244

Magnetometria metod de investigare folosit n arheologie

Ovidiu Pruanu oparausanu@yahoo.com

1. Introducere Metodele geofizicii au fost dezvoltate iniial n vederea studiului

structurilor geologice ale subsolului, dar, n ultimii ani, sondajele geofizice au devenit din ce n ce mai importante n vederea investigrii siturilor arheologice.

Investigarea magnetometric este una dintre cele mai eficiente i moderne metode ale geofizicii aplicate n arheologie, deoarece o mare parte a materialelor arheologice pot fi depistate datorit anomaliilor magnetice pe care le creeaz.

n condiii favorabile, prospeciunile magnetice sunt cele mai eficiente, rapide i absolut non-distructive metode de investigare a siturilor arheologice, iar informaiile ce pot fi obinute prin prospeciuni magnetice sunt foarte apropiate de rezultatele relevate ulterior n urma spturilor arheologice.

Activitile omului din trecut, n special folosirea focului pentru inclzit, pentru prepararea hranei, fabricarea uneltelor i a armelor, au schimbat proprietile magnetice ale argilei, rocilor i solului, prin urmare, apar anomalii ale cmpului magnetic al pmntului, detectabile cu instrumente sensibile specifice numite magnetometre.

Diferenele de susceptibilitate magnetic ntre sol, subsol i roci (solul este n mod normal mai magnetizat dect subsolul) afecteaz cmpul magnetic terestru local, fcnd posibil detectarea de anuri, gropi i a altor zone atipice solului i subsolului.

Putem concluziona c magnetometria reprezint o tehnic pasiv a geofizicii, bazat pe rspunsuri la condiiile naturale i detecia contrastelor proprietilor magnetice aprute n diferite materiale.

2. Cmpul magnetic al Pmntului Cmpul magnetic al Pmntului este aproximativ constant pe toat

suprafaa ariilor largi situate n aceeai zon a planetei. Cel mai simplu model este acela care consider o mare bar magnetic

situat n centrul Pmntului, orientat cu polul pozitiv (+) spre Nord i nclinat sub un unghi de aproximativ 10 0 fa de axa de rotaie.

Liniile de cmp magnetic au forma i orientarea unui cmp generat de un magnet obinuit, de aceeai form (vezi fig. 1).

Fig. 1

245

Direcia liniilor de cmp magnetic este vertical la polii magnetici i orizontal la ecuatorul magnetic. Aceste amnunte sunt foarte importante pentru interpretarea anomaliilor magnetice.

Intensitatea cmpului magnetic terestru este de dou ori mai mare n regiunile polare (aproximativ 60.000 nT), fa de regiunile situate la ecuator (30.000 nT).

Att intensitatea cmpului magnetic terestru, ct i nclinarea acesteia sunt egale pe suprafee situate in aceeai zon geografic.

Anomaliile magnetice ntr-un sol a crui compoziie este uniform, liniile de cmp magnetic

terestru vor avea direcia polilor magnetici ai Pmntului, iar pe suprafee mici direciile acestora sunt paralele.

n cazul existenei n pmnt a unei game variate de materiale, liniile cmpului magnetic terestru vor fi distorsionate. (vezi fig. 2)

Distorsiunile cmpului magnetic terestru se numesc anomalii. Fierul intr n constituia scoarei terestre intr-un procent de 6%. O mare

parte din fier este dispersat n sol, argile i roci, sub form de compui chimici ai acestuia, care au un caracter magnetic foarte slab. Dup cum spuneam anterior, activitile trecute ale omului au schimbat proprietile magnetice ale solului, producnd o serie de anomalii magnetice, care pot fi detectate de aparate sensibile magnetic, numite magnetometre.

Anomaliile datorate materialelor arheologice, pietrelor sau mineralelor aflate n sol, sunt datorate n principal celui mai comun material magnetic magnetita sau mineralelor nrudite cu aceasta. Toate rocile conin ntr-o oarecare msur magnetite, n concentraii mai mari sau mai mici.

Anomaliile cmpului magnetic terestru sunt cauzate de un cmp magnetic indus sau de un cmp magnetic remanent.

Apariia cmpului magnetic indus denot faptul c un element se magnetizeaz sub influena cmpului magnetic terestru (fig. 3).

Fig. 3

Fig. 2

246

Cmpul magnetic remanent ne arat pur i simplu existena magnetismului unui obiect, chiar i n absena cmpului magnetic terestru.

Ambele forme de magnetism sunt foarte importante n arheologie. Magnetizarea indus este direct proporional cu intensitatea cmpului

magnetic exterior i cu abilitatea materialului de a mri cmpul magnetic local, proprietate numit susceptibilitate magnetic (notat ).

Susceptibilitatea diferitelor tipuri de roci, este redat n tabelul de mai jos, dar poate varia in funcie de situaii:

Tipuri de roci Susceptibilitate magnetic (ae 10 3 ISO)

Piroxenite, dunite, serpentinite i altele 100 10.000 Bazalt 100 - 1000 Granit 10 - 1000 Andezit 100 isturi i alte roci metamorfe 1 - 100 Majoritatea rocilor sedimentare 1 - 10 Calcar 1

Variaiile susceptibilitii magnetice ntre sol, subsol i roc (solul, n

mod normal, prezint un cmp magnetic mai mare dect subsolul), afecteaz cmpul magnetic local al pmntului, fcnd posibil detectarea de anuri, gropi i a altor zone nmoloase care au fost spate din timpuri strvechi i apoi colmatate sau reumplute cu sol. Acestea produc un semnal magnetic pozitiv. Spre deosebire de aceste concaviti, n cazul unor tipuri de zidrie, cum ar fi perei calcaroi, se produce un semnal magnetic negativ i pot fi detectai datorit efectului de scdere a cmpului magnetic.

Magnetizarea remanent este n strns legtur cu efectele datorate cldurii, nclzirea natural n cazul pietrelor sau nclzirea artificial, cum este cazul chirpiciului ars, ceramicii i al altor obiecte fcute de mna omului, gsite n siturile arheologice.

n timpul nclzirii, n particular, la temperaturi nalte, regiuni mici de material, numite domenii, tind s se alinieze mai mult sau mai puin pe direcia cmpului magnetic contemporan arderii, aprnd astfel un fenomen de polarizare magnetic ce se conserv n timp. Acest fenomen de polarizare genereaz un cmp magnetic semnificativ, care poate fi uneori chiar de 10 ori mai puternic dect polarizarea indus (fig. 4).

T > 670 0C

Fig. 4

247

Fig. 6

Cuptor de copt caramid

Perete de gresie in sol magnetizat

Mormnt superficial sau drum

Locuire umplut cu humus

Obiectele arheologice cum ar fi: cuptoare, vetre, buci de zgur, creuzete i altele, posed o magnetizare destul de puternic. Dac sunt situate nc in situ, este posibil chiar datarea lor prin determinarea direciei de polarizare sau prin analiza anomaliilor magnetice.

Pentru datarea arheologic, este foarte important de tiut curba principal a variaiilor pe secole a declinrii i nclinrii cmpului magnetic terestru (fig. 5).

Structurile arheologice tipice prezint anomalii ale cmpului magnetic

situate ntre valorile 1-20 nT, mai rar ntlnite, structurile arse 10 100 nT i foarte rar obiectele arheologice metalurgice feroase, aici incluznd i buci de zgur, prezint anomalii mari, de 20 2000 nT. Zidurile calcaroase situate n sol pot genera anomalii negative, avnd valori cuprinse ntre 2 12 nT (fig. 6, fig. 7)

Fig. 5

248

Utiliznd instrumente sensibile, cmpul magnetic terestru poate fi

msurat cu o mare acuratee i mare precizie, de pn la 1 nT. Situaia poate deveni ns complicat, din punct de vedere al

interpretrii imaginilor rezultate n urma scanrii, n cazul n care pe o zon restrns se gsesc laolalt materiale care genereaz anomalii pozitive ct i negative (fig. 8).

Apariia anomaliilor este dat de asimetria caracteristicilor grafice nregistrate de aparat. Dezavantajul acestei metode const n faptul c, magnetometrele depisteaz numai iregularitile cmpului magnetic terestru, iar efortul computaional aferent interpreteaz datele numai ca form de anomalie. Anomaliile pot fi ns generate i de cauze naturale (roci ce conin un procent mare de magnetit, furtuni solare, descrcri electrice n atmosfer, pungi de ap in sol, etc.), precum i din cauze artificiale (construcii, conducte, linii electrice, obiecte moderne mici de metal, etc.).

Prin urmare, anomaliile nu pot fi interpretate ca fiind materiale arheologice. Originea anomaliilor poate fi ns sugestionat sau speculat,

Fig. 8

Fig. 7

Tomuri de nisip Tomuri adnc ngropate

ngrmdeal de crrmizi

Crmizi n poziia iniial de ardere

249

crescnd foarte mult probabilitatea gsirii de material arheologic n urma unei escavaii ulterioare msurtorilor magnetometrice.

3. Magnetometre Dup cum am specificat anterior, magnetometrele reprezint

instrumentele de mare precizie utilizate n geofizic, n vederea explorrii non-distructive a scoarei terestre. Acestea msoar cu mare exactitate valorile cmpului magnetic al Pmntului i stabilesc anomaliile de cmp care apar datorit unor cauze diverse pe anumite suprafee de interes tiinific.

Au fost create de ctre geofizicieni, n vederea prospeciunilor geofizice, dar, ulterior, s-a constatat c au o destul de bun aplicabilitate i n arheologie.

Acestea pot avea diferite forme i caracteristici de funcionare, fiind folosite n funcie de tipul de material arheologic ce se dorete a fi descoperit, formele de relief ale zonelor de interes arheologic i caracteristicile dielectrice ale solurilor din acele zone (fig. 9).

Pentru investigaii arheologice, cele mai adaptate i des folosite tipuri

de magnetometru, care, dup caz, se mai ntlnesc i sub denumirea de gradiometre (gradiometers) sunt magnetometrele protonice (proton magnetometer).

3.1 Magnetometrul protonic, este denumit astfel, deoarece utilizeaz ca principiu de funcionare, fenomenul de precesie a spinilor protonici (sau nuclee de hidrogen), prin imersia acestora n soluii simple de hidrocarburi (alcool, kerosen, ap, etc.), pentru a msura intensitatea total a cmpului magnetic.

Spinii protonici (protoni aflati n micare de rotaie sau pe traiectorii curbilinii), formeaz dipoli magnetici microscopici care sunt temporar polarizai, prin aplicarea unui cmp magnetic uniform puternic, generat de curentul electric dintr-o bobin. Cnd curentul electric este decuplat, dipolii protonici astfel generai tind s se orienteze pe direcia cmpului magnetic terestru exterior. Reorientarea acestora produce un mic semnal electric, care este captat de aceeai bobin folosit la polarizare, frecvena acestui semnal fiind direct

Fig. 9

250

proporional cu intensitatea total a cmpului magnetic exterior, care poate fi msurat cu o precizie de pn la 1 nT.

Magnetometrele protonice prezint dou dezavantaje: - erorile de observare pot avea un gradient de 300 100 nT pentru

fiecare metru msurat; - dup terminarea fiecrei msurtori, timp de aproximativ trei secunde,

este destul de lent. 3.2 Magnetometrul de tip OVERHAUSER reprezint o variant a magnetometrului protonic. Spre deosebire de magnetometrul protonic, acest tip de magnetometru folosete radicali liberi n imersie, iar polarizarea acestora este generat de bombardarea soluiei cu impulsuri de radiofrecven. Se formeaz astfel o cuplare a dipolilor generai de spinul unui proton din lichidul solvent i spinul unui electron al radicalului liber. n acest caz, datorit creterii foarte mari a polarizrii (de 4000 5000 ori), cantitatea de soluie folosit trebuie s fie foarte mic. Sensibilitatea acestui aparat este de aproximativ 0,01 nT, deci implicit mai mare, acesta fiind mult mai indicat pentru a fi folosit n practic. 3.3 Magnetometrul pe baz de CESIUM Principiul de funcionare este mult mai complex dect al unui magnetometru protonic. Acesta opereaz la nivel atomic sau chiar nuclear al substanei. Posed o lamp folosit pentru polarizare, care emite lumin monocromatic. Atunci cnd lumina monocromatic traverseaz un cmp magnetic printr-un material adecvat, ia natere o interacie ntre spinii substanei i caracteristicile electromagnetice ale luminii. Ca material, este folosit cesium 133. Polarizarea circular produs de lumin excit electronii din atomii de cesium. Electronii se dezexcit rapid, trecnd pe nivelul energetic iniial, dar sunt n permanen excitai de impulsurile luminoase. Astfel, vectorii magnetici ai atomilor, aprui n urma excitrilor i dezexcitrilor succesive i rapide ale electronilor acestora, se vor orienta n jurul vectorului magnetic al cmpului extern, n cazul nostru cmpul magnetic terestru, n momentul n care se ajunge la rezonan. Rezultanta momentului magnetic al acestora va fi direct proporional cu valoarea cmpului magnetic extern. Orice variaie sesizabil a cmpului magnetic extern va putea fi astfel pus n eviden. Sensibilitatea mare a acestui tip de magnetometru deriv din precizia bun a frecvenelor folosite, foarte important n vederea nregistrrii semnalelor impulsurilor mici. Un alt avantaj l reprezint faptul c are o mare toleran la nregistrare, fcnd posibil sesizarea materialelor arheologice puternic magnetizate aflate la mare adncime.

Viteza de procesare a datelor este foarte mare, deoarece se produce practic un semnal continuu. Prezint o bun sensibilitate, de aproximativ 0,1 nT. 4. Etapele investigrii arheologice prin metoda magnetometric

- se stabilete cu exactitate zona de interes arheologic ce urmeaz s fie scanat;

- se stabilesc coordonatele zonei de interes arheologic cu teodolitul sau tahimetrul (Tahimetru - instrument geodezic pentru determinarea pe cale optic a distanelor i diferenelor de nivel de pe teren);

251

- se parceleaz zona n sectoare (de exemplu 20 m x 40 m) sau, dup caz, pentru o mai bun exactitate;

- se determin coordonatele fiecrui sector n parte cu teodolitul sau tahimetrul;

- se caroiaz fiecare sector n parte (2 m x 20 m) n vederea scanrii acestora cu magnetometrul;

- se pune magnetometrul pe zero la nceput (magnetometrul prezint dou benzi de nregistrare: prima band, care msoar diferena relativ a cmpului magnetic extern provenit de la Soare; a doua band, care msoar diferena relativ a cmpului magnetic extern generat de Pmnt );

- se regleaz magnetometrul, pentru a lua date n funcie de viteza de deplasare stabilit (de exemplu, pai de 0,5 m la fiecare 0,5 s) i de capacitatea de stocare a datelor (de exemplu, 30.000 de msurtori pe zi, ceea ce nseamn o suprafa de 0,5 ha);

- se descarc datele inregistrate de magnetometru n calculator (cel mai cunoscut program de procesare a acestor date se numete GEOPLOT);

- cu ajutorul programului informatic se proceseaz datele descrcate, transformndu-le n cadre de imagine gri (de exemplu, fiecrui pixel de pe ecranul calculatorului i corespunde o suprafa de 12,5 cm x 50 cm) (fig. 10);

- se interpreteaz imaginile cadrelor astfel obinute i, n funcie de intensitatea nuanei de gri, se stabilesc anomaliile care merit investigate;

- dup concluzionarea anomaliilor, se stabilesc in sistemul G.I.S., pe computer, coordonatele fiecrei anomalii n parte;

- se revine n teren, unde, cu ajutorul tahimetrului sau teodolitului, se identific coordonatele anomaliilor i se marcheaz locul fiecrei anomalii;

- se fac sondaje pe locul fiecrei anomalii, cu ajutorul unor burghie speciale, tubulare, care ne indic i stratigrafia solului i se stabilete care dintre anomalii merit a fi cercetate;

- se recurge la escavarea locurilor anomaliilor care prezint interes arheologic, prin metode clasice de sptur.

Fig. 10

252

Summary

Archaeology is the study of the extraordinary diversity of human experience and long-term human culture, through the material remains left by ancient societies and individuals, and evidence of their past environments.

Physics is about the fundamental laws of the universe that govern living as well as non-living systems. It is a fundamental science involving a deep understanding of nature derived from experimental and mathematical insights.

Lately it feels the need for new interdisciplinary programs that allow a real understanding of natural phenomena and the dynamics of interaction of physical and geological processes and applications in archeology.

This article emphasises some of fundamental physical theory, computational methods and applications in the Earth and atmospheric sciences which allow archaeological investigations to conduct more systematic and complete.

Bibliografie 1. Lazarovici Gh., Metode si tehnici moderne de cercetare n arheologie, Bucureti,1998. Biblioteca Studii Clasice. 2. Science In Archaeology. A Survey of Progress and Researche (ed. D. Brothwell, E. Higgs), Thames and Hudson, Bristol, 1969. 3. Aitken, MJ, and MS Tite 1962 Proton magnetometer surveying - Paper presented at the 1965 Second Conference on Underwater Archeology, Toronto. 4. Roberto Lanza, Antonio Meloni, The Earths Magnetism: An Introduction for Geologists, Octomber 2006, Conference Hardcover.