Датирование гидратации обсидиана ( OHD ) – это геохимический метод определения возраста артефакта из обсидиана в абсолютном или относительном выражении .
Обсидиан — это вулканическое стекло , которое использовалось доисторическими людьми в качестве сырья при производстве каменных инструментов, таких как метательные наконечники, ножи или другие режущие инструменты, путем раскалывания или контролируемого отламывания кусков, например, отслаивания под давлением.
Обсидиан обладает свойством минеральной гидратации и поглощает воду при воздействии воздуха с четко определенной скоростью. Когда необработанный узелок обсидиана первоначально раскалывается, в нем обычно содержится менее 1% воды. Со временем вода медленно диффундирует в артефакт, образуя узкую «полосу», «окантовку» или «корку», которую можно увидеть и измерить с помощью множества различных методов, таких как мощный микроскоп с увеличением 40–80 раз , профилирование глубины. с SIMS ( масс-спектрометрия вторичных ионов ) 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 его с образцами известного возраста (например, в результате радиоуглеродного датирования связанных материалов). ). [3] [4]
Датирование гидратации обсидиана было введено в 1960 году Ирвингом Фридманом и Робертом Смитом из Геологической службы США . [5] Их первоначальная работа была сосредоточена на обсидианах из археологических раскопок на западе Северной Америки.
Использование вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) для измерения датировки гидратации обсидиана было внедрено двумя независимыми исследовательскими группами в 2002 году. [6] [7]
Сегодня этот метод широко применяется археологами для датирования доисторических памятников и памятников доисторической эпохи в Калифорнии [8] и Большом бассейне Северной Америки. Он также применяется в Южной Америке, на Ближнем Востоке, на островах Тихого океана, включая Новую Зеландию и Средиземноморский бассейн.
Для измерения полосы гидратации от артефакта обычно вырезают небольшой кусочек материала. Этот образец измельчают до толщины примерно 30 микрометров и помещают на петрографическое предметное стекло (это называется шлиф). Затем гидратированную кожуру измеряют под мощным микроскопом , оснащенным каким-либо методом измерения расстояния, обычно в десятых долях микрометра. Техник измеряет микроскопическое количество воды, поглощенной только что поврежденными поверхностями. Принцип датирования гидратации обсидиана прост: чем дольше поверхность артефакта подвергается воздействию, тем толще будет полоса гидратации.
В случае измерения края гидратации с использованием способности профилирования глубины методом вторичной ионной масс-спектрометрии образец монтируется на держатель без какой-либо подготовки или резки. Этот метод измерения является неразрушающим. Существует два основных режима ВИМС: статический режим и динамический режим, в зависимости от плотности тока первичных ионов, а также три различных типа масс-спектрометров: магнитный сектор, квадруполь и времяпролетный (TOF). Любой масс-спектрометр может работать как в статическом режиме (очень низкий ионный ток, анализ верхнего моноатомного слоя), так и в динамическом режиме (высокая плотность ионного тока, углубленный анализ).
Хотя относительно нечастое использование SIMS при исследовании поверхности обсидиана привело к большому прогрессу в датировании OHD. В целом SIMS относится к четырем категориям инструментов в зависимости от их действия; статический, динамический, квадрупольный и времяпролетный, TOF. По сути, это метод с большим разрешением на множестве химических элементов и молекулярных структур практически неразрушающим способом. Подход к OHD с совершенно новым обоснованием предполагает, что усовершенствование метода возможно таким образом, чтобы улучшить как его точность, так и точность, а также потенциально расширить полезность за счет получения надежных хронологических данных. Ановиц и др. [9] представили модель, которая опиралась исключительно на диффузию, зависящую от состава, после численных решений (конечная разность (FD) или конечный элемент), разработанных на основе профиля H +, полученного с помощью SIMS. Последовало испытание модели с использованием результатов, полученных с горы 65, Чалко в Мексике, проведенной Ричипути и др. [10] В этом методе использовались численные расчеты для моделирования формирования всего диффузионного профиля в зависимости от времени и подгонка полученной кривой к водородному профилю. Уравнения ФД основаны на ряде предположений о поведении воды при ее диффузии в стекло и характерных точках диффузионного профиля ВИМС H+.
На острове Родос, Греция, под руководством и изобретением Иоанниса Лирициса [11] подход к датированию основан на моделировании S-образного профиля водорода с помощью SIMS, следовании закону диффузии Фика и понимании поверхностного слоя насыщения (см. Рисунок). . Фактически слой насыщения на поверхности формируется до определенной глубины в зависимости от факторов, к которым относятся кинетика механизма диффузии молекул воды, специфическая химическая структура обсидиана, а также внешние условия, влияющие на диффузию (температура, относительная влажность и давление). [12] В совокупности эти факторы приводят к образованию примерно 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 зависимость концентрации H 2 O от профиля глубины как уравнение диффузии/времени.
Таким образом, это последнее достижение, новая масс-спектрометрия вторичных ионов с насыщением поверхности (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 имеют было подтверждено и проверено с помощью атомно-силовой микроскопии . [13] [14] [15] [16]
Несколько факторов усложняют простую корреляцию толщины полос гидратации обсидиана с абсолютным возрастом. Известно, что температура ускоряет процесс гидратации. Таким образом, артефакты, подвергающиеся воздействию более высоких температур, например, находящиеся на более низкой высоте , гидратируются быстрее. Кроме того, химический состав обсидиана, включая содержание воды, по-видимому, влияет на скорость гидратации. Как только археолог сможет контролировать геохимические характеристики обсидиана (например, «источник») и температуру (обычно аппроксимированную с использованием «эффективной температуры гидратации» или коэффициента EHT), он или она сможет датировать артефакт, используя обсидиан. техника гидратации. Давление водяного пара также может влиять на скорость гидратации обсидиана. [9]
Надежность метода, основанного на эмпирическом уравнении возраста Фридмана ( x²=kt , где x — толщина гидратной каймы, k — коэффициент диффузии, а t — время), подвергается сомнению по нескольким причинам, касающимся температурной зависимости, квадратного корня из время и определение скорости диффузии на образец и на участок в рамках некоторых успешных попыток применения процедуры и приложений. Процедура расчета возраста SIMS-SS разделена на два основных этапа. Первый шаг касается расчета подгоночного полинома 3-го порядка профиля ВИМС (уравнение 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 дано в уравнении. 2:
уравнение 1 Подгоночный полином профиля ВИМС
уравнение 2 Уравнение возраста SIMS-SS в годах до настоящего времени
Где Ci — собственная концентрация воды, Cs — концентрация насыщения, dC/dx — коэффициент диффузии для глубины x=0, k получен из семейства теоретических диффузионных кривых Крэнка и является эффективным коэффициентом диффузии (уравнение: 3) который связывает обратный градиент полинома аппроксимации с хорошо датированными выборками:
где Ds = (1/(dC/dx))10 −11 , считая поток постоянным и принимаемым за единицу. Уравнение. (2) и предположение о единстве является предметом дальнейшего исследования. [17]
Несколько коммерческих компаний и университетских лабораторий предоставляют услуги по гидратации обсидиана.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )