Archaeometry of trachyte of the Euganean Hills (NE Italy): provenance quarry recognition and weathering analysis

The Euganean Hills (Veneto, NE Italy) are the most important quarry district in Italy for the extraction of trachyte, which has been carried out in tens of quarries all through the centuries, from Pre-Protohistory and, more intensely, from the Roman age onwards. Trachyte of the Euganean Hills has an age-old tradition of usage as carving and building stone, mainly in northern and central Italy, e.g., for manufacturing diverse everyday items and funerary and votive artifacts, as well as for building infrastructure, monuments, and in public and private construction. An archaeometric study of Euganean trachyte is here presented following two main research directions. The first involves the identification of criteria for recognizing provenance quarry of trachyte used in archaeological and historical materials, supported by a petrographic and geochemical database obtained from samples collected in the entire area of the Euganean Hills. The petrographic provenance tracers involve mineralogical composition and textural features of phenocrysts and groundmass, whereas the geochemical tracers comprise major- and trace-element composition of bulk rock and phenocrysts, in particular of mafic minerals. Trachyte provenance can be most precisely determined by applying multivariate relations based on phenocryst chemistry, which can be analyzed even on small, altered archaeological samples. The provenance markers were tested in a provenance study of Euganean trachyte used in Roman public infrastructure in Veneto, including roads, bridges and forum squares. The results provide insights into the commercial, political and economic dimension of the management of trachyte quarries and development of extraction activities in the Roman times, as well as into ancient trades in northern Italy and the main routes of stone circulation. The second research topic addresses the investigation of weathering and durability of Euganean trachyte used as building stone. Weathering crusts and patinas were detected on trachyte in urban environment, and their mineralogical and microstructural characteristics, major- and trace-element chemical composition were analyzed. The alteration products, mainly involving surface enrichment in carbonates, heavy metals, and carbon, represent an informative indicator of environmental conditions, in particular air quality, and chemical stability of the rock-forming minerals of trachyte and neighboring jointing mortars. Trachyte durability was also examined by a petrophysical and mechanical characterization of quarry samples, providing elements for aiding quality assessment by conservators-restorers and building companies. Particular emphasis is placed on the properties related to absorption, transport, and retention of water and aqueous solutions, in liquid and vapor state. Depending on porosimetric characteristics, i.e., pore volume, size, size distribution, shape, and degree of interconnection, different trachyte varieties exhibit a relatively wide array of technical performances, diversely affecting their decay behavior.

I Colli Euganei (Veneto) rappresentano il più importante distretto di cava in Italia per l’estrazione di rocce trachitiche, attività storicamente condotta in decine di cave e iniziata già in epoca pre-protostorica, poi intensificatasi a partire dall’età romana. L’importanza della trachite dei Colli Euganei nel patrimonio culturale, soprattutto del nord e centro Italia, si collega ad una tradizione millenaria di impiego nella manifattura di utensili e manufatti votivi e funerari, nella costruzione di infrastrutture e monumenti e nell’edilizia pubblica e privata. In questa tesi, si presentano i risultati di uno studio archeometrico della trachite euganea incanalato in due linee di ricerca principali. La prima riguarda l’identificazione di criteri per riconoscere la cava di provenienza della trachite usata in materiali di interesse archeologico e storico, supportata da un database petrografico e geochimico costruito su campioni prelevati nell’intero territorio dei Colli Euganei. I traccianti petrografici di provenienza comprendono la composizione mineralogica e le caratteristiche tessiturali dei fenocristalli e della matrice, mentre i traccianti geochimici considerano la composizione degli elementi maggiori e in traccia della roccia totale e dei fenocristalli, in particolare dei minerali femici. La maggior precisione nella determinazione della provenienza si ottiene applicando relazioni multivariate basate sulla composizione chimica dei fenocristalli, che può essere analizzata anche su campioni archeologici, spesso di dimensioni limitate e alterati. L’efficacia di questi indicatori è stata poi verificata in uno studio di provenienza della trachite euganea impiegata in Veneto in infrastrutture pubbliche di età romana, quali strade basolate, ponti e piazze forensi. I risultati di tale studio restituiscono un’idea della dimensione commerciale, politica ed economica in cui si inseriva la gestione delle cave romane e l’evoluzione delle attività estrattive, oltre a fornire informazioni sui traffici commerciali antichi sviluppatisi nel nord Italia. La seconda tematica di ricerca è impostata sullo studio del degrado e della durevolezza della trachite euganea usata come pietra da costruzione. Inizialmente, si sono individuate croste e patine di alterazione della trachite in ambiente urbano e se ne sono analizzate le caratteristiche mineralogiche e strutturali e la composizione chimica degli elementi maggiori e in traccia. I prodotti di alterazione, che si rilevano spesso come arricchimenti superficiali in carbonati, metalli pesanti e carbonio, rappresentano degli interessanti indicatori del contesto ambientale, in particolare della qualità dell’aria, e della stabilità chimica delle fasi mineralogiche della trachite e delle malte di allettamento usate sulla pietra. Infine, la durevolezza della trachite è stata esaminata attraverso una caratterizzazione petrofisica e meccanica di campioni di cava, fornendo elementi utili alla valutazione della qualità da parte di restauratori, conservatori e compagnie edili. Particolare attenzione è stata riservata alla valutazione delle proprietà legate all’assorbimento, movimento e permanenza nella pietra dell’acqua e di soluzioni acquose, allo stato liquido e gassoso. I risultati sperimentali suggeriscono che la variabilità nella resa fisico-meccanica di diversi tipi di trachite dipende primariamente dalle peculiari caratteristiche porosimetriche (volume, dimensione, distribuzione dimensionale, morfologia e grado di interconnessione dei pori), che contribuiscono quindi a determinare diversi gradi di resistenza al degrado.