Un grande scavo venne  fatto,  in corrispondenza dell'intera navata centrale, spingendosi temerariamente per quasi due metri al di sotto del piano d'imposta delle fondazioni dei pilastri e delle colonne: un volume di terra smossa, mista ad ossa umane, pari a 1850 metri cubi! Trovò le spoglie dei tre Santi, martirizzati forse sotto Diocleziano, e molti altri resti di defunti, essendo stata edificata la Basilica su un'area cimiteriale paleocristiana,

 un agellus, rimasta nella toponomastica nella forma errata di Monte Angellu. I martiri sono sistemati in tombe ad arcosolio. Nel sarcofago del centro, giaciono le ossa di San Gavino. Una lapide reca il suo nome  in latino: Gavinus. Qui c'è poi un'ampolla dove forse si raccoglieva il sangue. Le ossa di San Gianuario sono conservate meglio perché era il più giovane e sono alla destra. Secondo la tradizione Gianuario aiutava Proto a portare il Vangelo, quindi era diacono. A sinistra si trovano le ossa di San Proto. Lo scavo suggerì di ricavare una galleria, una sorta di chiesa inferiore, di accesso alla cripta per la custodia delle spoglie dei tre Santi e di altri ritenuti tali. Nell'anticripta, articolata per tre lati da nicchie in forme rinascimentali, vennero sistemate pregevoli statue marmoree dei Santi

Gavino, Proto, Gianuario, Gabino e Antioco.Le altre, di stucco, vennero aggiunte posteriormente. D'un preesistente sacello cruciforme paleocristiano, trovato nello scavo, erano stati utilizzati materiali per la costruzione della Basilica. Robuste cancellate dovevano difendere le salme dalle profanazioni degli infedeli, che in effetti le tentarono: tanto che il re di Spagna Filippo IV comandò che la chiesa fosse trasformata in fortilizio. Si erano intanto andati formando gli spazi attorno alla chiesa noti come "atri": atrio Giudice Comita a settentrione e atrio metropoli Turritana a mezzogiorno. Si chiusero gli accessi con portali: quello volto verso quest'ultimo, praticato in una casa alta a mo' di torre. I muri esteni delle navatelle vennero sopraelevati, con feritoie.

In uno scomparto dentro il sarcofago che custodisce le ossa di San Gavino giacciono i resti di "Gomita rex": il regolo deve aver faticato per spiegare all'architetto come voleva fosse fatta la Basilica. Come narra la leggenda, è al Comita che Gavino sarebbe apparso in sogno, recando in mano il modellino del tempio. 

E si credeva, fino all'ultima ricognizione del 1948, che i resti del presunto fondatore fossero racchiusi in quell'urna di pietra collocata al sommo del pilastro cruciforme, di fronte all'ingresso principale.
 Si è ipotizzato che il campanile non sia stato costruito per evitare che dal mare i musulmani individuassero la chiesa. 

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