Le tecniche tradizionali di analisi nel settore dei beni culturali sono state rivoluzionate, in anni recenti, dall’applicazione di nuove metodologie derivanti da altre discipline scientifiche, quali la chimica, la fisica e la statistica.

In questo contesto nasce l’archeometria, che “comprende le discipline, le tecniche ed i metodi atti ad estrarre dai reperti e dai manufatti l’informazione necessaria agli storici, ai conservatori ed ai restauratori, per una più completa lettura storica dell’oggetto e del monumento, per migliorarne la conservazione, per progettarne il restauro”.

Rientrano nelle attività archeometriche, per esempio, la datazione radioisotopica di materiali di scavo archeologico, lo studio petro-geochimico di statue in marmo e di ceramiche, la stratigrafia di una pittura, l’analisi metallografica dei bronzi, la certificazione di provenienza di un materiale, la classificazione di un reperto sconosciuto.

L’archeometria ha quindi uno stretto legame, oltre che con l’archeologia e la chimica, anche con le discipline statistiche, tra le quali la chemiometria: un passaggio fondamentale nello studio archeometrico dei reperti è l’elaborazione dei dati multivariati ottenuti dalle analisi chimiche dei reperti stessi.

Buona parte della letteratura archeometrica è dedicata allo studio e all’analisi di ceramiche antiche, caratterizzate da variabili chimiche quali le percentuali di ossidi presenti e le concentrazioni degli elementi in traccia. [...].

 
Molto spesso i dati relativi alle ceramiche sono utilizzati per la trattazione o l’esplicazione di problemi generali (quali la scelta delle strategie di analisi più efficaci) connessi alle ricerche archeometriche. Probabilmente vi è una disponibilità maggiore di dati riguardanti ceramiche antiche, e ciò deriva dal fatto che le problematiche che possono riguardare questi dati sono spesso comuni ad altre tipologie di studi archeometrici. Infatti, una delle più diffuse applicazioni archeometriche nell’analisi di ceramiche antiche (o comunque di vasellame in generale, come terracotta, maiolica, porcellana) è lo studio della loro provenienza geografica e del loro luogo di produzione: un oggetto trovato in una determinata località potrebbe non essere stato fabbricato in loco, ma importato, oppure un vaso stilisticamente diverso dagli altri potrebbe essere solamente un'imitazione locale di uno stile di produzione di un’altra regione.

In alcuni studi archeometrici riguardanti la provenienza delle ceramiche [Jones, 1986; Steponaitis, Blackman et al., 1996], si è cercato di correlare il fingerprint geologico locale (cioè le caratteristiche chimico-geologiche tipiche del luogo) con le caratteristiche chimiche degli oggetti prodotti in loco: studiando le caratteristiche chimiche dei materiali locali con cui sono stati fabbricati i vasi, è possibile discriminare tra le ceramiche importate e quelle di provenienza locale, caratterizzate appunto da peculiari proprietà chimiche proprie del substrato geologico del luogo.

Gli studi archeometrici quindi si interfacciano con altre discipline, in alcuni casi molto differenti. Sono infatti successivi al lavoro archeologico e di analisi chimica dei reperti e, elaborando l’informazione che emerge dai dati chimici dei reperti, forniscono uno strumento interpretativo agli stessi archeologi o agli storici: la dimostrazione dell’esistenza di scambi commerciali tra civiltà antiche (e quindi di contatti tra le civiltà) può essere effettuata anche mediante studi sulla provenienza di reperti ceramici.

Come in ogni disciplina scientifica, sono emerse delle problematiche connesse agli studi archeometrici, trattate ampliamente nella letteratura di settore. Innanzitutto, per la datazione dei reperti, è necessaria una valutazione radioisotopica dei materiali di scavo archeologico, quindi uno studio approfondito di ogni singolo campione, poiché a tal fine l’analisi chimica risulta poco utile. Infatti è noto che le variabili chimiche che solitamente vengono analizzate (quali le percentuali di ossidi o la concentrazione degli elementi in traccia) non siano sufficientemente correlate all’epoca di fabbricazione dell’oggetto, ma dipendano prevalentemente dal materiale utilizzato per la fabbricazione, che rimane praticamente inalterato nell’intervallo temporale considerato. Tuttavia, sulla base di un’analisi chimica, una discriminazione potrebbe essere effettuata tra reperti che differiscono stilisticamente e che quindi hanno presumibilmente diverse datazioni, ma solamente ipotizzando che diverse tipologie di lavorazione apportano differenti caratteristiche chimiche all’oggetto.

Oltre a queste problematiche che possono comunque essere risolte mediante l’utilizzo di altre tecniche di ricerca, nell’interpretazione dell’informazione contenuta nei dati chimici dei reperti archeologici (caratterizzati da più variabili), si possono riscontrare ulteriori difficoltà.

L’esame dell’informazione mediante l’utilizzo di tecniche chemiometriche richiede alcune procedure di pretrattamento il cui effetto sullo studio dei dati di tipo ceramico non è stato ancora unicamente definito: emergono dalla letteratura opinioni differenti ed in alcuni casi del tutto divergenti sull’utilizzo di determinati algoritmi. Occorre quindi, come in qualsiasi tipo di studio chemiometrico, valutare la procedura ideale di indagine in funzione dell’obbiettivo che si vuole raggiungere, non dimenticando però le peculiarità che i dati chimici relativi ai reperti possono presentare, e le problematiche che ne derivano.

In presenza di queste particolarità (come la condizione di chiusura dei dati), è necessario diversificare l’approccio chemiometrico al problema.
 

L’identificazione degli outliers all’interno dei dati è un altro aspetto comune alle ricerche chemiometriche e a quelle archeometriche, ma assume in queste ultime una particolare importanza. Ad un outlier, cioè un campione il cui comportamento si discosta da quello degli altri oggetti del dataset, è possibile attribuire significati archeologici (può essere un oggetto di importazione oppure un campione fabbricato con differenti tecniche rispetto agli altri, ma nello stesso sito) oppure può derivare da contaminazione del campione stesso nelle analisi (nel qual caso differisce di molto dagli altri campioni del dataset in una sola o in poche variabili). Inoltre, come in tutti gli studi chemiometrici, la presenza di outliers può modificare la struttura dei dati e la loro rappresentazione grafica, influenzare negativamente gli algoritmi, alterandone i parametri, e quindi snaturare l’interpretazione dell’informazione contenuta nei dati.

E’ importante in conclusione riuscire ad individuare gli outliers, sia per poter attribuire loro un’eventuale interpretazione archeologica, sia per non distorcere la lettura dell’informazione dell’intero dataset.

Sulla base di quanto sopra, risulta evidente come molte problematiche connesse ai datasets archoemetrici siano comuni anche alla chemiometria, e, di conseguenza, come una strutturazione approfondita dell’approccio chemiometrico sia necessario e fondamentale per l’analisi dei datasets chimici riguardanti i reperti archeologici, e, nel caso specifico, le ceramiche.

Le tecniche chemiometriche sono ideali per estrarre informazioni da questi datasets, costituiti molto spesso da molti campioni e variabili: è necessario infatti valutare complessivamente, e non separatamente, l’informazione che ogni variabile contiene. L’applicazione di queste metodologie è quindi fondamentale nello studio scientifico dei beni culturali, nella formulazione di conclusioni e risultati della ricerca, nell’interpretazione delle informazioni contenute nel manufatto.

La chemiometria è una scienza che propone approcci, con l’utilizzo di metodi matematici e statistici, per la risoluzione di problemi multivariati, caratterizzati cioè dalla presenza di un alto numero di variabili: di queste non sempre è nota la rilevanza per la risoluzione del problema in esame, il rumore sperimentale contenuto e quindi la capacità di mascherare l’informazione contenuta nei dati, le correlazioni e gli effetti sinergici, che non emergono dallo studio della singola variabile.

In un problema ad alta complessità, caratterizzato dalla presenza di un alto numero di variabili potenzialmente importanti per la descrizione del sistema, delle quali però non si conoscono a priori il contenuto di informazione e le capacità di descrizione, i metodi chemiometrici sono in grado di separare il contenuto di informazione utile alla risoluzione del problema stesso dal rumore sperimentale e dall’informazione ridondante, propria di sistemi descritti da variabili correlate, in modo tale da semplificare l’interpretazione del ruolo che le variabili hanno all’interno del sistema ed ottimizzare la lettura dell’informazione contenuta.

Per questi motivi le tecniche chemiometriche, soprattutto negli ultimi anni, in seguito anche allo sviluppo dell’informatica, vengono applicate in vari campi scientifici, dove è necessario interpretare l’informazione multivariata contenuta in un insieme di dati (un dataset).

I dati sono strutturati in una matrice, le cui righe rappresentano gli oggetti (nell’approccio archeometrico, i reperti) e le cui colonne rappresentano invece le singole variabili con le quali ogni oggetto viene descritto: per i reperti ceramici le variabili, a seconda delle analisi chimiche cui sono stati sottoposti, possono essere le concentrazioni o le percentuali degli ossidi e degli elementi in traccia contenuti nei campioni. A queste se ne aggiungono altre di tipo descrittivo (come ad esempio la provenienza degli oggetti, il luogo di ritrovamento, le caratteristiche stilistiche) che facilitano in seguito la lettura dei risultati.

Le varie metodologie di analisi, applicate all’archeologia, permettono di osservare la struttura interna dei dati, eliminando l’informazione non necessaria che alcune variabili possono contenere, e quindi forniscono un’interpretazione completa delle interrelazioni presenti tra gli oggetti di un dataset. Consentono inoltre di clusterizzare, cioè di raggruppare gli oggetti che presentano similarità e caratteristiche comuni, di riconoscere campioni esterni alla struttura dei dati ed infine di classificare oggetti sconosciuti, assegnandoli a classi riconosciute a priori. Quindi, in definitiva, sono tutte tecniche di analisi in grado di semplificare il lavoro di lettura e interpretazione archeologica dei dati.

La letteratura archeometrica non propone in molti casi soluzioni uniche alle problematiche che emergono dalle analisi di datasets di reperti. Viene spesso consigliato, in assenza di un’unica tecnica ottimale, l’analisi dei dati con diversi approcci, in modo da potere confrontare i risultati e valutare in modo più completo e corretto l’informazione contenuta nei datasets. Molto spesso, diverse tipologie di analisi sullo stesso set di dati portano comunque ad un’uguale interpretazione dei risultati: i risultati ottenuti possono differire, ma permettono comunque di giungere ad un’uguale interpretazione. In alcuni casi le differenti metodologie ed i loro diversi approcci portano ad evidenziare aspetti differenti dell’informazione dei dati, producendo risultati non in accordo tra loro; occorre in questi casi capire come una certa tecnica agisce, quali aspetti dell’informazione tende ad esaltare e quali a trascurare. Ci sono ancora opinioni contrastanti sull’opportunità di applicare alcune metodologie, sulle capacità descrittive che queste possono apportare e sulle diverse tecniche chemiometriche da utilizzare nello studio dei dati riguardanti beni culturali.

Inoltre, nonostante lo sviluppo di tecniche di analisi sempre più raffinate, in campo archeometrico sono ancora utilizzate le metodologie chemiometriche di base e maggiormente conosciute (quali l’analisi delle componenti principali e l’analisi dei cluster), sia perché probabilmente sono caratterizzate da una facile modalità d’uso e da una migliore reperibilità, sia perché comunque, nel complesso, possono condurre a dei buoni risultati; in alcuni casi, dove è più difficoltosa la risoluzione della complessità dei dati, sarebbe però necessario sfruttare tecniche di analisi differenti, e magari più complesse, che possano affrontare il problema con un diverso approccio, fornendo una diversa chiave di lettura dell’informazione, e conducendo ad un’interpretazione dei risultati più soddisfacente.

Oltre che verificare l’efficacia dei diversi approcci e delle differenti tipologie di analisi adottate fino ad ora in campo archeometrico, è possibile anche studiare l’applicazione di nuove metodologie chemiometriche, non ancora utilizzate negli studi archeometrici, che potrebbero risultare ottimali nella ricerca di informazione in datasets riguardanti reperti archeologici.

Occorre quindi valutare le potenzialità di queste metodologie, confrontandone i risultati ottenuti con quelli conseguiti in letteratura mediante l’utilizzo di tecniche tradizionali, per poi applicarle a nuovi dati, non ancora studiati.

Un’ulteriore ricerca può essere effettuata sulle possibili interrelazioni tra fingerprint geopedologico e caratteristiche chimiche dei reperti. Come detto, una delle applicazioni degli studi chemiometrici in archeologia è la determinazione della provenienza dei campioni. Per assicurarsi che la produzione di un determinato campione sia locale, molti studi hanno analizzato le correlazioni esistenti tra il fingerprint chimico geologico del luogo di provenienza del reperto e le caratteristiche chimiche del reperto stesso. Si potrebbe però anche valutare l’effetto che l’elemento geopedologico ha sui prodotti ceramici.

Un’ulteriore possibilità di ricerca potrebbe quindi scaturire dall’analisi dei caratteri geopedologici locali, anziché geologici: la tipologia del suolo dovrebbe influenzare le proprietà chimiche delle ceramiche prodotte con quel tipo di suolo, dato che la materia prima di produzione delle ceramiche viene estratta dal suolo piuttosto che dal substrato geologico.