Датирование гидратации обсидиана - Obsidian hydration dating

Датирование гидратации обсидиана (OHD) - это геохимический метод определения возраста артефакта из обсидиана в абсолютном или относительном выражении .

Обсидиан является вулканическим стеклом , которое использовалось доисторическими людьми в качестве исходного материала при изготовлении каменных орудий , таких как точки, метательных ножах или других режущих инструментах через knapping или разрывая куски в контролируемый образе, например, шелушение давления.

Обсидиан обладает свойством гидратации минералов и поглощает воду при контакте с воздухом с четко определенной скоростью. Когда необработанный узелок обсидиана первоначально раскалывается, 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 крат , профилирование глубины. с SIMS ( вторично-ионная масс-спектрометрия ) и IR-PAS (инфракрасная фотоакустическая спектроскопия). Чтобы использовать гидратацию обсидиана для абсолютного датирования, необходимо понять условия, в которых образец подвергался воздействию, и его происхождение или сравнить их с образцами известного возраста (например, в результате радиоуглеродного датирования связанных материалов).

История

Датирование гидратации обсидиана было введено в 1960 году Ирвингом Фридманом и Робертом Смитом из Геологической службы США . Их первоначальная работа была сосредоточена на обсидиане из археологических раскопок на западе Северной Америки.

Использование вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) для измерения датирования гидратации обсидиана было введено двумя независимыми исследовательскими группами в 2002 году.

Сегодня этот метод широко применяется археологами для определения возраста доисторических памятников и памятников доисторического периода в Калифорнии и Большом бассейне Северной Америки. Он также применялся в Южной Америке, на Ближнем Востоке, на островах Тихого океана, включая Новую Зеландию и в Средиземноморском бассейне.

Методы

Обычная процедура

Чтобы измерить полосу гидратации, обычно от артефакта вырезают небольшой кусочек материала. Этот образец измельчают до толщины около 30 микрометров и помещают на петрографическое предметное стекло (это называется тонким срезом). Затем влажность корки измеряется под мощным микроскопом, оснащенным каким-либо методом измерения расстояния, обычно в десятых долях микрометра. Техник измеряет микроскопическое количество воды, абсорбированной на только что сломанной поверхности. Принцип датирования гидратации обсидиана прост: чем дольше экспонируется поверхность артефакта, тем толще будет полоса гидратации.

Процедура масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС)

В случае измерения обода гидратации с использованием возможности профилирования по глубине метода вторичной ионной масс-спектрометрии образец устанавливается на держателе без какой-либо подготовки или резки. Этот метод измерения неразрушающий. Существует два основных режима ВИМС: статический режим и динамический режим, в зависимости от плотности первичного ионного тока, и три различных типа масс-спектрометров: магнитный сектор, 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).

Несмотря на то, что использование SIMS относительно нечасто при исследованиях обсидиановой поверхности, удалось добиться большого прогресса в датировании OHD. SIMS в целом относится к четырем категориям инструментов в зависимости от их действия; статические, динамические, квадрупольные и времяпролетные, TOF. По сути, это метод с большим разрешением на множестве химических элементов и молекулярных структур практически неразрушающим образом. Подход к OHD с совершенно новым обоснованием предполагает, что усовершенствование метода возможно таким образом, чтобы улучшить как его точность, так и точность, и потенциально расширить полезность за счет создания надежных хронологических данных. Anovitz et al. представили модель, основанную исключительно на зависимой от состава диффузии, после численных решений (конечных разностей (FD) или конечных элементов), уточняющих профиль H +, полученный с помощью SIMS. Тестирование модели с использованием результатов с горы 65, Чалко в Мексике, проведенное Riciputi et al. В этом методе использовались численные расчеты для моделирования формирования всего диффузионного профиля как функции времени и подгонка полученной кривой к профилю водорода. Уравнения FD основаны на ряде предположений о поведении воды при ее диффузии в стекло и характерных точках профиля диффузии SIMS H +.

На Родосе, Греция, под руководством и изобретением Иоанниса Лиритциса метод датирования основан на моделировании S-образного профиля водорода с помощью SIMS, в соответствии с законом диффузии Фика и понимании 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 (температура, относительная влажность). влажность и давление). Вместе эти факторы приводят к образованию приблизительно постоянного граничного значения 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 в виде уравнения диффузия / время.

Это последнее достижение, новая масс-спектрометрия вторичных ионов - поверхностное насыщение (SIMS-SS), таким образом, 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 были подтверждены и контролировались с помощью атомно-силовой микроскопии .

Ограничения

Несколько факторов усложняют простую корреляцию толщины обсидиановой полосы гидратации с абсолютным возрастом. Известно, что температура ускоряет процесс гидратации. Таким образом, артефакты, подвергшиеся воздействию более высоких температур, например, находясь на более низкой высоте , кажется, гидратируются быстрее. Кроме того, химический состав обсидиана, включая внутреннее содержание воды, похоже, влияет на скорость гидратации. После того, как археолог сможет контролировать геохимическую сигнатуру обсидиана (например, «источник») и температуру (обычно приближенную с использованием «эффективной температуры гидратации» или коэффициента EHT), он или она сможет датировать артефакт с помощью обсидиана. техника гидратации. Давление водяного пара также может влиять на скорость гидратации обсидиана.

Надежность метода, основанного на эмпирическом уравнении возраста Фридмана ( x² = kt , где x - толщина края гидратации, k - коэффициент диффузии, t - время), ставится под сомнение по нескольким причинам, касающимся температурной зависимости, квадратного корня из время и определение скорости диффузии на образец и на сайт, за исключением некоторых успешных попыток процедуры и приложений. Процедура расчета возраста SIMS-SS разделена на два основных этапа. Первый шаг касается вычисления подгоночного полинома 3-го порядка профиля SIMS (уравнение 1). Второй этап касается определения слоя насыщения, то есть 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 исполняемым файлом 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 выводится из семейства теоретических кривых диффузии Крэнка и представляет собой эффективный коэффициент диффузии (ур. 3), который связывает обратный градиент аппроксимирующего полинома с хорошо датированными образцами:

D s, eff = aD s + b / (10 22 D s ) = 8,051e -6 D s + 0,999 / (1022D s ), уравнение. 3

где Ds = (1 / (dC / dx)) 10 −11 в предположении постоянного потока и принятом за единицу. Экв. (2) и предположение о единстве являются предметом дальнейшего исследования.

Несколько коммерческих компаний и университетских лабораторий предоставляют услуги гидратации обсидиана.

Смотрите также

использованная литература

Цитаты

Общие ссылки

  • Амвросий, W .; Новак, SW; Абдельрехим, И. (2004). «Порошок обсидиана для определения скорости гидратации и термометрии участка». Средиземноморская археология и археометрия . 4 (2): 17–31.
  • Лирицис (2006). «SIMS-SS Новый метод датирования гидратации обсидиана: анализ и теоретические основы». Археометрия . 48 (3): 533–547. DOI : 10.1111 / j.1475-4754.2006.00271.x .
  • Роджерс, АК (2008). «Проверка полевых данных алгоритма расчета эффективной температуры гидратации обсидиана». Журнал археологической науки . 35 (2): 441–447. DOI : 10.1016 / j.jas.2007.04.009 .
  • Eerkens, JW; Вон, KJ; Карпентер, TR; Конли, Калифорния; Линарес Градос, Мойзес; Шрайбер, К. (2008). «Обсидиановое обследование гидратации на южном побережье Перу». Журнал археологической науки . 35 (8): 2231–2239. DOI : 10.1016 / j.jas.2008.02.009 .
  • Лирицис, я; Ласкарис, Н. (2009). «Достижения в датировании гидратации обсидиана методом вторичной ионной масс-спектрометрии: мировые примеры. Nucl. Instrum. Methods In». Физические исследования B . 267 : 144–150. DOI : 10.1016 / j.nimb.2008.10.092 .

внешние ссылки