a.a. 2004/05

 

Corso Di Metallurgia Dei Metalli Non Ferrosi

 

 

 

ARCHEOMETALLURGIA E

PRODUZIONE METALLURGICA NELLA STORIA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Studente: Michele Composta                                                   Matr. 114831

 

 

 

SOMMARIO

 

1.      BREVE STORIA DELLA METALLURGIA

Ø      Età del Rame

Ø      Età del Bronzo

Ø      Età del Ferro

 

2.      GIACIMENTI METALLIFERI NEL MEDITERANNEO E IN EUROPA

 

3.      MINERALI METALLIFERI

Ø      Concetti generali

Ø      Microscopia in luce riflessa

 

4.      ARCHEOMETALLURGIA GENERALE

Ø      Archeologia della produzione metallurgica

Ø      Archeometallurgia

 

5.      ARCHEOMETALLURGIA DEL FERRO

Ø      Indicatori della produzione metallurgica

Ø      Fornaci: fornaci di riduzione, fuochi di forgia/fucina

Ø      Gli attrezzi e gli utensili da lavoro

Ø      Il ciclo produttivo metallurgico

Ø      Processi metallurgici di estrazione

Ø      Processi metallotecnici

Ø      Processo diretto

Ø      Processo indiretto

 

6.      ARCHEOMETALLURGIA DELL’ARGENTO

Ø      Argento

Ø      Leghe di Argento

Ø      Lavorazione dell’Argento

Ø      Decorazione dell’Argento

 

7.      ARCHEOMETALLURGIA DELL’ORO

Ø      Oro

Ø      Estrazione

Ø      Leghe d’Oro

 

8.      ARCHEOMETALLURGIA DEL PIOMBO

Ø      Caratteristiche

Ø      Storia

Ø      Produzione

 

9.      ARCHEOMETALLURGIA DEL RAME

Ø      Storia

Ø      Produzione

Ø      Il Rame e le civiltà

Ø      Curiosità sul Rame

Ø      Leghe di Rame

 

10.  BIBLIOGRAFIA

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BREVE STORIA DELLA METALLURGIA

 

La "metallurgia" propriamente comprende quei processi che permettono di ricavare metalli dai loro minerali e renderli idonei all'uso. Per fare questo si seguono tre fasi: 1) concentrazione del minerale; 2) ottenimento del metallo; 3) purificazione e raffinazione.

Il primo uso dei metalli risale al Neolitico quando venivano utilizzati oro, argento e rame nativi, che, essendo malleabili e duttili, mediante martellinatura e stiramento a freddo (o, per il rame, alternando azione a freddo e riscaldamento), potevano essere impiegati per la realizzazione di oggetti ornamentali e simboli di prestigio.
Le età dei metalli iniziano però quando viene inventata la tecnologia di estrazione per fusione del rame dai suoi minerali (solfuri, ossidi, carbonati) e, con tecniche via via affinatesi nel tempo, si raggiunge la capacità di dare forma al materiale fuso ottenendone strumenti per il lavoro e armi di offesa e di difesa.

Età del rame (fine IV e III millennio a. C.)
L'utilizzazione del rame fu probabilmente favorita dalla vistosità dei giacimenti; inoltre i vivaci colori dei prodotti ottenuti mediante alterazione, come il verde (malachite), l'azzurro (azzurrite), il rosso rame (rame nativo, cuprite), ne incoraggiarono l'impiego. Sotto la crosta di alterazione superficiale i principali minerali di rame sono solfuri, il più diffuso dei quali è la calcopirite. L'uomo procedeva alla raccolta dei minerali metallici quando questi affioravano in superficie in seguito all'azione dei torrenti; anche le acque colorate nelle sorgenti indicavano la presenza di minerali metallici.
Primi e sporadici esempi di uso metallurgico del rame compaiono nel V millennio (a Vara, Bulgaria, nel ca. 4400 a. C.) Tecnologicamente il rame, essendo un metallo tenero e malleabile, è disadatto a molte funzioni; per molti usi strumentali non poteva competere con la selce, l'ossidiana, la pietra levigata, ma valeva come segno di prestigio, di uno status sociale elevato, e come tale va interpretato.

soffiatori con tubi in legno e imboccatura (nel forno) di argilla cotta;Tomba di Rehk-mi-re in Tebe, XVIII dinastia (Museo del Cairo)

 

In questa fase si scoprì che le migliori proprietà di durezza e durevolezza erano date dalla lega di rame (circa 90%) e stagno (circa 10%) che costituisce il bronzo. Così si continuò ad estrarre il rame da zone già note o da zone via via scoperte, ove si cominciò ad operare scavi e non limitandosi più alla raccolta, prevalentemente superficiale.
Analogamente lo stagno fu cavato, come minerale cassiterite (SnO2) da altre aree europee.
Furono proprio i primi metallurgici del rame a scoprire che fondendo minerali metallici diversi si potevano ottenere metalli (leghe) più duri del rame e più adatti all'utilizzazione funzionale per strumenti di lavoro e armi, più efficienti nel taglio e più durevoli. Geologicamente rame e stagno, però, si trovano molto raramente concentrati insieme: produrre leghe da questi materiali significava fondere insieme metalli di provenienza geografica diversa. Bisogna presupporre perciò che esistesse una organizzazione logistica abbastanza complessa per mettere a frutto una vera e propria invenzione tecnologica, capace di produrre coscientemente un materiale nuovo, un composto artificiale, non ottenuto per semplice trasformazione di materiali naturali (come il rame per fusione o la terracotta per cottura), ma per un intervento di miscelazione, fusione e forgiatura che fosse il prodotto di una ricerca e una metodologia tecnologicamente dominata.
Si verificò allora un vero e proprio intreccio di contatti su lunga distanza, venne tracciata una rete di vie di trasporto, e grande impulso ebbe lo sviluppo artigianale di zone specializzate nella fusione delle leghe. La relativa scarsità dei minerali utili e la continua richiesta favorì la diffusione di tecniche, il perfezionamento delle tecnologie nonché lo scambio di elementi culturali. Ne nacquero probabilmente stratificazioni di ricchezza, possibilità di monopolio e di controllo economico. Ciò favorì un quadro sociale a dominio patriarcale, in luogo di quello matriarcale che si suppone abbia dominato in precedenza.

 Età del bronzo (III millennio a.C. – circa 900 a.C.)

Lo sviluppo della tecnologia del bronzo produsse un nuovo oggetto, la spada, per la prima volta unicamente pensato per il combattimento e non da impiegare per diversi usi, strumentale o di caccia e di offesa/difesa, come poteva accadere per i pugnali, le frecce, le lance in pietra e metallo. Accanto alla spada fu utilizzato lo scudo in bronzo, segni entrambi dello sviluppo della casta dei guerrieri, così come è testimoniato dai corredi  delle sepolture.
Merita un accenno il fatto che fin dall'inizio della metallurgia manufatti di rame e bronzo usati o deteriorati venivano regolarmente fusi e riutilizzati in nuove forme: il riciclo dei materiali era già pratica comune.
Alla lega di rame e stagno poteva talora essere aggiunto piombo o zinco (fino al 20-30%): si pensi ai bronzi ad elevato tenore di piombo, tipici in Italia Meridionale fra il IX e VIII sec. a.C. di cui sono fatti i dischi da getto usati come proiettili dalle donne delle comunità agricole e pastorali.
Il peltro - lega di stagno, antimonio, rame, piombo - è stato certamente conosciuto nell'antichità anche se rari sono i manufatti giunti fino a noi a causa della cosiddetta "peste dello stagno", una alterazione che colpiva il metallo danneggiandolo irreversibilmente. Secondo alcuni dal vocabolo greco-bizantino chymeya, che indica l'arte di fare leghe metalliche, discende la parola araba al'kimja da cui deriverebbe poi il termine chimica.
La tradizione praticata dagli artigiani dei metalli viene integrata dalla conoscenza delle civiltà egiziana e medio orientale ed arricchita dal pensiero dei filosofi greci: viene elaborata una nuova concezione in cui uomo e natura formano un'unica entità e tutta la materia costituente l'universo va ricondotta a quattro elementi:

TERRA tutti i solidi;
ARIA tutti i gas;
ACQUA tutti i liquidi;
FUOCO.

Età del Ferro (circa 900 a. C. - tempi storici)
Lo sviluppo della capacità tecnologica di fondere i metalli per ottenere il bronzo giunse fino al più complesso processo estrattivo e di lavorazione del ferro.
Un primo uso, sporadico e saltuario, del ferro è riscontrabile già nell'Età del Bronzo, era impiegato sia per piccoli strumenti che per gioielleria ed era legato allo sfruttamento di ferri meteorici (leghe ferro-nichel, con caratteri di acciaio) ossia le meteoriti a composizione metallica che si rinvengono ancora oggi nel deserto della Libia.
Attorno al 1000 a. C. ci si rese conto di come da minerali più comuni di quelli di rame e altri metalli, come il ferro delle paludi (idrossidi di ferro), si poteva ottenere ferro metallico per fusione in ambiente riduttivo.
La lavorazione del ferro mediante battitura a caldo è complessa per ottenere strumenti, ma assai duttile nella produzione dello strumentario già in uso con la pietra e il bronzo. In questa epoca si sviluppò l'importante artigianato dei fabbri, che realizzò con il nuovo materiale gli strumenti precedentemente in uso e nuovi strumenti per nuovi usi.
Il ferro è geologicamente molto più comune di rame e stagno, e presente in masse notevoli, tali da permettere importanti estrazioni minerarie, e l'efficienza tecnologica degli strumenti in ferro è più alta dei materiali usati in precedenza, salvo per durata (a causa della corrosione, cui però si rimediava facilmente sostituendo lo strumento): per queste ragioni il ferro soppiantò completamente i precedenti materiali nello strumentario quotidiano. Il quadro logistico di sfruttamento-trasporto-lavorazione si trasformò, cambiarono e si semplificarono le vie di scambio, il fitto intreccio commerciale per il bronzo si ridusse.

schema

 

Poco a poco si aggiunsero nelle conoscenze dell'uomo altri minerali e relativi metalli.
Nella Bibbia si narra di una certa Jezebel, regina e moglie di Acab, re d'Israele, vissuta intorno al IX secolo avanti Cristo, che si truccava gli occhi con lo stibio. In quell'epoca si sapeva dunque estrarre dalla stibina (lo stibio) l'antimonio, la cui polvere allora serviva soltanto come prodotto di toeletta per la cura e la bellezza degli occhi. Analogo uso ne fecero le donne egizie; fra il 2500 e 2200 a.C. fu impiegato per ricoprire con un sottile strato le lavorazioni di rame. Successivamente fu usato anche dalle donne arabe, che lo conoscevano con il nome di kohl e serviva a proteggere la pelle dalle infezioni. Fu oggetto anche di numerosi esperimenti da parte degli alchimisti.

Verso la metà del XVIII secolo si tentò di estrarre, nelle miniere dei monti Annaberg e Schneeberg in Sassonia, il rame dalla niccolite. Ma i minatori riuscirono soltanto a ottenere un metallo molto fragile che sembrava non avere alcuna utilità pratica. "Il diavolo ti porti!" pensò forse qualcuno, in un accesso di collera. E poiché allora il diavolo era generalmente chiamato "vecchio Nick", a quel metallo fu dato il nome di kupfernickel, ovverosia "rame del diavolo". In seguito, il chimico Cronstedt volle riabilitarlo: innanzitutto ne abbreviò il nome in nickel, ma ci volle ancora più di un secolo prima che il nichelio, poiché di questo si trattava, fosse industrialmente utilizzato su larga scala. Il 50% del Ni oggi prodotto viene usato per gli acciai inossidabili; il restante per il conio delle monete, nell'industria chimica e areospaziale.

flottazione: il minerale macinato è trascinato dalla schiuma fatta da aria e olio; la ganga si deposita sul fondo attratta dall'acqua

 

D'altro genere è la storia della cobaltite, nota in Cina e usata per colorare in azzurro i celebri vasi "Ming". Furono i minatori dei Monti Harz, nell'Europa Centrale, a scoprire cos'era veramente quel minerale, allorché tentarono di ricavarne il rame scaldandolo ad altissime temperature. Grande fu la meraviglia, e più grande lo spavento, nel vedere che da esso si sprigionavano velenosi fumi di zolfo e arsenico, quasi che uscissero dalle tenebrose profondità dell'inferno. Non deve stupire dunque se i minatori proclamarono che quello era un kobold, cioè uno di quei malefici gnomi di cui erano piene le loro leggende. Più tardi si scoprì anche in Europa che, liberato dallo zolfo e dall'arsenico e mescolato con sabbia, dava una specie di vetro azzurro. Ancora più tardi il chimico G. Brandt spiegò che quel colore azzurro era dovuto a un metallo, a cui diede nome cobalto, usato oggi nell'industria delle vernici e per acciai speciali e catalizzatori.

Attualmente possiamo considerarci nell'età dell'alluminio, che, oltre ad essere il metallo più abbondante nella crosta terrestre, è anche uno dei più giovani. È stato scoperto infatti soltanto nel secolo scorso e il suo sfruttamento industriale risale agli anni Cinquanta, a causa della difficoltà e onerosità per estrarlo dai minerali (bauxite). Tuttora la sua lavorazione, un metodo elettrolitico, necessita di grandi quantità di energia, e per questo motivo è uno dei metalli che è più conveniente riciclare.

Infine, un breve accenno all'archeometria: è una scienza relativamente recente, nata solamente negli anni Ottanta, che tramite diverse competenze (di geologi, chimici, fisici, archeologi) e analisi particolari (come i raggi x, la fluorescenza, la spettrofotometria, la tac, eccetera) è in grado di determinare la provenienza dei minerali grezzi, di leghe metalliche (ambito specifico della archeometallurgia) o di manufatti ceramici o litici e le relative tecniche usate nel passato. Questa scienza è in grado di individuare anche eventuali falsificazioni, come per esempio la differenza tra Malachite naturale e le patine di verderame applicate per ottenere un effetto di "anticamento" artificiale.

Sommario

 

 

GIACIMENTI METALLIFERI NEL MEDITERANNEO E IN EUROPA

 

L’area dei paesi prospicienti il Mediterraneo, è stata sin dall’antichità estremamente importante, non solo come culla della civiltà occidentale come si intende ancora oggi, ma anche come sorgente di tutta una serie di materie prime oggetto di coltivazione mineraria, che sono state una delle basi di tale civiltà. La storia delle miniere e delle risorse minerarie coincide con la storia delle civiltà umane, non solo

nell’area dei paesi che si affacciano direttamente sul Mediterraneo, ma anche di quelli che con questi commerciavano, consentendone lo sviluppo sia economico che politico e culturale. La disponibilità delle

risorse minerarie è stata una delle prime motivazioni dei commerci e delle migrazioni dei popoli, in particolare da quando, intorno a 70.000 anni fa, iniziò l’età dei metalli, la cui utilizzazione è stata il motore

dell’incremento delle tecnologie e delle conoscenze sui materiali ed, in ultima analisi, sulla geologia della terra.

È per questa ragione che i cosiddetti studi sulle “provenienze” rappresentano una delle più diffuse applicazioni delle scienze all’archeologia. Per quello che riguarda i metalli, tali studi non sono di estrema

semplicità, dal momento che mineralizzazioni fonti di materie prime, anche geograficamente lontane tra di loro, possono presentarsi non solo di aspetto simile, ma esserlo anche dal punto di vista mineralogico e geochimico. Inoltre, al fatto che alcune delle loro caratteristiche possono cambiare durante il processo di fabbricazione, cioè nel passaggio da materie prime a manufatti, si deve aggiungere anche la propensione (ed in molti casi la necessità) che avevano molti popoli alla miscelazione di metalli non solo di diversa natura per la composizione delle leghe (come rame e stagno per produrre il bronzo), ma anche dello stesso tipo per riciclare ad altro uso degli oggetti non più utilizzabili. Esempi abbastanza frequenti sono stati osservati non solo nella fabbricazione di gioielli da metalli nobili ma anche per oggetti di uso comune, come nel caso delle tubature dell’acquedotto di Pompei, in cui è stato rinvenuto piombo dalle provenienze più disparate, probabilmente rifuso da altri oggetti reperiti in loco).

 

 

Nell’intraprendere la descrizione delle risorse minerarie del bacino del Mediterraneo, è importante comunque effettuare una prima distinzione, e cioè tra risorse minerarie come vengono considerate oggi, e

risorse minerarie che potevano essere considerate e sfruttate dagli antichi. Questa distinzione è assolutamente cruciale per qualsiasi si studio sulle provenienze, dal momento che non deve essere considerato solo il metallo in sé stesso, ma il suo modo di presentarsi, la sua reperibilità e la facilità di coltivazione ed estrazione. Un esempio banale della differenza tra le risorse minerarie dell’antichità e quelle della civiltà moderna, è dato dai depositi a bauxite, che venivano coltivati nei calcari Cretacici in Italia e Francia fino agli anni ’60, e sono ancora coltivati in Grecia, Ungheria e ex-Jugoslavia. Tali depositi sono costituiti da concentrazioni ad idrossidi di alluminio, associati ad ossidi e idrossidi di ferro, di origine lateritica ma deposti in cavità carsiche.

Tali mineralizzazioni, essendo basate su di un metallo, quale l’alluminio, che era sconosciuto agli antichi, fino agli inizi del ‘900 non avevano alcun valore, se non dove la loro percentuale in ferro era estremamente alta. In tal caso venivano coltivati per quest’ultimo metallo.

Un altro esempio, ma che richiede una discussione ben più articolata, è quello dell’oro (Fig. 1). I paesi che si affacciano sul bacino del Mediterraneo non sono stati mai considerati grandi produttori di oro, tranne l’Egitto, la Spagna e limitate aree dei Balcani. In effetti, con rare eccezioni dovute alla localizzazione di vene aurifere a bassa profondità, l’oro coltivato dagli antichi era costituito soprattutto da arricchimenti nei gossan delle mineralizzazioni a solfuri (vedi Rio Tinto in Spagna) o consisteva in concentrazioni in placers eluviali o alluvionali recenti (fiumi a valle delle mineralizzazioni filoniane Alpine) o fossili (Asturie). Negli ultimi venti anni, invece, sono state rinvenute in varie zone dell’Europa meridionale, quali la Romania o la Sardegna, una serie di nuove mineralizzazioni aurifere di genesi epitermale e valore economico, nella maggior parte delle quali il metallo si presenta in forma disseminata nella roccia incassante, e quindi di difficile reperibilità, sfruttamento e lavorazione da parte degli antichi prospettori e metallurgisti.

 

 

Per quello che riguarda il rame (Fig. 2), uno dei metalli di maggiore utilizzazione nell’antichità, una parte dei problemi di reperimento, coltivazione ed estrazione del metallo, sono simili a quelli dell’oro, dal momento che debbono venire esclusi dall’insieme delle mineralizzazioni del bacino del Mediterraneo i Porphyry Copper a basso tenore e non arricchiti da processi supergenici, quali alcune occorrenze della ex-Jugoslavia e della Turchia. Come è noto, le maggiori concentrazioni economiche di rame nell’antichità erano presenti soprattutto nelle zone di alterazione dei solfuri massici vulcanogenici di Cipro, ma anche associate a mineralizzazioni idrotermali filoniane e skarnoidi dell’Italia peninsulare e della Sardegna.

 

 

Un problema a parte, ancora oggi estremamente dibattuto (e comunque non completamente risolto) da parte sia degli archeologi che dei giacimentologi, è l’eventuale presenza di quantità economiche, nelle aree prospicienti il Mediterraneo, di minerali di stagno, che rappresenta l’altra componente necessaria alla fabbricazione del bronzo. Stagno è comunque presente nell’intorno delle intrusioni Erciniche di Spagna e Portogallo, oltre che nei già ben noti distretti della Bretagna e della Cornovaglia. La presenza di stagno in Toscana (mineralizzazioni di Monte Valerio) ed in Sardegna è comunque estremamente limitata per consentire estrazioni continuate nel tempo e finalizzate alla produzione di grandi quantità di bronzo.

Per quello che riguarda l’argento (Fig. 3), ed il suo sottoprodotto il piombo, non ci sono particolari differenze, se non nelle quantità e nei tenori, tra le mineralizzazioni di entrambi i metalli sfruttate

nell’antichità ed in tempi recenti. I tipi più noti di mineralizzazioni sono sia i giacimenti filoniani a bassa termalità rinvenuti in Sardegna, Toscana, Alpi orientali, Penisola Iberica, Francia ed Anatolia, che alcune

mineralizzazioni del tipo Mississippi Valley arricchite in zona supergenica. Una gran parte delle risorse in detti metalli, comunque, sfruttate sin dal 1000 a.C., si rinveniva in diverse aree della Grecia: sia

nell’arcipelago Egeo che nelle miniere del Laurium, in prossimità della città di Atene. Nella maggior parte dei casi si tratta di concentrazioni di galena argentifera a basso tenore in rocce carbonatiche Mesozoiche interessate da fenomeni di metamorfismo di contatto causati da intrusioni magmatiche Alpine.

 

Sommario

 

 

 

MINERALI METALLIFERI

 

Concetti generali

Il concetto di minerali metalliferi è, nella sua accezione etimologica più stretta – minerali contenenti metalli, semplice ed immediato. Peraltro, per ormai consolidata consuetudine, adottata in questo contesto, per minerali metalliferi devono intendersi “minerali dai quali si può ricavare economicamente un metallo (o più metalli)”. Si tratta pertanto di un concetto in continua evoluzione, in funzione della tecnologia e della domanda di mercato. La prima immediata conseguenza è che non tutti i minerali che contengono un determinato metallo, anche in concentrazioni rilevanti, sono necessariamente minerali metalliferi, in quanto può non essere conveniente ricavare da essi tale metallo; per contro, diversi metalli geochimicamente scarsi vengono ricavati in prevalenza da minerali in cui sono presenti solo a livello di tracce (<1%).

Tra i principali fattori che condizionano il carattere “metallifero” di un determinato  minerale, oltre al suo contenuto (tenore) del metallo considerato, possiamo elencare:

v La sua diffusione nei livelli superficiali della crosta (profondità massima 3-4 km), ed in particolare la possibilità di concentrarsi in determinati volumi di roccia (giacimenti, o corpi, metalliferi) in quantità nettamente superiori all’abbondanza media crustale;

v La maggiore o minore richiesta del mercato, in funzione anche di materiali e/o sorgenti alternative (riciclaggio);

v L’esistenza o meno di particolari tecnologie che consentano di estrarre economicamente il metallo dal minerale; ciò comprende sia il procedimento metallurgico vero e proprio (compresa l’eliminazione di eventuali altri metalli non desiderati), sia eve ntuali problemi di separazione del minerale da minerali non utili (“ganga”) ad esso associati.

Tra i fattori che concorrono a determinare il costo di estrazione di un metallo da un suo minerale, un peso rilevante è rivestito dalla componente energetica. A sua volta, la quantità di e energia necessaria all’estrazione del metallo dipende fortemente dalla natura del legame chimico, e dalla conseguente stabilità della struttura del minerale. Pertanto, salvo poche eccezioni, i silicati sono mediocri minerali metalliferi, sia perché in generale contengono tenori relativamente bassi di metalli d’interesse economico, sia perché il forte legame Si-O rende il loro trattamento energeticamente molto oneroso. Ovviamente, i metalli nativi sarebbero per definizione i minerali metalliferi per eccellenza, tuttavia essi sono piuttosto rari nella crosta terrestre, ed il loro interesse pratico è limitato a poche specie (soprattutto metalli nobili). In generale, i più importanti minerali metalliferi appartengono alle classi dei solfuri e degli ossidi (Tabella 1). Infine, è utile sottolineare che, negli ultimi anni, nel computo complessivo del costo di estrazione di un metallo ha assunto sempre maggior rilievo la componente “costo ambientale”, ossia la potenziale pericolosità per l’ambiente del minerale e/o del procedimento d’estrazione e trattamento.

Alcuni esempi possono servire ad illustrare i concetti sopra esposti:

·  L’alluminio, pur essendo il metallo più abbondante della crosta terrestre, compare relativamente tardi (XIX secolo) nell’uso industriale. Ciò perché la sua estrazione comporta invariabilmente la rottura del fortissimo legame Al-O (es., l’allumina ha punto di fusione 2045° C), e solo la messa a punto di un processo metallurgico alquanto complesso (e tutt’ora abbastanza oneroso energeticamente) ha consentito la sua disponibilità a livello industriale. Peraltro, il corindone (Al2O3) è il minerale che ha il massimo contenuto di alluminio, ma non è utilizzato per l’estrazione del metallo, perché, pur non essendo raro, non forma concentrazioni particolarmente cospicue, il cui trattamento sarebbe troppo dispendioso.

·  Il rame è stato storicamente ricavato da molti minerali (vedi Tabella 1), tra i quali il rame nativo è stato ovviamente il primo. Successivamente il ruolo principale di sorgente del metallo è stato ricoperto da minerali ossidati, soprattutto malachite; infine, da molti secoli ormai i principali minerali metalliferi del rame sono i solfuri, soprattutto la calcopirite, che, pur essendo meno ricca in Cu di altri minerali, è di gran lunga il più diffuso.

·  La blenda o sfalerite è il principale minerale di zinco, ma anche di metalli rari quali Cd, Ga, In, i cui minerali propri sono piuttosto rari e mai abbondanti

·  La separazione dell’oro dai minerali di ganga ha quasi sempre comportato processi potenzialmente assai pericolosi per l’ambiente – amalgamazione con mercurio, che ha prodotto in molte aree significativi inquinamenti da questo metallo, e recentemente cianurazione. Il cianuro è ovviamente estremamente tossico, ma fortunatamente alquanto labile nell’ambiente supergenico, per cui i pur disastrosi episodi di inquinamento sono limitati ad eventi eccezionali, solitamente risultanti da cattiva progettazione e/o gestione degli impianti.

Nella Tabella sono riportati i principali minerali metalliferi dei metalli di uso industriale più

comune.

 

 

 

Microscopia in luce riflessa

La maggioranza dei minerali metalliferi, in particolare solfuri e ossidi (oltrechè, ovviamente, i metalli nativi) presentano un forte carattere metallico del legame. Pertanto, essi hanno molte proprietà fisiche tipicamente “metalliche”, compresa l’opacità anche in sezione sottile. Di conseguenza, uno strumento fondamentale per lo studio delle tessiture dei minerali metalliferi è stato, e per molti versi è tutt’ora, il microscopio in luce riflessa, detto anche microscopio metallografico. I principi fisici dell’ottica in luce riflessa sono molto più complessi dell’ottica in luce trasmessa. Inoltre, alcune delle tipiche misure quantitative che è possibile eseguire (microdurezza e potere riflettente) richiedono strumenti aggiuntivi abbastanza costosi. Pertanto, la diagnostica in luce riflessa presenta maggiori problemi che in luce trasmessa, ed è per molti versi più un’arte che una scienza, basandosi in larga misura sull’esperienza dell’osservatore.

La grandezza fondamentale dell’ottica in luce riflessa è il potere riflettente o riflettanza, definito come

R = I/Io = (n- no)2 + k2

(n+no)2 + k2

dove I è l’intensità della luce riflessa, Io l’intensità della radiazione incidente, n e k sono,

rispettivamente, l’indice di rifrazione ed il coefficiente di assorbimento del materiale, e no è l’indice di rifrazione del mezzo interposto tra il materiale e l’obiettivo (generalmente, aria, n÷1). Ne consegue che i minerali trasparenti (basso k) sono in genere poco riflettenti e in luce riflessa appaiono grigio-scuri, mentre i minerali opachi presentano i maggiori valori di R. Peraltro, sia n che k, e quindi R, dipendono dalla lunghezza d’onda; se la luce incidente è policromatica, le variazioni di R con la lunghezza d’onda risulteranno in una certa colorazione (in genere, abbastanza tenue) del materiale. Inoltre, per le sostanze otticamente anisotrope, n e k variano anche secondo l’orientazione cristallografica; pertanto, queste sostanza mostreranno pleocroismo di riflessione, e/o biriflettanza (variazione del potere riflettente). A nicol incrociati, le sostanze anisotrope presentano

un fenomeno simile a quello osservato in luce trasmessa – alternanza, al ruotare del piatto, di posizioni di minima luminosità e massima luminosità, con colori talora vivaci e spesso diagnostici; inoltre, le sostanze non completamente opache potranno presentare un fenomeno del tutto particolare, e spesso assai utile ai fini diagnostici, ossia una parziale emissione di luce dall’interno del campione (riflessi interni). Un’ulteriore proprietà semiquantitativa è rappresentata dalla durezza di politura, rilevabile con una tecnica simile alla linea di Becke in luce trasmessa, ancorchè basata su un diverso principio fisico; come accennato, è possibile, mediante un’idonea strumentazione, una

misura quantitativa della durezza.

 

Sommario

 

ARCHEOMETALLURGIA GENERALE

 

Archeologia della produzione metallurgica

 

Alcune specifiche qualità rendono i metalli particolarmente adatti a subire l'azione modificatrice dell'uomo tanto da fornire una gamma di prodotti dalle peculiarità tecniche e fisico-meccaniche che non si possono ottenere attraverso l'utilizzazione di nessun altro tipo di materia prima.

 

Tali caratteristiche dei metalli e delle leghe in genere, si esplicano nella capacità di sopportare un elevato stress meccanico, senza per questo andare incontro a danni strutturali permanenti, cioè senza subire fratture. Quindi, sono i comuni requisiti fisico-meccanici dei metalli che fanno si che essi vengano a costituire un bloc technologique, nell'accezione di Leroi-Gourhan, ovvero sia un insieme di materiali che grazie alle loro qualità sono sottoposti a determinati trattamenti. È l'arte del fuoco, la cosiddetta pirotechnia, a definire l'ambito tecnologico dell'intervento dell'uomo su questa materia prima.

 

 I metalli hanno giocato un ruolo rilevante nello sviluppo della civiltà, tanto da potersi ritenere che la storia della metallurgia e quella della civiltà siano direttamente interconnesse: la lavorazione dei metalli, infatti, influenza direttamente l'evolversi di un dato gruppo umano essendo legata alla produzione di armi, strumenti agricoli, oggetti di culto e della vita di tutti i giorni. Parimenti, la geologia di una regione ne determina ampiamente le strategie di sviluppo socioeconomico: la ricchezza mineraria ed il suo conseguente sfruttamento impongono non solo dei limiti "naturali" alla topografia degli insediamenti, che si strutturano spesso in rapporto ai problemi relativi al controllo dell'autorità sull'estrazione e alle questione del trasporto della materia prima, ma al contempo definiscono le linee fondamentali del diritto di proprietà e la regolamentazione del lavoro. La situazione dell'Europa centro-orientale fra il XIII ed il XIV secolo con l'emergere di città -- quali Kuttemberg ed Iglau (attuale Repubblica Ceca) -- e di classi dirigenti specializzate nella lavorazione dei metalli preziosi è un esempio di come la geologia possa "trasformarsi" in storia grazie alle possibilità che offre di accumulazione di capitali. È quindi chiaro che l'esame diacronico dell'intero ciclo produttivo metallurgico non è una sterile ed ulteriore settorializzazione della disciplina archeologica ma, al contrario, è un efficace metodo per guadagnare informazioni intorno alle strategie di sviluppo della civiltà. Tale specifico studio della produzione metallurgica del passato è detto Archeometallurgia.

 

 

Archeometallurgia

L'esame storico del ciclo produttivo metallurgico può a buon diritto essere considerato un efficace metodo per ricostruire le strategie di sviluppo della civiltà. Questo approccio analitico, che esige un'interpretazione tanto induttiva quanto sintetica, si giova attualmente dei progressi registrati dalle scienze fisico-chimiche contemporanee. Queste hanno sviluppato numerosi metodi di indagine che, seppure originariamente studiati per valutare la qualità della produzione contemporanea, possono essere utilizzati anche nell'analisi degli artefatti preindustriali.

Per quel che concerne lo studio dei metalli archeologici, il rapporto si stabilisce attraverso l'utilizzazione dei metodi messi a punto dall'odierna scienza ed industria metallurgica.

La moderna metallurgia comprende fra le sue proprie metodologie, i diversi metodi attualmente utilizzati nella preparazione e raffinazione del minerale per l'ottenimento del metallo attraverso la fusione o qualsivoglia altro procedimento oggi in uso; lo studio dei principi fisico-chimici che sono alla base di tali processi, la valutazione delle qualità dei diversi metalli sia allo stato naturale che allorquando sottoposti a lavorazione e/o a trattamenti specifici per la manifattura; ed infine l'applicazione pratica di tutti quei principi e metodi concernenti i metalli che sono stati scoperti come risultato di indagine empirica o attraverso l'analisi scientifica.

Aggiungendo a questo approccio scientifico una prospettiva diacronica, e avendo già chiarito che la materia prima di produzione dei reperti archeologici è spesso la medesima sulla quale si basa l'odierna produzione, è possibile definire l'archeometallurgia come lo studio storico delle procedure di produzione applicate alla lavorazione dei metalli, lungo un percorso che va dall'estrazione mineraria alla realizzazione del prodotto finito.

L'archeometallurgia può essere dunque considerata un settore specifico dell'archeologia della produzione, che si occupa del ciclo produttivo dei metalli ed in particolare delle fasi di trasformazione chimica e fisica della materia prima (minerale) in manufatto, attraverso l'uso del fuoco.

L'archeometallurgia costituisce così il contenitore per l'analisi delle due distinte fasi del processo produttivo metallurgico: il primo è quello della metallurgia estrattiva, che giunge dal minerale al semilavorato o pane metallico, il secondo è quello della metallotecnica che dal metallo allo stato amorfo giunge al manufatto finito.

L'archeometallurgia può ritenersi allora "l'archeometria dei metalli" e deve essere costantemente sottoposta ad interpretazione e critica il che, in altri termini significa, la necessità di una sintesi a partire dai risultati delle analisi.

Le informazioni che è possibile ottenere attraverso la ricerca archeometallurgica su di un prodotto finito concernono l'indagine sulla sua struttura e composizione, e riguardano: la valutazione della messa in forma dell'oggetto, ovvero la sua storia termomeccanica; l'esame dei trattamenti termici, quali ricottura e tempera; l'indagine intorno ai trattamenti termochimici, quali la cementazione; ed il riconoscimento dei tipi di saldatura.

Il risultato finale di questa analisi è la ricostruzione dell'intero processo di produzione le cui tracce restano quindi evidenti nell'oggetto analizzato.

Numerosi sono i metodi analitici attraverso i quali procedere nell'indagine archeometallurgica della struttura interna del metallo per raccogliere questa intera serie di informazioni.

 

L'archeometallurgia deve essere in grado, tuttavia, di strutturare le informazioni ottenute attraverso le differenti analisi condotte sui diversi materiali e presentare una sintesi che tenga conto delle differenti informazioni di cui si dispone su un determinato sito; quindi, il contesto stratigrafico, i dati provenienti dalla storia, dall'archeologia, dall'etnoarcheologia, dalla sperimentazione, e dall'archeometria, devono cooperare nella formazione di una visione d'insieme che inserisca la ricerca in un ambito storico determinato.

Inoltre, da un punto di vista strettamente archeometallurgico, oltre all'analisi degli oggetti finiti, anche le scorie, ovvero i materiali di scarto della lavorazione del minerale e dei metalli, ed i resti delle fornaci rappresentano una importante fonte di informazione.

Naturalmente, le scorie non devono essere considerate come evidenze archeologiche isolate ma, al contrario, occorre rilevare sempre gli altri materiali in associazione, le caratteristiche del sito, la sua geografia e geologia.

Sommario

 

ARCHEOMETALLURGIA DEL FERRO

Indicatori della produzione metallurgica

Tutti i reperti relativi alle diverse operazioni tecniche legate alla produzione devono essere considerati come indicatori di attività di produzione. Questi non sono una classe omogenea di oggetti ma possono essere distinti fra loro in base alla loro funzione nella sequenza operazionale della produzione e/o alla loro identificazione come prodotti di scarto del ciclo produttivo stesso.

Elementi funzionali al processo di produzione, i cui resti possono apparire nel record archeologico, sono le istallazioni fisse, quali le fornaci, gli attrezzi e gli utensili di lavoro (tutti i prodotti finiti), e la materia prima quale il minerale crudo.

Fra i prodotti di scarto ed i residui del processo di produzione si devono annoverare scorie, materiali da riciclare, prodotti mal riusciti, frammenti di parete di fornace più o meno concotti, semilavorati, quali la bluma e/o suoi frammenti.

Ancora sono da menzionare gli indizi che si possono riconoscere nella stratigrafia anche in assenza di indicatori di produzione evidenti, quali quelli appena citati, come le tracce di continuata esposizione al calore e resti di cenere e carboni.

Nel valutare tali evidenze, occorre, comunque, sempre tenere presente che alcune modificazioni, anche evidenti, della stratigrafia e degli oggetti ivi contenuti, possono essere dovute a cause accidentali e non produttive: incendi impetuosi sono, infatti, in grado di deformare metalli e prodotti ceramici e di produrre effetti di combustione evidenti creando contesti archeologici di ambigua interpretazione.

Così, occorre innanzi tutto, distinguere fra i prodotti di scarto ed i residui formatisi in maniera accidentale e dovuti ad eventi non collegati alla produzione e quelli che, al contrario, sono il frutto dell'intenzionale lavorazione dei metalli.

Fornaci

Per fornace si intende il luogo fisico nel quale il minerale e/o il metallo viene processato attraverso l'uso del fuoco.

Esistono diverse tipologie di fornaci relativamente non solo alle loro caratteristiche strutturali ma anche al loro ruolo nell'ambito del ciclo produttivo metallurgico, ovvero queste possono essere distinte fra le fornaci di riduzione, nelle quali dal minerale si arriva alla produzione del ferro metallico, ed i fuochi di forgia/fucina, utilizzate per passare dal metallo amorfo all'oggetto finito.

Ricostruzione grafica delle fasi di realizzazione di una fornace

L'indagine della struttura delle fornaci ed i problemi connessi all'ottenimento di temperature funzionali alla lavorazione dei diversi metalli sono altrettanti indici del livello tecnologico, e dunque di civiltà, di un determinato gruppo umano.

La termodinamica rappresenta in questo caso uno strumento fondamentale per comprendere e ricostruire le temperature ed il comportamento dei gas nelle fornaci e, quindi, in ultima analisi il processo di riduzione.

Fornaci di riduzione

Basso fuoco viene denominato correntemente il tipo di fornace nella quale si pratica la riduzione.

La suddetta operazione può essere ottenuta tenendo conto dell'esistenza di alcune condizioni tecniche obbligate, dovute alle proprietà fisico-chimiche della materia prima e che devono, quindi essere sempre rispettate; ciò se da un lato, non crea una grande diversità in tali strutture produttive nei diversi stadi del loro sviluppo tecnico, dall'altro, legando strettamente il processo di produzione alle specifiche circostanze locali (ad esempio al tipo di minerale, del materiale di costruzione della fornace), genera tutta una serie di varianti locali.

Esiste, dunque, una vasta gamma di bassi fuochi e sono vari i tentativi di classificazione tipologico strutturale fatti per classificare tali fornaci, eleborati sulla base dei resti archeologici.

Tuttavia, senza volere insistere sui dettagli di ogni singola tipologia, si possono senza dubbio distinguere due grandi famiglie: il basso fuoco a scoria colata, nel quale la scoria defluendo all'esterno del forno si separa così dal metallo, e quelli in cui la scoria defluisce in un apposito pozzetto posto sul fondo della stessa fornace, lasciando nella parte superiore il materiale infusibile.

Il grado e la modalità di separazione della scoria dal metallo sono uno parametro di valutazione essenziale del processo metallurgico e, quindi, rappresentano un criterio tecnologico di primo piano ed utile per la classificazione.

Nelle fornaci più "primitive", a pozzetto o a fossa, o in quelle in cui il sistema di ventilazione è posto sul fondo della fornace stessa, la separazione della scoria non può avvenire e, dunque, si conglomera insieme al metallo in una sola massa.

Le fornaci più evolute, invece, prevedono o un’apertura alla base del catino della fornace che permette l'evacuazione della scoria in direzione orizzontale all'esterno della fornace (fornaci a scoria colate) o una fossa nella quale la scoria si accumula in un pozzetto apposito sotto il catino della fornace stessa (fornaci con pozzetto per le scorie).

Le scorie colate sono generalmente accompagnate da una certa proporzione di scorie interne, ovvero di scorie che si creano all'interno della fornace e che non scolano via a causa di un precoce raffreddamento avvenuto all'interno del catino.

Per quel concerne le differenze di produttività fra i due diversi sistemi, questi sembrano equivalenti.

In entrambi i casi occorre interrompere la produzione per procedere all'estrazione della bluma.

In un basso fuoco le temperature raggiunte sono comprese nell’ordine dei 1000/1300°C. In queste condizioni il ferro rimane allo stato solido, anche se pastoso, ma il composto di elementi che forma la ganga, fra cui ossidi di ferro, silicio, alluminio, calcio diviene fusibile; è proprio questa mistura allo stato liquido e poi raffreddandosi che forma la scoria.

 

Fuochi di forgia/fucina

La forgia può essere costruita come una semplice fossa, con semplici protezioni perimetrali atte a non disperdere il calore.

Tale struttura può funzionare sia a livello del terreno sia ad un livello sopraelevato.

Viene costruita con diversi materiali, quali argilla, come isolante principale, pietra o metallo. Le sue dimensioni variano in funzione delle diverse operazioni che il fabbro vi si appresta a condurre.

Schema di un fuoco di forgia e delle strutture annesse
1. Mantici; 2. Muretto di protezione; 3. Fuoco di forgia; 4. Scorie in forma di calotta in posto; 5. Deposito di scorie; 6. Riserva di carbone; 7. Pezzi di metallo; 8. Incudine in pietra base in legno e scarti di battitura; 9. Oggetti: martello, tranciante, punteruolo, lima, pietra per arrotare; 10. Pinze; 11. Vaso rotto reimpiegato come vascetta per la tempra; 12.
Riserva di sabbia
SERNEELS V., L'archéologie de l'industrie du fer, Bull. Soc. vaud. Sc. nat. 84.4, 1997, pp. 301-321

I fuochi di forgia/fucina di solito si trovano al chiuso, all'ombra, o meglio in luoghi non illuminati direttamente, in quanto è l'oscurità che facilita l'osservazione dei diversi colori che il metallo assume nel corso della lavorazione e che sono altrettanti indici per il fabbro dei differenti trattamenti termici ai quali il metallo stesso può essere sottoposto.

Nelle fucine preindustriali i mantici venivano piazzati lungo i lati del braciere così da fornire una ventilazione orizzontale. Tali fornaci potevano essere utilizzate tanto per la forgiatura quanto per la raffinazione della bluma.

Gli attrezzi e gli utensili da lavoro

A sinistra strumenti da fabbro rinvenuti in Svezia. A destra attrezzi da fabbro rinvenuti nella tomba gepide di Mezoband in Transilvania (Romania) VI sec d.C.

In relazione alla sopravvivenza nel record archeologico degli strumenti, quali pinze, tenaglie ed incudini, è necessario tener conto dell'importanza di alcune variabili.

Dal momento che gli utensili erano di proprietà dei singoli artigiani erano questi stessi che decidevano del futuro dei loro attrezzi.

Inoltre, dato che lo stesso fabbro è l'artigiano che più di ogni altro produce da solo i propri attrezzi o, perlomeno, le parti più importanti degli stessi questa rapporto di proprietà doveva essere ancor maggiormente avvertito.

Dunque, si può ragionevolmente ritenere che gli attrezzi fabbricati con materiali resistenti all'usura del tempo fossero di solito trasmessi da ogni singolo artigiano ai propri eredi.

Questi utensili, dunque, tendono a restare a lungo nell'uso.

L'abbandono, ed il conseguente ritrovamento archeologico, non è, dunque, così frequente. Gli artigiani non erano affatto propensi a lasciare e, quindi, a perdere i propri strumenti di lavoro. Solamente in seguito ad episodi violenti questi venivano abbandonati: non a caso gli utensili integri vengono più facilmente ritrovati al di sotto di strutture crollate improvvisamente o in ripostigli dove erano stati riposti per poi essere in seguito recuperati. Una programmata cessazione dell'attività produttiva, al contrario, non lascia rilevanti tracce, per quanto attiene agli utensili, nell'evidenza archeologica.

Lo studio archeologico degli strumenti da lavoro, inoltre, è ostacolato più di altri dalla continuità tipologica, dal momento che sugli attrezzi il valore funzionale prevale su quello estetico e dunque l’evoluzione delle forme, dettata esclusivamente da aspetti di carattere funzionale, segue un processo molto lento.

 

Infine, sia il valore simbolico che l’artigiano attribuisce all’attrezzo, sia, in alcuni casi, le grandi dimensioni dei pezzi (si pensi ad esempio alle incudini, ai mazzuoli, ai picconi), sia anche la stessa durata funzionale dell’oggetto, fanno sì che il manufatto venga tenuto a lungo in vita tramite continui aggiustamenti e, una volta irrimediabilmente rotto, venga riforgiato per il riutilizzo della materia (materiale da riciclare) prima, ossia del ferro.

Attrezzi da minatore di attribuzione romana o altomedievale

 

Il ciclo produttivo metallurgico

Le operazioni tecniche legate a questo specifico ambito produttivo possono, in maniera assai generale e schematica, distinguersi in due distinti momenti: i processi metallurgici di estrazione, ovvero la fase legata alla cosidetta metallurgia estrattiva, ed i metodi della metallotecnica, ossia i procedimenti legati alla trasformazione del metallo amorfo in un oggetto funzionale e funzionante.

Entrambe queste fasi sono contraddisitinte da catene operative specifiche e distinte, ma accumunate dall'uso del fuoco, che lasciano altrettanto caratteristiche tracce archeologiche nella stratigrafia.

Le diverse operazioni del ciclo produttivo dei metalli devono, tuttavia, essere classificate secondo un ordine.

A monte della valutazione delle attività produttive deve, dunque, posizionarsi l'analisi della situazione geomineralogica della regione in esame.

Vanno allora individuate non solo le potenzialità minerarie in relazione alla topografia degli insediamenti ma, altresì, identificati i diversi approcci allo sfruttamento minerario e, una volta individuate le miniere, queste devono essere distinte fra loro tipologicamente; cosiccome va precisato l'eventuale uso di metallo nativo e la sua propria natura (ossidi, carbonati e solfuri).

Egualmente, si presenta la necessità di seriare e distinguere i diversi stadi della successiva fase di trasformazione del minerale, ovvero la metallurgia vera e propria.

Vengono, così, distinte diverse azioni tecniche caratterizzate da differenti catene operative e, quindi, da diverse tracce archeologiche: ricerca/prospezione, preparazione (eliminazione della ganga o roccia sterile, selezione, pesta, lavaggio), arrostimento e riduzione del minerale; ed infine, i procedimenti tecnici atti alla rifinitura e produzione di un oggetto che risponda con la maggior approssimazione possibile alla funzione per la quale è stato creato, e cioè: messa in forma attraverso azioni termomeccaniche (quali forgiature a freddo e caldo); torsione; trattamenti termochimici particolari (come ad esempio ricottura, tempra, rinvenimento, cementazione); decorazioni meccaniche e pirotecniche (quali, cesellatura e doratura); assemblaggio (rivettatura, saldatura).

Processi metallurgici di estrazione

Le vene metallifere di ferro sono relativamente abbondanti e varie. Il loro valore economico dipende dal tasso di concentrazione metallica al loro interno (minimo 20%, medio 45%) ma anche dal tipo e dalla natura degli elementi che lo accompagnano. Le tecniche di estrazione metallurgica sono, dunque, subordinate in primo luogo alla tipologia del giacimento di provenienza.

Ricostruzione grafica della miniera medievale a solfuri misti di Rocca San Silvestro (Campiglia M.ma - LI).

La diversa composizione dei minerali influisce in maniera considerevole sui processi metallurgici di estrazione. Questo tipo di condizionamento risulta essere una costante anche per la metallurgia industriale; si legge infatti in un manuale di chimica ancora in uso ai giorni nostri: "Si può dire che ogni tipo di giacimento, per le sue caratteristiche particolari, richiede un particolare trattamento metallurgico, per cui in pratica ogni impianto lavora con caratteristiche sue proprie, in relazione al minerale trattato".

Questa semplice osservazione assume un significato particolarmente importante per la interpretazione delle evidenze archeometallurgiche dal momento che l'intera catena operativa della produzione metallurgica era per lo più basata sulla conoscenza empirica.

Ci sono poi numerosi altri parametri che condizionano, in vario modo, processi necessari alla produzione di un metallo e che pertanto vanno debitamente considerati nel corso della ricostruzione storico-tecnologica (vedi anche il problema della datazione delle emergenze minerarie).

Si tratta dei metodi utilizzati per l'estrazione e l'arricchimento del minerale (una buona purificazione ed un buon arricchimento del minerale riducono notevolmente i problemi legati alla fusione/riduzione), della disponibilità locale di combustibile (talora il carbone diveniva più prezioso dello stesso minerale) e delle qualità richieste al prodotto finale (nel caso del piombo argentifero, ad esempio, la qualità del piombo era subordinata al recupero di tutto l'argento in esso contenuto; a temperature più basse si otteneva infatti un piombo più malleabile, ma si perdeva una notevole quantità di metallo nelle scorie).

Accanto a questi esistono, inoltre, tutta una serie di fattori che dipendono dai sistemi socio-economici e politici e che costituiscono pertanto la complessità del contesto storico delle varie produzioni.

Tutte queste variabili hanno condotto, dunque, a sviluppi indipendenti dei processi di estrazione metallurgica, con caratteristiche peculiari ed adeguate al distretto locale.

In uno studio di archeometallurgia sarà, perciò, necessario, da un punto di vista metodologico, tenere conto delle diverse realtà locali, sia per quanto riguarda gli aspetti giacimentologici e mineralogici, sia da un punto di vista della storia economica di un dato territorio.

Per uno studio globale del lavoro minerario di un filone è necessario distinguere se si tratti di miniere a cielo aperto o di quelle in galleria e, qualora si tratti di coltivazione sotterranea, individuare e documentare anzitutto le vestigia superficiali.

La distribuzione dei lavori in superficie può, infatti, riflettere la geometria sotterranea o l'orientamento del filone. La distribuzione sul terreno e l'importanza di certi resti ci danno informazioni circa la produttività del filone e l'organizzazione dello sfruttamento. Ad esempio una molteplicità di piccoli lavori potrebbe attestare tanto una parcellizzazione delle concessioni (che caratterizza l'inizio dello sfruttamento di un nuovo filone), quanto l'affioramento in superficie della vena mineralizzata, o ancora una febbrile e vana ricerca di un filone considerato molto ricco.

Al contrario, un numero limitato di lavori importanti, potrebbe indicare sia un monopolio delle concessioni oppure l'assenza di minerale vicino alla superficie e, quindi, la necessità di coltivazioni più profonde.

Si consideri poi che in età preindustriale si trovano spesso, all'imbocco della miniera, i resti delle prime fasi di lavorazione meccanica del minerale (selezione, lavaggio e pesta).

L'esame di tali discariche consente molte osservazioni sulla natura dei materiali estratti e sulle proporzioni del lavoro effettuato sul filone, permettendo, ad esempio, una prima stima della profondità della miniera e delle proporzioni del lavoro effettuato sul filone (grazie alla valutazione del rapporto fra minerale e roccia sterile). Inoltre, queste discariche consentono anche di ricostruire le grandi tappe della storia di una miniera, dalle ricerche/prospezioni del filone nella roccia sterile, fino alla scoperta di una zona produttiva.

Dallo studio dei resti sotterranei, suddivisibili genericamente in gallerie di approccio (gallerie realizzate nella roccia sterile per raggiungere il filone) e zone di coltivazione (scavi e gallerie realizzati per lo sfruttamento del filone stesso) è possibile trarre tutta un'altra serie di informazioni, prevalentemente riguardanti la dinamica dei procedimenti di estrazione legati alla individuazione ed analisi delle tracce e striature dei diversi attrezzi utilizzati, del tipo di sezione o pianta delle gallerie, della presenza di canalette, delle tracce.

Processi metallotecnici

Sotto questa categoria rientrano le catene operazionali che portano alla produzione vera e propria del metallo (riduzione del minerale) e alla sua messa in forma (forgiatura) grazie all'uso dell'energia termica fornita dal fuoco e dei processi meccanici messi in atto dall’artigiano.

Schema delle modifiche microstrutturali di un metallo (appartenente al sistema cubico a facce centrate, esagonale o ottaedrico) sottoposto a trattamenti meccanici e termici.
SCOTT D. A., Metallography and Microstructure of Ancient and Historic Metals, Malibu, 1991

 

Processo diretto

Nell'antichità e per tutto il Medioevo, fino almeno al XIV secolo, la produzione di ferro attraverso il processo diretto richiedeva una serie di lunghe e complesse operazioni prima di poter ottenere un prodotto finito rispondente ai criteri della funzionalità.

In primo luogo erano necessarie alcune operazioni successive all'estrazione e preliminari alla lavorazione vera e propria del minerale, quali pesta e lavaggio, arrostimento, preparazione del combustibile.

Il ferro, inoltre, presenta maggiori difficoltà di lavorazione rispetto agli altri metalli in quanto richiede un'alta temperatura di fusione per risultare puro.

Questo rappresentò uno dei maggiori ostacoli nell'antichità e nel Medioevo, data l'impossibilità di raggiungere una temperatura sufficiente per la fusione (1.536°C) e di ottenere un metallo completamente puro.

Il cosiddetto antichissimo metodo diretto, utilizzato fin oltre il Medioevo in Europa e tradizionalmente usato in Africa fino agli anni '60, permetteva di ottenere, senza giungere alla fusione e per riduzione degli ossidi, soltanto una massa spugnosa del metallo, o bluma, che doveva essere sottoposta ad un'ulteriore lavorazione prima che si potesse ottenere il ferro solido.

Questo procedimento, data l'imperfetta riduzione, comportava che nelle scorie fosse ancora presente un altissimo contenuto di ferro, che poteva superare anche il 40%.

Per un radicale mutamento della qualità del ferro bisognerà attendere l'età moderna, quando lo sviluppo degli altiforni, una maggiore ventilazione, e l'utilizzo del carbon fossile renderà possibile la produzione di gettate di ferro, grazie al raggiungimento di temperature assai elevate.

La temperatura ottenuta nelle fornaci utilizzate con questo metodo, dette bassi fuochi, non era sufficiente per la fusione del ferro, ma soltanto a provocare la formazione di grani di ferro che gradualmente si coagulavano in una massa spugnosa.

Le scorie liquide, costituite per la maggior parte da silice e ossidi non ridotti, colavano nel fondo della fornace o all'esterno di essa, lasciando nella parte superiore del forno, il materiale infusibile.

La massa spugnosa o bluma, così ottenuta era, tuttavia, ancora mista a scorie fluide; per questa ragione, una volta estratta la bluma dal forno (dall'alto nelle fornaci meno evolute e dal basso in quelle più efficienti), essa doveva essere ancora a lungo lavorata (processo di raffinazione della bluma).

Scoria di raffinazione a forma di calotta

Quest'operazione di raffinamento durava, ed era ripetuta, tanto quanto era necessario per ottenere il metallo il più puro possibile. La fusione della ganga o roccia sterile si verificava, al contrario, a basse temperature e senza fondenti.

Questo processo diretto di riduzione del minerale non consentiva una elevata produzione di ferro che, oltretutto, aveva uno scarso tenore di carbonio.

Il ferro così prodotto (anche dopo il processo di raffinazione della bluma), infatti, è dolce, resistente ma privo della durezza necessaria per fabbricare armi ed utensili.

Inoltre, le qualità di questo metallo sono tutt'altro che omogenee, dal momento che sono legate sia al tipo del minerale di ferro trattato in vista dell'ottenimento del lingotto, sia alle abilità tecniche dei singoli artefici.

Per cui anche la messa in forma dell'oggetto richiede un ulteriore processo, ovvero la forgiatura, l'applicazione dei procedimenti termochimici e termomeccnici atti a fornire al prodotto finito i requisiti funzionali e meccanici richiesti.

Processo indiretto

Il passagio al metodo indiretto fu stimolato dal migliore rendimento rispetto al metodo precedente e favorito dalla diffusione generalizzata delle macchine idrauliche applicate alla metallurgia.

Gli artigiani lavoravano con fornaci sempre più grandi che raggiungevano temperature sempre più elevate grazie anche ad una migliore ventilazione.

Già nel XII secolo appaiono, infatti, i primi altiforni in grado di produrre gettate di ferro fuso, la ghisa. Tuttavia, tale produzione non si diffonde in modo generale fino al XVI secolo quando diviene il procedimento più comune.

Ricostruzione grafica di un maglio azionato da energia idraulica

Si pensi, ad esempio, a come l'aumentata richiesta di ferro, nei secoli centrali del medioevo, abbia stimolato per la Toscana la ricerca di una tecnica capace di aumentare la produzione; tale tecnica verrà di lì a poco importata dall'area alpina con la quale esistevano già contatti commerciali per i prodotti ferrosi.

Sembra, infatti, che proprio nelle Alpi sia da localizzare l'epicentro dell'innovazione dell'utilizzo dell'energia idraulica che ha, con il tempo, permesso di passare dal metodo diretto al metodo indiretto di produzione del ferro.

Sommario

 

ARCHEOMETALLURGIA DELL’ ARGENTO

 

Argento

Nell’antichità l’argento era connesso al culto delle divinità lunari ed era per valore secondo solo all´oro, anche se, in confronto a questo metallo, è in natura molto più comune.

L’argento nativo, cioè trovato allo stato metallico, fu usato già fino dal VII millennio, mentre le più antiche testimonianze di riduzione dei minerali d’argento attraverso la cupellazione si trovano dal III millennio nel Ponto. L’argento veniva per lo più estratto dalla galena argentifera o dalla cerussite (un carbonato di piombo argentifero). Il minerale veniva introdotto in crogiolo in una fornace a circa 1000°C, con immissione di

ossigeno. Lo zolfo scompariva e il piombo ossidava formando litargirio (ossido di piombo) e permettendo così di recuperare l’argento metallico (cfr. ad es. Craddock 1995, 211-231; 2002, 28).

 

 

Leghe di argento

Fin dai tempi più antichi vennero usate due grandi classi di leghe d’argento: una per oggetti di lusso e rappresentanza, impiegati solamente come simbolo di ricchezza e potere e come investimento e l’altra per oggetti che dovevano effettivamente essere usati e maneggiati.(cfr. ad es. Hughes et al. 1979; Lang et al. 1984; Bachmann 1993, Pike et al. 1997, Cowell et al. 1983; Eggert et al. 1990; Weber et al. 1990; Giumlia-Mair 1998c; 2000; 2002). Le leghe per investimento, d’argento più puro, contenevano 1- 4% di rame, mentre quelle per oggetti da maneggiare contenevano tenori di rame tra 10 e 40 %. La presenza di rame rende l’argento più resistente, abbassa il punto di fusione e migliora la colabilità della lega. Leghe d´argento con alti tenori di rame (tra 20 e 40%) venivano anche usate come saldatura per argento più puro (Lang & Hughes 1983; 1985).

Gioielleria in argento si trova soprattutto in Grecia settentrionale ed in Illiria (Williams and Ogden 1994, 1), ma anche nelle Alpi, dove esiste un’antichissima tradizione nell’uso dell’argento (e di leghe che lo imitano) per piccoli oggetti decorativi di uso personale come fibule e spilloni (Giumlia-Mair 1998, 245; 2000, 303 e 305-308).

 

 

Lavorazione dell’argento

L’argento è molto duttile e malleabile, può essere colato e lavorato a martellatura, fino a divenire una foglia sottilissima e può essere anche usato per produrre filo ritorto. È inoltre il materiale ideale per lavori a sbalzo di gran pregio, fu infatti impiegato in particolare per vasellame di rappresentanza. Il vasellame veniva formato a martellatura e decorato a repoussé dall’interno, appoggiando la parete del vaso ad un materiale cedevole, come cera, pece, stucco o zolfo.

 

 

 

 

Decorazione dell’argento

La superficie esterna degli oggetti in argento veniva solitamente decorata a freddo con ceselli di varia misura e punzoni che producevano forme e motivi diversi . Molto spesso le decorazioni venivano sottolineate per mezzo di dorature, per le quali potevano venir usate varie tecniche Oddy 1993, 171; Craddock 1995, 302; Vittori 1979;Giumlia -Mair et al. in stampa).

 

Specchio romano in argento

 

 

Sommario

 

 

ARCHEOMETALLURGIA DELL’ORO

 

Oro

L’oro è sempre stato considerato il metallo più prezioso. E’ infatti l’unico metallo giallo e fin dai tempi più antichi veniva quindi connesso al culto solare. Già nell’età del Bronzo esisteva un intenso commercio di oro e gioielli, particolarmente sulle rotte mediterranee provenienti dalle regioni orientali. Gioielli eseguiti nelle più 2 complesse tecniche di oreficeria - filigrana e granulazione - di provenienza prevalentemente medio-orientale venivano esportati in tutto il mondo conosciuto, in particolare dai Fenici.

Il nome greco dell’oro è chrysos e deriva infatti da lingue semitiche: il suo significato dovrebbe essere “metallo giallo” (Liddell & Scott, 1996, 2001, s.v.).

Nel campo della metallurgia antica sono molti i termini estremamente arcaici che si sono mantenuti attraverso millenni (Makkay 1992) e possono dare preziose indicazioni nelle ricerche metallurgiche.

 

 

Estrazione.

L’oro si trova in diversi tipi di depositi: fluviali, detritici o in giacimenti veri e propri. I metodi di estrazione usati nell’antichità si adattavano naturalmente al tipo di giacimento. L’oro fluviale veniva recuperato dalle sabbie aurifere in forma di pagliuzze ed ha ispirato, secondo Strabone,la leggenda del vello d’oro: in Colchide, velli di pecora venivano immersi nel fiume aurifero e la lanolina del pelo tratteneva le pagliuzze d’oro (Str. 11,

2, 19).

La famosa miniera d’oro spagnola di Las Medullas, descritta da Plinio (Nat.Hist., 33, 70-78), è invece un giacimento di tipo detritico e veniva coltivata con il metodo idraulico.

Le grandi miniere d’oro della Nubia, descritte da Diodoro Siculo (3, 12, 1-14) venivano invece scavate con il metodo classico e numerosissima mano d’opera.

 

 

Leghe d’oro.

L’oro è altamente malleabile e, allo stato puro, si graffia molto facilmente. Per usi pratici, se non viene cioè usato solamente come riserva aurea in forma di lingotto, deve essere allegato con metalli meno nobili che lo rendono più resistente e meno soggetto ad usura.

Nel corso dei millenni c’è stata una chiara evoluzione nell’impiego delle leghe: dall’uso di oro naturale, contenente sempre percentuali variabili d’argento (tra 5 e 40%)(Waldhauser 1995; Hartmann 1970; 1982; Echt und Thiele 1994; Gobel et al.1991) si è presto passati, soprattutto per migliorare il colore, alla vera e propria allegazione con il rame (Hartmann 1970; 1982; Echt und Thiele 1994; Gobel et al.1991), che nell’oro naturale giunge a percentuali che oscillano intorno al 2 o 3 % (Tylecote 1976, 3-4, Table 3) ed è combinato alle caratteristiche impurità di metalli del gruppo del platino: platino, osmio, iridio e rutenio (Ogden 1976; 1977).

Solo dopo l’invenzione del metodo di purificazione dell’oro e con l’avvento della monetazione, vengono usate

leghe standard, cioè di composizione regolare (Healy 1974; Notton 1974; Ramage and Craddock 2000). L’oro raffinato venne in origine impiegato soprattutto per la monetazione, per garantire un valore fisso. Le più antiche monete d’oro sono quelle del re Creso (VII sec. a.C) e provengono da Sardi in Asia Minore. Il processo di purificazione si diffuse gradatamente, non ovunque nello stesso periodo (Ramage and Craddock 2000; cfr. Cesareo e von Hase 1976), ma in modo relativamente veloce in tutto il Mediterraneo, prendendo il posto dell’oro naturale non allegato e le leghe per gioielleria acquisirono così anch’esse composizioni regolari. La lega più comune divenne quella contenente circa 10 % di argento e fu usata anche in periodo romano (Cowell et al.1983; Pike et al 1997). Più tardi, l’oro venne allegato con argento e rame in percentuali variabili.

 

 

 

 

Oggetti ornamentali romani

 

 

Sommario

 

ARCHEOMETALLURGIA DEL PIOMBO

 

Caratteristiche

Il piombo è un metallo bianco-azzurro molto tenero, denso, duttile e malleabile; possiede anche una relativamente bassa conducibilità elettrica. Può essere reso più duro per aggiunta di una piccola quantità di antimonio.

È molto resistente alla corrosione; non viene intaccato dall'acido solforico, si scioglie però in acido nitrico.

 

Storia

Fu scoperto in epoca molto antica - in Anatolia sono state trovate perle di piombo databili intorno al 6500 a.C.; se ne parla in papiri egizi del 1550 a.C. e nel libro dell'Esodo - probabilmente perché i suoi minerali sono diffusi ovunque e sono facili da fondere, nonché perché il piombo stesso è un materiale facile da lavorare.

Tubazioni e strutture di piombo risalenti all'impero romano sono ancora esistenti ed in servizio oggigiorno. La metallurgia del piombo è parte della storia industriale di moltissimi paesi.

Il suo nome deriva dal latino plumbum che presumibilmente proviene dal greco πελιος, (pelios, blu-nerastro), oppure dal sanscrito bahu-mala (molto sporco). Dal nome latino dervia anche il suo simbolo, Pb.

Fino agli anni ottanta il piombo tetraetile è stato un componente della benzina, usato come additivo per aumentarne il numero di ottano. Data la sua tossicità e la sua capacità di "avvelenare" i catalizzatori usati per ridurre l'inquinamento generato dagli scarichi delle automobili, è stato abbandonato in favore di altri additivi.

Le mine dei primissimi modelli di matite usavano piombo al posto della grafite.

 

Produzione

Il piombo allo stato nativo esiste, ma è piuttosto raro. In genere viene trovato associato allo zinco, all'argento e principalmente al rame, viene quindi estratto insieme a questi metalli. Il più importante minerale del piombo è la galena (solfuro di piombo, PbS), che ne contiene l'86,6%. Altri minerali comuni sono la cerussite (carbonato di piombo, PbCO3) e l'anglesite ([[solfato di piombo, PbSO4). Gran parte del piombo in uso oggigiorno proviene però da fonti riciclate.

Nelle miniere i minerali di piombo sono estratti per perforazione o per esplosione, vengono quindi macinati. Il minerale viene quindi separato dalla roccia inerte per flottazione e quindi fuso, producendo un piombo conentrato al 97% che, per graduale raffreddamento, viene liberato dalle scorie che affiorano alla sua superficie. Il piombo fuso rimanenente viene quindi raffinato per ulteriore fusione in corrente d'aria, giugendo ad una purezza dell'ordine del 99,9%.

 

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ARCHEOMETALLURGIA DEL RAME

 

Storia

 

La lavorazione del rame affonda le sue radici nella preistoria: il più antico oggetto di rame a noi noto è un piccolo pendaglio ottenuto col minerale non lavorato, scoperto nella grotta di Shanidar in Kurdistan e risalente a ben 12.000 anni fa. Esso attesta un primo uso del rame, ma invece a circa 10.000 anni fa risalgono i primi utensili prodotti col rame lavorato: dei punteruoli scoperti in Anatolia e Mesopotamia. In Italia abbiamo le prime tracce del suo utlizzo solo alcuni millenni più tardi, a partire da 6.000 anni fa.

 

Produzione

 

L' evoluzione delle tecniche di lavorazione del rame durò diversi millenni. La più antica, nota in Mesopotamia ed in Anatolia già 10.000 anni fa, consisteva nel martellamento a freddo del rame puro proveniente da filoni o pepite. Circa mille anni dopo fu inventata la tecnica del martellamento a caldo, che consisteva nel riscaldare il metallo allo scopo di ammorbidirlo prima di lavorarlo. Poi 8.000 anni fa gli abili artigiani del Vicino e del Medio Oriente riuscirono finalmente a raggiungere con i loro forni la temperatura necessaria alla fusione del rame, cioè 1.083°C; questo permise loro di ottenere sia fili e lamine da ribattere, che direttamente oggetti di ogni forma.

 

 

Il Rame e le civiltà

 

Il rame aprì una nuova era dell' umanità: finì l'età della pietra (paleolitico e neolitico) ed iniziò l'età dei metalli. L'età del rame è chiamata da alcuni studiosi anche Calcolitico, dalle parole greche che significano rame (khalkòs) e pietra (lìthos). Fu una vera e propria rivoluzione tecnologica e sociale. Basti pensare che fino ad allora per produrre utensili erano noti essenzialmente solo due materiali inorganici: la pietra, resistente ma dura da lavorare, e l'argilla, che al contrario era facile da lavorare ma non era adatta a tutti gli usi, perché gli oggetti con essa prodotti (ad esempio vasi di terracotta) erano troppo fragili. Il rame invece riuniva in sé i pregi di entrambi i materiali già noti, eliminandone i difetti: una volta fuso si poteva infatti plasmare in mille forme come l'argilla, ma quando si raffreddava diventava più resistente della pietra. La scoperta del rame provocò inoltre molte trasformazioni sociali: per procurarselo infatti si dovevano affrontare pericolosi viaggi in luoghi lontani, cosa che favorì i contatti fra le civiltà.

Gli oggetti di rame costituivano un bene di lusso. Nell'antichità infatti i metalli erano in genere usati solo quando era indispensabile, altrimenti si preferivano materiali più economici, poiché i giacimenti noti erano pochi ed il processo di estrazione costoso. Ad esempio il vasellame ed il pentolame domestico della gente comune erano di terracotta, mentre solo in pochi potevano permettersi di possederne di rame o di altri metalli. I vasi, le pentole e tutti gli altri oggetti di rame diventarono perciò uno status simbol delle aristocrazie antiche.

La disponibilità di rame e di altri metalli favorì il fiorire di grandi civiltà: per esempio la civiltà etrusca in Italia centrale e quella nuragica in Sardegna devono il loro rapido sviluppo e la loro ricchezza allo sfruttamento delle miniere di rame e di altri metalli. Con la produzione ed il commercio del rame questi popoli entrarono in contatto con altre civiltà più ricche come quella greca o quella fenicia, i cui mercanti venivano a scambiare il metallo con i loro raffinati prodotti. Grazie a questi contatti le popolazioni italiche si arricchirono sia materialmente che culturalmente.

 

 

Una "mezzina" toscana prodotta secondo i disegni originali del '700

 

Curiosità sul rame

 

Qualche curiosità storica sul nome RAME. La parola italiana "rame" deriva dal latino tardo "aeramen" che a sua volta deriva dal latino classico "aes". In molte lingue europee invece la parola che indica il rame deriva dal latino "cuprum" (es. inglese "copper", francese "cuivre", spagnolo "cobre", tedesco "kupfer", svedese "koppar", danese "kobber"). La parola "cuprum" però in origine non aveva nulla a che fare col rame, ma era un aggettivo riferito a Cipro. In epoca Greco-Romana le miniere di Cipro diventarono famose per la qualità e la quantità di rame che vi si estraeva e l'isola diventò il maggior produttore di rame dell'epoca, così "cuprum" passò a significare rame.

Le leghe di Rame


Fin dai primi tempi i metallurghi fecero esperimenti cercando di combinare il rame con altri metalli. La scoperta più importante fu la lega derivata dalla combinazione di rame e stagno: il bronzo. È interessante il fatto che, al contrario di noi, gli antichi non fecero mai distinzioni fra il rame puro e le leghe derivate dalla sua combinazione con altri metalli. Ne è prova il fatto che quasi tutte le lingue antiche a noi note (ad es. il greco, il latino, l'ebraico ecc.) usano la stessa parola per indicare sia il rame che il bronzo. Il bronzo aprì una nuova epoca e venne utilizzato per la produzione di vasellame, utensili e soprattutto armi, poi in età classica anche nell'arte, ad esempio per realizzare le statue. Durante tutta l'antichità si continuò però ad usare anche il rame puro, ad esempio anche per coniare le monete. Sfortunatamente non si sono conservati fino ai nostri giorni molti oggetti antichi di rame, ma dal poco che sappiamo possiamo intuire quale doveva essere la loro bellezza e il loro splendore.

 

 

 

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