Гидратация обсидиана

Геохимический метод датирования

Гидратационный метод датирования обсидиана ( OHD ) — это геохимический метод определения абсолютного или относительного возраста артефакта, изготовленного из обсидиана .

Обсидиан — это вулканическое стекло , которое доисторические люди использовали в качестве сырья для изготовления каменных орудий, таких как наконечники метательных снарядов, ножи и другие режущие инструменты, путем скалывания или откалывания кусков контролируемым способом, например, путем откалывания под давлением.

Обсидиан подчиняется свойству гидратации минералов и поглощает воду при воздействии воздуха с четко определенной скоростью. Когда необработанный узел обсидиана изначально раскалывается, в нем обычно присутствует менее 1% воды. Со временем вода медленно диффундирует в артефакт, образуя узкую «полосу», «ободок» или «корку», которые можно увидеть и измерить с помощью множества различных методов, таких как мощный микроскоп с увеличением 40–80 , глубинное профилирование с помощью SIMS ( вторичная ионная масс-спектрометрия ) и IR-PAS (инфракрасная фотоакустическая спектроскопия). ^{[1] [2]} Чтобы использовать гидратацию обсидиана для абсолютного датирования, необходимо понять условия, которым подвергался образец, и его происхождение или сравнить их с образцами известного возраста (например, в результате радиоуглеродного датирования связанных материалов). ^{[3] [4]}

История

Метод датирования обсидиана методом гидратации был предложен в 1960 году Ирвингом Фридманом и Робертом Смитом из Геологической службы США . ^[5] Их первоначальная работа была сосредоточена на обсидианах из археологических памятников на западе Северной Америки.

Использование вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS) для измерения возраста гидратации обсидиана было введено двумя независимыми исследовательскими группами в 2002 году. ^{[6] [7]}

Сегодня эта техника широко применяется археологами для датирования доисторических мест и мест из доисторического периода в Калифорнии ^[8] и Большом Бассейне Северной Америки. Она также применялась в Южной Америке, на Ближнем Востоке, на островах Тихого океана, включая Новую Зеландию и Средиземноморский бассейн.

Методы

Обычная процедура

Для измерения полосы гидратации обычно отрезают небольшой кусочек материала от артефакта. Этот образец измельчают до толщины около 30 микрометров и помещают на петрографическое слайд (это называется тонким срезом). Затем гидратационная корка измеряется под мощным микроскопом, оснащенным каким-либо методом измерения расстояния, обычно в десятых долях микрометра. Техник измеряет микроскопическое количество воды, поглощенной свежеразломанными поверхностями. Принцип, лежащий в основе датирования гидратации обсидиана, прост: чем дольше поверхность артефакта была открыта, тем толще будет полоса гидратации.

Процедура вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS)

В случае измерения гидратационного обода с использованием глубинной способности профилирования метода вторичной ионной масс-спектрометрии образец устанавливается на держателе без какой-либо подготовки или резки. Этот метод измерения является неразрушающим. Существует два основных режима SIMS: статический режим и динамический режим, в зависимости от плотности первичного ионного тока, и три различных типа масс-спектрометров: магнитный секторный, квадрупольный и времяпролетный (TOF). Любой масс-спектрометр может работать в статическом режиме (очень низкий ионный ток, анализ верхнего моноатомного слоя) и динамическом режиме (высокая плотность ионного тока, углубленный анализ).

Хотя относительно редкое использование SIMS для исследования поверхности обсидиана привело к большому прогрессу в датировании OHD. SIMS в целом относится к четырем инструментальным категориям в соответствии с их работой: статический, динамический, квадрупольный и времяпролетный (TOF). По сути, это метод с большим разрешением для множества химических элементов и молекулярных структур в существенно неразрушающей манере. Подход к OHD с совершенно новым обоснованием предполагает, что совершенствование метода возможно таким образом, который улучшает как его точность, так и достоверность и потенциально расширяет полезность за счет получения надежных хронологических данных. Anovitz и др. ^[9] представили модель, которая опиралась исключительно на композиционно-зависимую диффузию, следуя численным решениям (конечно-разностный (FD) или конечный элемент), уточняющим профиль H+, полученный с помощью SIMS. Тест модели был проведен с использованием результатов с горы 65, Чалко в Мексике, проведенных Riciputi и др. ^[10] Эта техника использовала численные расчеты для моделирования формирования всего профиля диффузии как функции времени и подогнала полученную кривую к профилю водорода. Уравнения FD основаны на ряде предположений о поведении воды при ее диффузии в стекло и характерных точках профиля диффузии SIMS H+.

В Родосе, Греция, под руководством и изобретением Иоанниса Лирициса ^[11] подход к датированию основан на моделировании S-образного профиля водорода с помощью SIMS, следуя закону диффузии Фика и пониманию поверхностного слоя насыщения (см. рисунок). Фактически, слой насыщения на поверхности формируется до определенной глубины в зависимости от факторов, которые включают кинетику механизма диффузии для молекул воды, конкретную химическую структуру обсидиана, а также внешние условия, влияющие на диффузию (температуру, относительную влажность и давление). ^[12] Вместе эти факторы приводят к образованию приблизительно постоянного значения граничной концентрации во внешнем поверхностном слое. Используя конечный продукт диффузии, была разработана феноменологическая модель, основанная на определенных начальных и граничных условиях и соответствующих физико-химических механизмах, которые выражают концентрацию H ₂ O в зависимости от профиля глубины как уравнение диффузии/времени.

Таким образом, это последнее достижение, новая вторичная ионная масс-спектрометрия – поверхностное насыщение (SIMS-SS), включает моделирование профиля концентрации водорода на поверхности в зависимости от глубины, тогда как определение возраста достигается с помощью уравнений, описывающих процесс диффузии, в то время как топографические эффекты были подтверждены и отслежены с помощью атомно-силовой микроскопии . ^{[13] [14] [15] [16]}

Ограничения

Несколько факторов усложняют простую корреляцию толщины полосы гидратации обсидиана с абсолютным возрастом. Известно, что температура ускоряет процесс гидратации. Таким образом, артефакты, подвергавшиеся воздействию более высоких температур, например, находясь на более низкой высоте , по-видимому, гидратируются быстрее. Кроме того, химия обсидиана, включая внутреннее содержание воды, по-видимому, влияет на скорость гидратации. Как только археолог может контролировать геохимическую характеристику обсидиана (например, «источник») и температуру (обычно аппроксимируемую с использованием «эффективной температуры гидратации» или коэффициента EHT), он или она может датировать артефакт, используя метод гидратации обсидиана. Давление водяного пара также может влиять на скорость гидратации обсидиана. ^[9]

Надежность метода, основанного на эмпирическом уравнении возраста Фридмана ( x²=kt , где x — толщина гидратационного обода, k — коэффициент диффузии, а t — время), подвергается сомнению по нескольким причинам, касающимся температурной зависимости, квадратного корня из времени и определения скорости диффузии на образец и на участок, как части некоторых успешных попыток процедуры и приложений. Процедура расчета возраста SIMS-SS разделена на два основных этапа. Первый этап касается расчета полинома подгонки 3-го порядка профиля SIMS (ур. 1). Второй этап касается определения слоя насыщения, т. е. его глубины и концентрации. Вся вычислительная обработка встроена в автономное программное обеспечение, созданное в программном пакете Matlab (версия 7.0.1) с графическим пользовательским интерфейсом и исполняемое под Windows XP. Таким образом, уравнение возраста SIMS-SS в годах до настоящего времени приведено в уравнении 2:

${\displaystyle c=e^{a+bx+cx^{2}+dx^{3}}}$
Ур. 1. Подгоночный полином профиля SIMS

${\displaystyle T={\frac {(C_{1}-C_{2})^{2}\left({\frac {1.128}{1-{\frac {0.177kC_{1}}{C_{2}}}}}\right)^{2}}{4Dse\!f\!\!f\left(\left.{\frac {\mathrm {d} C}{\mathrm {d} x}}\right|_{x=0}\right)^{2}}}}$
Уравнение 2. Уравнение возраста SIMS-SS в годах до настоящего момента

Где Ci — собственная концентрация воды, Cs — концентрация насыщения, dC/dx — коэффициент диффузии для глубины x=0, k выводится из семейства теоретических кривых диффузии Крэнка, а — эффективный коэффициент диффузии (ур. 3), который связывает обратный градиент подходящего полинома с хорошо датированными образцами: ${\displaystyle Ds,eff}$

D _s,eff = aD _s + b/ (10 ²² D _s ) = 8,051e ⁻⁶ D _s +0,999/(1022D _s ), Ур. 3

где Ds = (1/(dC/dx))10 ⁻¹¹ , предполагая постоянный поток и принимая его за единицу. Уравнение (2) и предположение о единице являются предметом дальнейшего исследования. ^[17]

Услуги по гидратации обсидиана предоставляют несколько коммерческих компаний и университетских лабораторий.

Смотрите также

• Методология датирования (археология)

Ссылки

Цитаты

1. Стивенсон, К.; Лирицис, И.; Диакостаматиу, М. (2002). «Исследования по датированию гидратации эгейского обсидиана». Средиземноморская археология и археометрия . 2 (1): 93–109.
2. Стивенсон, К.; Новак, С.В. (июль 2011 г.). «Датирование гидратации обсидиана методом инфракрасной спектроскопии: метод и калибровка». Журнал археологической науки . 38 (7): 1716–26. Bibcode : 2011JArSc..38.1716S. doi : 10.1016/j.jas.2011.03.003.
3. Мейган, Клемент (1976). «Эмпирическое определение скоростей гидратации обсидиана по археологическим данным». В RE Taylor (ред.). Достижения в исследованиях обсидианового стекла . стр. 106–19. ISBN 978-0-8155-5050-1.
4. Лирицис, Иоаннис и Стивенсон, Кристофер М. (2012). Обсидиан и старинные промышленные стекла . Альбукерке: Издательство Университета Нью-Мексико .
5. Фридман, Ирвинг; Роберт Л. Смит (1960). «Новый метод датирования с использованием обсидиана: Часть I, Развитие метода». American Antiquity . 25 : 476–522. doi :10.2307/276634. JSTOR  276634. S2CID  163403900.
6. Liritzis, I.; Diakostamatiou.M (2002). «К новому методу датирования гидратации обсидиана с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии с использованием подхода поверхностного слоя насыщения» (PDF) . Mediterranean Archaeology & Archaeometry . 2 (1): 3–20.
7. Ричипути, Л. Р.; Дж. М. Элам; Л. М. Ановиц; Д. Р. Коул (2002). «Датирование обсидиана методом диффузии методом масс-спектрометрии вторичных ионов: тест с использованием результатов из кургана 65, Чалко, Мексика». Журнал археологической науки . 29 (10): 1055–1075. Bibcode : 2002JArSc..29.1055R. doi : 10.1006/jasc.2001.0692.
8. Мейган, Клемент (1983). «Датирование обсидиана в Калифорнии». American Antiquity . 48 (3): 600–609. doi :10.2307/280567. JSTOR  280567. S2CID  163890591.
9. Anovitz, LM; Elam, M.; Riciputi, L.; Cole, D. (1999). «Неудача датирования обсидиана методом гидратации: источники, последствия и новые направления». Журнал археологической науки . 26 (7): 735–752. Bibcode : 1999JArSc..26..735A. doi : 10.1006/jasc.1998.0342.
10. . Ричипути, Л.Р.; М.Дж. Элам; Л.М. Ановиц; Д.Р. Коул (2002). «Журнал археологической науки 29 (2002) 1055–1075». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
11. "Домашняя страница SIMS-SS". Rhodes.aegean.gr. Архивировано из оригинала 2014-01-11 . Получено 2014-04-19 .
12. Смит, Дж. М.; Смит, Х. К. Ван Хесс (1987). «Введение в термодинамику химической инженерии», 4-е изд. McGraw-Hill, Нью-Йорк. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
13. Liritzis, I. (2010). «Строфилас (остров Андрос, Греция): новые доказательства кикладского финального неолита, датированные новыми методами люминесценции и гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 37 : 1367–1377. doi :10.1016/j.jas.2009.12.041.
14. Liritzis, I.; Bonini.M и Laskaris.N (2008). «Датирование гидратации обсидиана методом SIMS-SS: критерии пригодности поверхности с помощью атомно-силовой микроскопии». Анализ поверхности и интерфейса . 40 (3–4): 458–463. doi : 10.1002/sia.2672 .
15. Liritzis, I & Laskaris, N (2011). «Пятьдесят лет датирования обсидиана гидратацией в археологии». J. Non-Cryst. Solids . 357 (10): 211–219. Bibcode : 2011JNCS..357.2011L. doi : 10.1016/j.jnoncrysol.2011.02.048.
16. Brodkey.R & Liritzis.I (2004). «Датирование обсидиана: возможное применение для явлений переноса (учебник)». Mediterranean Archaeology & Archaeometry . 4 (2): 67–82.
17. "www.rhodes.aegean.gr/tms/sims-ss". Архивировано из оригинала 2014-01-11.

Общие ссылки

• Эмброуз, В.; Новак, С.В.; Абдельрехим, И. (2004). «Порошковый обсидиан для определения скорости гидратации и термометрии участка». Средиземноморская археология и археометрия . 4 (2): 17–31.
• Лирицис (2006). «SIMS-SS Новый метод датирования обсидиана по гидратации: анализ и теоретические принципы». Археометрия . 48 (3): 533–547. doi :10.1111/j.1475-4754.2006.00271.x.
• Роджерс, АК (2008). «Проверка полевых данных алгоритма для вычисления эффективной температуры гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 35 (2): 441–447. Bibcode : 2008JArSc..35..441R. doi : 10.1016/j.jas.2007.04.009.
• Eerkens, JW; Vaughn, KJ; Carpenter, TR; Conlee, CA; Linares Grados, Moises; Schreiber, K (2008). «Датирование обсидиана гидратацией на южном побережье Перу». Журнал археологической науки . 35 (8): 2231–2239. Bibcode : 2008JArSc..35.2231E. doi : 10.1016/j.jas.2008.02.009.
• Liritzis, I; Laskaris, N (2009). «Достижения в датировании гидратации обсидиана методом масс-спектрометрии вторичных ионов: мировые примеры». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, раздел B. 267 ( 1): 144–150. Bibcode : 2009NIMPB.267..144L. doi : 10.1016/j.nimb.2008.10.092.

Внешние ссылки

• Страница Службы национальных парков, описывающая гидратацию обсидиана