marmo e dello strato di cemento sottostante erano noti si è potuto risalire facilmente ai valori di permittività dei due materiali una volta calcolato il “two-way travel time”.C’è da notare che tra la zona umida (wet area) e la zona (dry area) si ottengono dei risultati differenti dovuti proprio alla presenza, nella zona umida, di acqua che tende ad alterare (in peggio) le caratteristiche elettriche dei due materiali.
Fig.3.12. Valori della permittività e relative velocità neimateriali analizzati.
3.3. Arizona [16]
Le ricerche sono state effettuate nel 1994. Precedentemente a tali ricerche, erano già state effettuate alcune ricerche che avevano evidenziato che a causa della particolarità del terreno in cui si svolgevano, non si riusciva a raggiungere una profondità di penetrazione che superasse il metro, utilizzando frequenze che garantissero una adeguata risoluzione. Nel caso delle ricerche descritte in seguito invece di cercare di aumentare la profondità di penetrazione (a discapito, come sappiamo, della risoluzione) i ricercatori hanno concentrato i propri studi nel primo metro di terreno, utilizzando prevalentemente una frequenza di 500 MHz che garantisse la massima risoluzione possibile.
3.3.1. Descrizione del sistema
Per le ricerche è stato utilizzato un radar SIR System-3 (Subsurface Interface System-3) prodotto dalla Geophysical Survey System Inc. (GSSI).
Sono state testate tre antenne con frequenze pari a 100 MHz (GSSI modello 3207), 300 MHz (GSSI modello 3205 TR) e 500 MHz (GSSI modello 3102).
L’intero sistema era alimentato da due batterie (105 amp-hr 12 V DC) che venivano cambiate ogni sera.
Nel caso delle ricerche effettuate alla frequenza di 500 MHz, sia l’antenna trasmittente che quella ricevente erano montate su un’unica struttura (radar bistatico) trasportata lungo la superficie da una sorta di pattino di nylon.
In un solo giorno furono acquisiti profili di lunghezza di circa 40 metri su un’area di 7000 m (per un totale di 3120 profili) nelle vicinanze del monumento delle rovine di Casa Grande vicino Coolidge.
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Poi fu ispezionata un’area di 900 m a Milagro situata a N-E di Tucson. Anche qui in un solo giorno furono acquisiti profili della lunghezza di 30 metri (in un area di 30 m x 30 m) distanziati di 0,5 m l’uno dall’altro per un totale di 1800 linee.
2
La figura 3.13 mostra le riflessioni provocate da muri sotterranei. Sull’asse orizzontale è indicata la posizione lungo il profilo (le linee verticali tratteggiate sono poste ad una distanza corrispondente ad un metro) mentre sull’asse verticale è riportato il two-way travel time e la corrispondente distanza in metri.
Fig.3.13. Esempio di risposte ottenute dalla riflessione di muri sotterranei.
Per valutare la velocità con cui l’onda elettromagnetica viaggiava, grazie al fatto che la profondità a cui l’onda arrivava era inferiore al metro, i ricercatori hanno sperimentato una tecnica molto efficiente e veloce. Sono state scavate delle buche, ai lati sono state poste delle bacchette di metallo, poi sono state di nuovo riempite di terra. Valutando il tempo che l’onda impiegava ad attraversare le buche, dato che era noto lo spessore delle bacchette, sono riusciti a valutare la velocità nel mezzo che riempiva la buca. In figura 3.14 sono riportate le risposte ottenute a Milagro. Nelle 3.14 (b) e 3.14 (c) si possono notare le anomalie provocate dalla presenza di resti di abitazioni (dello stesso tipo di quelle viste nel caso delle ricerche in Giappone (fig. 3.3 (a)).
Fig.3.14. (a) Profilo (500 MHz) corrispondente alla linea a 21,5 m NORD della griglia di acquisizione di Milagro. (b) Profilo 22 m NORD. (c) Profilo 22,5 m NORD.
3.4. Flagstaff (Arizona) e Sebastian (Florida) [17]
Nell’Aprile del 1996 sono stati acquisiti 10 profili alle Rovine di Elden Pueblo in Arizona. Nel luglio dello stesso anno a Sebastian (Florida) sono acquisiti circa 110 profili.
3.4.1. Elden Pueblo (Flagstaff, Arizona)
Il villaggio di Elden Pueblo, che sorgeva in questa zona intorno al 1200 fu uno dei maggiori centri abitati della zona. La maggior parte delle abitazioni avevano una struttura molto semplice: veniva scavata una buca nel terreno, intorno ad essa venivano erette delle mura di pietra e poi il tutto veniva ricoperto con legna o pelli di animali. Un’altra particolarità del villaggio erano le tombe. Durante la sepolture venivano posizionate delle pietre vicino alla testa e ai piedi delle salme. Le dimensioni di queste pietre sono tali da generare delle forti riflessioni facilmente individuabili nei profili acquisiti.
La localizzazione dei profili fu stabilita dalla U.S. Forest Service archaeologist. Sei dei dieci profili sono stati acquisiti su una zona precedentemente interessata da scavi archeologici (fig. 3.15) e furono utilizzati per controllare l’efficienza del sistema.
Fig.3.15. Mappa dei reperti già noti individuati con il GPR.
I rimanenti profili sono stati acquisiti invece per rivelare la presenza di reperti ed indirizzare i futuri scavi.
I dati sono stati acquisiti utilizzando un GSSI SIR system 8 GPR utilizzando un’antenna monostatica alla frequenza di 500 MHz.
In figura 3.16 è riportato uno dei sei profili acquisiti nella zona già interessata dagli scavi (dal quale è stata ricavata la mappa di figura 3.15). La lunghezza della traccia
è di circa 50 ns, corrispondente ad una profondità di circa 3 m, e il profilo ha un’estensione di 16 m. In esso si nota le riflessioni dovute agli oggetti mappati in figura 3.15. Con le lettere A, B, C, D sono indicate le anomalie generate da abitazioni, mentre con la lettera E è indicata l’anomalia proveniente da una tomba.
Fig.3.16. Profilo EPR1. Le anomalie indicate con le lettere A, B, C, D, E localizzano le strutture tratteggiate nella mappa di figura 3.15.
Anche il profilo riportato in figura 3.17 è stato acquisito su una tomba già scoperta dagli scavi (indicata con la lettera I). Esso ha la lunghezza di 10 m e le tracce si estendono fino ad un profondità di circa 2,5 m. In esso si individua però la presenza di una anomalia generata da un oggetto, non conosciuto fino ad allora, alla profondità di circa 1,6 m (corrispondente a 25 ns). Anch’essa era generata da una tomba.
Fig.3.17. Profilo EPR4 e relative anomalie.
3.4.2. Sebastian (Florida)
I dati acquisiti in questa località sono stati utilizzati per verificare la presenza di relitti lungo la costa e per testare l’efficienza del GPR lungo i terreni costieri; ricordando ciò che è stato detto nel paragrafo 2.3 la profondità di penetrazione delle onde è limitata in queste zone dalla presenza di acqua.
Le spiagge e le dune della zona sono costituite prevalentemente da granelli di quarzo e frammenti di conchiglie.
I dati sono stati acquisiti lungo 5 spiagge e lungo alcune dune sabbiose vicino alla costa. La scelta della localizzazione dei profili è stata effettuata sulla base di studi sulle correnti oceaniche e in base alla presenza di oggetti precedentemente scoperti. Per le ricerche è stato utilizzato lo stesso sistema utilizzato ad Elden Pueblo.
Il profilo 1, riportato in figura 3.18 è stato acquisito su una spiaggia lungo la battigia.
La penetrazione del segnale radar in questa zona è dell’ordine dei 60 ns (corrispondente a circa 3,5 m di profondità). Il profilo è caratterizzato da alcune anomalie di forma iperbolica (indicate con le lettere A, B, C) generate da oggetti sotterranei. Tra queste, quella contrassegnata con la lettera A era un nido di tartaruga, le altre due sono provocate da oggetti di composizione sconosciuta.
Fig.3.18. Profilo 1 con relative anomalie.
La figura 3.19 mostra un’interpretazione del profilo di figura 3.18. In grigio chiaro sono indicate le parti sabbiose, in grigio più scuro invece è indicata la zona sabbiosa con una forte percentuale di sale.
Fig.3.19. Interpretazione del profilo 1.
Il profilo 3 riportato in figura 3.20 è stato acquisito lungo una duna parallelamente alla spiaggia in direzione N-S. Data la scarsa presenza di acqua nel terreno la profondità di penetrazione è più elevata rispetto a prima (si arriva fino a 7 m). Di particolare interesse è l’anomalia contrassegnata con la lettera P causata da un tubo sotterraneo.
Fig.3.20. Profilo 3 con relative anomalie.
In figura 3.21 è riportata l’interpretazione del profilo 3. Anche in questo caso con le diverse tonalità di grigio sono indicate le diverse concentrazioni di sale e acqua nella sabbia delle dune.
Riferimenti
[14] M. Tohge, F. Karube, M. Kobayashi, A. Tanaka, K. Ishii, “ The use of ground penetrating radar to map an ancient village buried by volcanic eruption”, Journal of Applied Geophysics 40 (1998) 49-58.
[15] V. Perez Gracia, J. A. Canas, L. G. Pujades, J. Clapés, O. Caselles, F. García, R. Osorio, “GPR survey to confirm the location of ancient structures under the Valencian Cathedral (Spain)”, Journal of Applied Geophysics 43 (2000) 167-174. [16] Ben K. Stenberg, James W. McGill, “Archaeology studies in southern Arizona using ground penetrating radar”, Journal of Applied Geophysics 33 (1995) 209-225. [17] Jesse A. Baker, Neil L. Anderson, Peter J. Pilles, “Ground Penetrating Radar surveying in support of archaeological site investigation”, Computers &
