M.Gligor_Apulum_XLV_ Termoluminiscenta
Transcription
M.Gligor_Apulum_XLV_ Termoluminiscenta
DATAREA PRIN LUMINISCENŢĂ STIMULATĂ TERMIC (TL) ŞI OPTIC (OSL). APLICAŢII ÎN ARHEOLOGIE Istoricul metodei Empiric, fenomenul de termoluminiscenţă este cunoscut încă din 1663, când Sir Robert Boyle descria cum un diamant în obscuritate, încălzit în contact cu corpul uman, emite o licărire slabă. Acest fenomen a fost numit luminiscenţă, mai exact termoluminiscenţă, datorită faptului că încălzirea era factorul care declanşa apariţia fenomenului. Însăşi descoperirea fenomenului de radioactivitate este legată de un fenomen similar, numit fotoluminiscenţă (fluorescenţă) când emisia de lumină este datorată radiaţiilor nucleare ce cad asupra corpului emiţător, emisia fiind în acest caz instantanee. Se poate spune deci că luminiscenţa provocată termic este un fel de fluorescenţă care se acumulează în timp sub acţiunea radiaţiilor şi este emisă doar în momentul încălzirii corpului. Luminescenţa stimulată termic (TL) s-a dezvoltat ca ramură a fizicii corpului solid, după inventarea fotomultiplicatorului (1940). Prima lucrare ce examinează posibilităţile de aplicare a fenomemului de TL în arheologie şi geologie datează din 19531. Ea se referea atât la posibilitatea datării rocilor vulcanice, cât şi la cea a ceramicii, bazându-se pe faptul că, în momentul arderii artefactelor, respectiv a consolidării rocilor, semnalul luminiscent este adus la zero. Prin urmare, vârsta obţinută prin metode luminiscente în cazul ceramicilor este momentul confecţionării artefactului. Dezvoltarea metodei datării prin termoluminiscenţă a luat amploare în anii ‘60-‘70 ai secolului trecut, fiind aplicată la datarea ceramicii antice de către mai mulţi cercetători2. În anii ‘80, o echipă condusă de D. J. Huntley3 a descoperit că, pe lângă posibilitatea stimulării pe cale termică a semnalului luminiscent, în aplicaţiile de datare se poate utiliza şi stimularea optică (expunerea materialul la lumina de o anumită lungime de undă). Metoda de datare prin stimulare optică este preferată în cazul datării sedimentelor. În 1968, un congres special desfăşurat la Spoletto4 este consacrat stadiului cercetărilor la acea dată (teoretice şi experimentale) şi discutării numeroaselor tentative de aplicare în: dozimetrie, geocronologie, arheologie, paleoclimatologie, 1 Daniels et alii 1953, p. 943-949. Aitken et alii 1964, p. 1032-1033; 1968, p 29-52; Fleming 1970, p. 133-145; Zimmerman 1971, p. 29-52; Mejdahl 1969, p. 99-104. 3 Huntley et alii 1985, p. 343-349. 4 McDougal, 1968. 2 580 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara alterarea rocilor, studiul meteoriţilor şi al lunii etc. Arheologia s-a arătat de la început foarte interesată, datorită posibilităţii metodei de a exinde datarea dincolo de limita de aplicabilitate a C14 (40.000 de ani), deci a posibilităţii de a aborda istoria timpurie a umanităţii. Această posibilitate este legată în special de dezvoltarea metodelor de stimulare optică a fenomenului de luminiscenţă (OSL) – Optical Stimulated Luminescence. În ultimii ani, metoda de datare prin luminiscenţă a suferit mai multe îmbunătăţiri, ce ţin de perfecţionarea aparaturii de citire a semnalului luminiscent, precum şi de procedurile de măsurare5. Stimularea optică a luminiscenţei este aplicată cu succes şi la datarea materialului la care resetarea semnalului s-a făcut prin încălzire, cum ar fi ceramica6. Descrierea metodei Metoda datării prin luminiscenţă se bazează pe proprietăţile anumitor minerale de a stoca energia radiaţiilor nucleare. Un fond radioactiv este omniprezent în natură, şi cu cât aceste minerale sunt expuse pentru un timp mai îndelungat, cu atât stochează mai multă energie. Prin stimulare (termică sau optică), o parte din această energie poate fi eliberată sub formă de emisie fotonică, fenomenul numindu-se luminiscenţă. Intensitatea acestui semnal luminiscent este proporţională cu doza de radiaţie acumulată şi, presupunând existenţa unui flux radioactiv constant în natură, avem implicit o proporţionalitate şi cu timpul de achiziţie. Există două variante ale datării prin luminiscenţă, în funcţie de agentul de stimulare: termoluminiscenţa (TL) şi luminiscenţa stimulată optic (OSL). În toate cazurile, informaţia latentă este reprezentată de electronii capturaţi în capcane (nivele localizate în gap-ul mineralului semiconductor sau izolator). Aceşti electroni sunt eliberaţi în urma interacţiunii radiaţiilor nucleare cu cristalul în cauză, iar numărul lor este proporţional cu doza absorbită. Determinând debitul dozei, poate fi astfel calculată o vârstă. Momentul ce este datat este un moment de zero, când are loc resetarea acestei informaţii. În cazul ceramicii, acest moment este reprezentat de arderea vasului, etapă distinctă în procesul de confecţionare. Din cele expuse anterior rezultă că, teoretic, datarea prin luminiscenţă este relativ simplă, putându-se rezuma astfel: Vârsta (arheologică) = Doza arheologică / Doza anuală Doza arheologică reprezintă cantitatea de energie stocată în unitatea de masă în decursul timpului, într-un cristal, prin dezintegrarea elementelor în mediul său, iar doza anuală este cantitatea de energie absorbită anual de către aceasta (considerată a fi egală cu doza de radiaţii emise de unitatea de masă de 5 6 Bøtter-Jensen et alii 2003, p. 355. Takano et alii 2003, p. 365-368; Lamothe 2004, p. 659-667; Benea et alii 2007, p. 9-16. Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 581 material din mediul înconjurător). Mineralele cel mai des folosite în datarea prin luminiscenţă sunt cuarţul, feldspaţii, fluorura naturală de calciu, dar posibilitatea utilizării zirconiului, rocilor vulcanice şi calcarelor a fost de asemenea demonstrată. Limitele aproximative de vârstă ale unora dintre materialele folosite în datarea prin termoluminiscenţă sunt: cuarţ (50-100.000 ani); feldspat (500500.000 ani); calcit (10.000-500.000 ani sau chiar 1 milion de ani); silex ars/ piatră arsă (5000-500.000 ani). În general, datarea prin luminiscenţă se aplică materialelor care au fost arse la temperaturi ridicate (> 5000 C), cum sunt: ceramica, vetrele, cărămida, porţelanul, pietrele arse, silexul ars, mulajele din lut pentru artefactele metalice, care conţin în interior cristale de cuarţ provenite din formele în care au fost turnate şi care au fost încălzite cu acestea de către metalul topit. Avantajul datării prin luminiscenţă faţă de metoda C14 este acela că nu necesită probe organice (lemn, plante, dinţi, os etc.), iar limita de datare este mult mai mare, mergând până la 1 milion de ani sau chiar mai mult. Vârste de sute de mii de ani se pot determina cu precizie bună, de 5-10 %7. Pentru datarea ceramicii cu o vechime de 5000 de ani, metoda termoluminiscenţei dă rezultate comparabile favorabil cu radiocarbonul şi, în plus, are avantajul că este mai puţin costisitoare, materialul datat fiind mai strâns legat de activitatea umană. Pentru perioade mai vechi de 15.000 de ani şi, în special, dincolo de limita radiocarbonului (cca 50.000 ani), termoluminiscenţa este în mod cert singura metodă folositoare. În prezent, în lume funcţionează aproximativ 350 de laboratoare care aplică metoda luminiscenţei la datări absolute în arheologie, dar şi în geologie sau mediu, pentru datarea loessuri-lor, clarificarea unor divergenţe legate de dunele de nisip, loessuri, sedimente fluviale, zone aride8, sedimente marine arctice sau pentru testarea şi autentificarea operelor de artă9. În România, metoda datării luminiscente a fost aplicată prima dată pentru datarea stalagmitelor din peşteri10, în cadrul Institutului de Fizică şi Inginerie Nucleară “Horia Hulubei”. Dezvoltarea în laborator a acestei metode a fost abandonată la IFIN-HH, însă a fost reconsiderată de Laboratorul de Radioactivitatea Mediului din cadrul Universităţii “Babeş-Bolyai” din Cluj-Napoca, prin abordarea problematicii de datare pe ceramici şi loess11. Dacă primele încercări au fost făcute cu ajutorul unei instalaţii TL destinată studiilor de dozimetrie medicală, primită ca donaţie, în momentul de faţă acest laborator dispune de o 7 Martini, Sibilia 2001, p. 241-246. Madsen et alii 2005, p. 251-268. 9 Wintle 2008, p. 276-312. 10 Labau et alii 1996, p. 29-34. 11 Cosma et alii 2006, p. 987-990. 8 582 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara instalaţie modernă de datare, ultima generaţie, primită de curând (TL/OSL-20D). În arheologie, metoda termoluminiscenţei şi-a adus o contribuţie remarcabilă la stabilirea cronologiilor absolute în cazul ceramicii aparţinând culturii Gaudo12 din situl “La Trinità” (Italia), culturii Jomon13 (Japonia), culturii Valdivia14 (Ecuador), culturii Jiahnu15 (China), caz în care, prin metoda termoluminiscenţei, s-a demonstrat că ceramica a început să fie produsă încă din prima jumătate a mileniului 7 a. Chr., a ceramicii descoperită în siturile: Hard-water Road în Northamptonshire şi Hayton în East Yorkshire16 (Marea Britanie), Datca-Burgaz, Mugla17 (Turcia), în Orientul Mijlociu (Iran şi Levant), Italia, Danemarca, Peru, Thailanda18 şi exemplele pot continua. Acurateţea datelor obţinute prin metoda luminiscenţei depinde în mare măsură de modalităţile de prelevare şi păstrare a eşantioanelor de datat, fapt pentru care colaborarea dintre arheologi şi specialiştii în ştiinţe exacte (fizicieni, geologi) este esenţială19. În cazul datării materialelor arheologice se impune cunoaşterea cu exactitate a locului şi poziţiei probei de datat, precum şi a gradului de umiditate şi de omogenitate a solului care înconjoară eşantionul. Fig. 1. - Condiţiile de prelevare corectă a probelor supuse datării prin metoda luminiscenţei [după Aitken 1990, p. 154]. 12 Vartanian et alii 2001, p. 421-434. Roberts 1997, p. 819-892. 14 Martini, Sibilia 2001, p. 241-246. 15 Yang et alii 2005, 1045-1051. 16 Zacharias et alii 2005, p. 49-57. 17 Oke, Yurdatapan 2000, p. 115-119. 18 Roberts 1997, p. 819-892. 19 Aitken 1990, p. 141-186. 13 Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 583 Pentru estimarea omogenităţii terenului din jurul probei de datat, în vederea măsurării radioactivităţii, se impune prelevarea de eşantioane de sol din diferite puncte, într-o sferă cu raza de 30 până la 50 cm (fig. 1), care sunt analizate apoi în laborator prin metode precum activarea cu neutroni, spectrometria alfa etc. Dacă se are în vedere măsurarea dozelor de iradiere datorate mediului, prin plasarea de dozimetre în locul şi coordonatele exacte ale probei de datat, este important ca acest lucru să se facă înainte ca mediul (sau săpătura arheologică) să fi fost perturbat prin eşantionaj20. Odată prelevate, eşantioanele de sol şi probele de datat trebuie păstrate în pungi de plastic negre, bine închise, departe de orice sursă de căldură sau de radiaţii. Pentru corectitudinea datărilor, se recomandă ca din fiecare nivel arheologic să se preleveze un număr de 6 până la 12 probe reprezentative. Dimensiunea minimă acceptată a probelor de datat este de 1 cm grosime şi 3 cm lăţime21. Aplicaţii ale TL în cercetarea arheologică În lucrarea de faţă ne propunem să prezentăm modalitatea de implementare a metodei de datare prin luminiscenţă în scopul îmbunătăţirii palierului de cronologie absolută a sitului arheologic de la Alba Iulia-Lumea Nouă. La determinarea dozei echivalente (De) s-au folosit trei tehnici (protocoale) diferite care aparţin de metoda de datare prin luminiscenţă: (1) Tehnica multialicotă (multiple-aliquot additive-dose technique - MAAD); (2) Tehnica unialicotă (protocolul SAR – single aliquot regeneration), aplicând stimularea în albastru; (3) Tehnica uni-alicotă (SAR), aplicând stimularea în infraroşu (IRSL). Pentru determinarea dozei anuale, concentraţia de U şi Th din probele de ceramică a fost determinată prin metoda analizei prin activare cu neutroni, iar pentru concentraţia de K s-a utilizat metoda flamfotometriei. Doza gama provenită din mediul înconjurător a fost determinată prin spectrometrie gama, analizând solul recoltat din jurul probelor. Contextul arheologic Probele ceramice supuse studiului provin din cunoscuta aşezare neolitică de la Alba Iulia-Lumea Nouă22. Fragmentele ceramice prelevate pentru datarea prin metoda luminiscenţei au fost descoperite în Sp. III/200523. Stratigrafia identificată pe profilul nordic este următoarea: 0 - 0,50 (0,70) m – strat negricios cu materiale izolate în poziţie secundară, ce este considerat ca strat de umplutură, depunere antropică, posibil contemporană; 0,50 (0,70) - 0,80 (0,90) m – strat negru, granulos, pigmentat, aparţinând culturii Petreşti; 0,80 20 Văsaru, Cosma 1998, p. 171-195. Aitken 1990, p. 141-186. 22 Gligor 2007c, p. 161-178. 23 Gligor et alii 2005-2006, p. 162-163. 21 584 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara (0,90) m - 1,00 (1,10) m – strat cenuşiu, pigmentat, aparţinând grupului Foeni; 1,00 (1,10) m - 1,70 m – strat cafeniu lutos cu materiale vinčiene (faza B) şi ceramică pictată de tip Lumea Nouă; 1,75 - 1,80 m – steril galben lutos, pe alocuri nisipos cu concreţiuni calcaroase (fig. 2a). Menţionăm faptul că, pe zona unde s-a efectuat săpătura, există o pantă cu o diferenţă de nivel de aproximativ 0,20 - 0,25 m, pe direcţia nord-sud – est-vest. Probele ceramice au fost recoltate din stratul de culturǎ aparţinând grupului Foeni, la momentul prelevării probelor nefiind surprins încă nici un complex arheologic, cercetarea fiind în plină desfăşurare. Fig. 2a. - Alba Iulia-Lumea Nouă ( Sp. III/2005-Caroul A). Profil stratigrafic. Descrierea materialului ceramic (Fig. 2b) Proba A1 - fragment ceramic, ceramică portocalie, ardere oxidantă. Proba V1 - fragment toartă de formă circulară, cu perforaţie orizontală, ceramică portocalie, ardere oxidantă. Proba V2 - fragment castron bitronconic, ceramică neagră, ardere reducătoare. Proba V3 - fragment ceramic, ceramică portocaliucărămizie, ardere oxidantă. Pentru toate fragmentele în discuţie s-a utilizat la confecţionare, ca şi degresant, nisipul cu bobul potrivit, rezultând o ceramică ce poate fi încadrată în categoria semifină. Prepararea probelor Probele de ceramică au fost prelucrate în camera obscură. De la suprafaţa fiecărui fragment de ceramică s-au îndepărtat 2 mm din material, în scopul Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 585 eliminării contribuţiei radiaţiei β si α, proces urmat de zdrobirea atentă în mojar. Pentru omiterea substanţelor organice şi a carbonaţilor din materialul ceramic, s-a folosit H2O2 şi HCl de 10 %. Prima separare a granulelor s-a făcut prin cernere, utilizând site cu diametrul ochiului cuprins între 63 µm şi 125 µm. Granulele fine cuprinse între 4-11 µm au fost separate din granulele mai mici de 63 µm utilizând procedura standard24. Nr. Categoria Date Fotografie probă ceramică stratigrafice A1 V1 V2 V3 semifină Sp. III/2005 Carou A Adâncime 0,80 - 0,90m semifină Sp. III/2005 Carou A Adâncime 0,80 - 0,90m semifină Sp. III/2005 Carou A Adâncime 0,80 - 0,90m semifină Sp. III/2005 Carou A Adâncime 0,80 - 0,90m Fig. 2b. - Tabel cu probele ceramice A1, V1-V3 şi contextul arheologic. Granulele mari cuprinse între 90-125 µm au fost separate prin cernere uscată, utilizând site corespunzatoare. Separarea granulelor de cuarţ cu dimensiuni cuprinse în intervalul 90-125 µm s-a făcut utilizând lichide cu densitate cuprinsă între 2.62-2.75 g/cm3 şi continuând cu decaparea timp de 40 minute în acid HF de 40 %. Pentru a fi pregătite în vederea măsurătorilor, granulele fine au fost depuse prin decantare în acetonă, pe discuri de aluminiu, iar granulele de cuarţ au fost fixate pe discuri de oţel inoxidabil, utilizând un strat de silicon. 24 Zimmerman 1971, p. 29-52; Frechen et alii 1996, p. 15-17. C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara 586 Aparatura utilizată Toate măsurătorile de luminiscenţă s-au efectuat utilizând aparatura automatizată Risø TL/OSL. Semnalul TL de la granulele fine a fost înregistrat până la temperatura de 500o C, folosind o viteză controlată de încălzire de 5° C/s într-o atmosferă de azot pur. Emisia a fost detectată utilizând combinaţia de filtre HA-3 şi CN7-59. a) TL semnal (inpuls x 104) 6 NTL+59.79Gy NTL+44.84Gy NTL+29.90Gy NTL+14.95Gy NTL 4 2 0 200 b) 250 300 350 400 Temperatura (°C) 450 250 300 350 400 Temperatura (°C) 450 25 20 De (Gy) 15 10 5 0 200 TL-semnal (inpuls x 104) c) 20 120 80 40 0 20 40 60 80 Doza aditiva (Gy) Fig. 3. - (a) Datele TL pentru proba de ceramică A1; (b) curbele de strălucire TL; (c) intervalul selectat de pe platoul test, prima şi a doua curbă de creştere. Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 587 Granulele de cuarţ au fost stimulate folosind o diodă cu emisie în albastru (470±30 nm) şi filtrul Hoya U-340, de grosime 7,5 mm. Granulele fine au fost măsurate utilizând stimularea în infraroşu (875 nm), prin combinaţia de filtre BG-39, CN7-59 şi GG-400. Detalii asupra aparaturii utilizate pot fi găsite în literatura de specialitate25. Corectia de sensibilitate OSL Procedura TL utilizând granule fine La determinarea dozei echivalente (De) s-a utilizat procedura dozeiaditive multi-alicotă. Pentru fiecare probă au fost folosite câte 48 de alicote, dintre care 24 au fost folosite pentru determinarea semnalului TL natural, restul de 24 de alicote rămase s-au folosit la ridicarea curbei de creştere, în acest scop fiind împărţite în 4 grupe a câte 6 alicote. La fiecare grup a fost administrată o doză aditivă. După administrarea dozei aditive, toate alicotele au fost păstrate timp de 4 săptămâni la temperatura camerei. Corecţia de supraliniaritate s-a făcut ridicând a doua curbă de creştere după prima citire şi prin administrarea acelor doze aditive ca şi în primul caz. Doza echivalentă a fost determinată utilizând intervalul de pe testul platou26. Pentru fitarea curbelor de creştere s-a folosit o funcţie exponenţială. Doza echivalentă şi corecţia de supraliniaritate s-au determinat prin extrapolare. Curbele de strălucire TL obţinute de la proba de ceramica A1 sunt prezentate în Fig. 3a. Tot în această figură sunt redate, de asemenea, platoul test (Fig. 3b), precum şi curbele de creştere pentru determinarea De şi a corecţiei de supraliniaritate (Fig. 3c). Rezultatele dozei echivalente utilizând semnalul TL în cazul granulelor fine sunt prezentate, pentru fiecare probă, în Tabelul 3. 6 L0/T0 4 2 De 0 0 10 20 30 40 50 Doza de iradiere (Gy) Fig. 4. - Curba de creştere OSL pentru proba V1. 25 26 Bøtter-Jensen et alii 2003, p. 535-541. Aitken 1985, p. 359. C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara 588 Procedura OSL utilizând granule de cuarţ Granulele de cuarţ au fost stimulate cu lumina albastră timp de 40 s la 125° C şi, pentru determinarea dozei echivalente, s-a utilizat protocolul unialicota27. Toate probele s-au comportat bine în protocolul SAR-OSL, unde testul de reciclare este aproape de unitate, iar testul de recuperare este mai mic cu câteva procente faţă de semnalul natural corectat. Curba de creştere a semnalului OSL faţă de doză a fost aproximată cu o singură funcţie exponenţială de saturaţie. Fig. 4 reprezintă curba de creştere OSL pentru proba V1. Pentru proba V3, dependenţa dozei măsurate de temperatura de preîncălzire a fost studiată complet aplicând testul de recuperare28. Ştergerea informaţiei de pe alicote (bleaching) s-a făcut de două ori, utilizând lumina albastră timp de 250 s, la temperatura camerei, cu un interval de 10 ks între cele două proceduri. Doza administrată a fost aproape de doza echivalentă aşteptată, iar pentru citirea ei s-a aplicat protocolul SAR. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 5. Se poate observa că, din intervalul de temperatură de preîncălzire 180-240° C, cea mai potrivită valoare pentru aplicarea protocolului este cea de 240° C, unde raportul dintre doza măsurată şi cea administrată este de 1.10±0.08, fiind acceptabil. De asemenea, testul de recuperare s-a aplicat şi pentru probele A1, V2, V3, utilizând numai temperatura de preîncalzire timp de 10 s la 240° C. Doza mãsuratã / Doza administratã 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,0 180°C 210°C 225°C 240°C Temperatura de preîncãlzire Co Fig. 5. - Testul de recuperare faţă de temperatura de preîncălzire pentru proba V1. Setul complet de rezultate obţinute la această temperatură este reprezentat în Fig. 6a şi Fig. 6b. 27 28 Murray, Wintle 2000, p. 57-73; 2003, p. 377-381. Murray, Wintle 2003, p. 377-381. Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic Doza mãsuratã / Doza administratã a) 589 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,0 A1 V1 V2 V3 Rata de reciclare b) 1,4 2,0 1,2 1,5 1,0 1,0 0,8 0,5 Recuperare (%NOSL) Proba 0,6 0,0 0,0 A1 V1 V2 V3 Proba Fig. 6. - (a) Testul dozei recuperare pentru toate probele la temperatura de preîncalzire de 10 s la 240° C şi un cutheat la 160° C; (b) testul de reciclare şi recuperare. Pentru toate probele, doza administrată poate fi recuperată în intervalul de 10 % şi media raportului dintre doza administrată şi cea recuperată este de 1.03±0.04. În funcţie de aceste rezultate, pentru determinarea dozei echivalente la utilizarea semnalul OSL şi a protocolului SAR s-a ales temperatura de preîncălzire de 10 s la 240° C şi un cutheat la 160° C pentru toate probele. Rezultatele pentru De sunt prezentate în Tabelul 3. Procedura IRSL utilizând granule fine polimineral Alicotele de granule fine poliminerale au fost stimulate în infrarosu timp de 100 s la 40° C, iar măsurătorile au urmat secvenţele protocolului SAR C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara 590 dezvoltat pentru cuarţ. În cazul testului de recuperare, precum şi în cazul dozei test s-a folosit aceeaşi temperatură de preîncălzire, deoarece aceasta creşte reproductibilitatea măsurătorilor luminiscente29. Toate probele s-au comportat bine în protocolul SAR-IRSL, unde testul de reciclare este aproape de unitate, iar testul de recuperare este mai mic cu câteva % faţă de semnalul natural corectat. Curba de creştere a semnalului IRSL faţă de doză a fost aproximată cu o singura funcţie exponenţială de saturaţie. Fig. 7 reprezintă curba de creştere IRSL pentru proba A1. Corectia de sensibilitate IRSL 6,0 4,5 L0/T0 3,0 1,5 De 0,0 0 10 20 30 40 50 60 Doza de iradiere (Gy) Fig. 7. - Curba de creştere IRSL pentru proba A1. Doza mãsuratã / Doza administratã 1,4 1,2 1,0 0,8 0,0 10s @ 220°C 30s @ 220°C 60s @ 220°C Temperatura de preîncãlzire Co Fig. 8. - Testul de recuperare faţă de temperatura de preîncălzire pentru proba A1. Primele experimente au constat în măsurarea dependenţei recuperării dozei cunoscute în funcţie de o preîncălzire strictă. Toate aceste măsurători au 29 Blair et alii 2005, p. 361-374. Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 591 fost făcute utilizând proba A1. La trei grupuri formate din câteva alicote, după ce au fost expuse timp de o oră în simulatorul solar (Hönle SOL 2) pentru ştergerea informaţiei (bleached), li s-au administrat doze aproximativ egale cu doza naturală. După administrarea dozei, alicotele au fost măsurate folosind protocolul SAR şi pentru fiecare grup s-a folosit un timp diferit de expunere (10 s, 30 s şi 60 s), pentru o temperatură de preîncalzire de 220° C. Rezultatele sunt prezentate în Fig. 8. Doza mãsuratã / Doza administratã a) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,0 A1 V1 V2 V3 Proba b) 1,4 9,0 Rata de reciclare 6,0 1,0 4,5 3,0 0,8 1,5 0,6 0,0 Recuperare (%NIRSL) 7,5 1,2 0,0 A1 V1 V2 V3 Proba Fig. 9. - (a) Testul dozei recuperate pentru toate probele la temperatura de preîncălzire de 10 s la 220° C; (b) testul de reciclare şi recuperare. Doza măsurată este aproximativ egală cu doza administrată şi arată că nu există o dependenţă faţă de temperatura de preîncălzire. Pentru celelalte trei probe, testul dozei recuperate a fost făcut utilizând numai o temperatură de preîncălzire de 220° C, timp de 10 s. Testul dozei recuperate pentru toate probele la această C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara 592 temperatură de preîncălzire este prezentat în Fig. 9a. În limita erorilor, raportul dintre doza administrată şi doza recuperată este aproximativ egal cu unitatea. Pentru toate probele, doza administrată poate fi recuperată în intervalul de 2 % (Fig. 9b) şi media raportului dintre doza administrată şi cea recuperată este 1.06±0.02. Pentru determinarea De s-a folosit temperatura de preîncălzire de 220° C timp de 10 s, iar în cazul dozelor regenerate, precum şi în cazul dozei test rezultatele sunt reprezentate în Tabelul 3. Determinarea dozei anuale Pentru determinarea concentraţiei nuclizilor radioactivi naturali din fragmentele ceramice s-a dezvoltat metoda standardizării zirconiului30, iar pentru concentratia de K s-a utilizat metoda flamfotometriei. Doza gama provenită din mediul înconjurător a fost determinată prin spectrometrie gama, analizând solul recoltat din împrejurimea probelor31. Cunoscând concentraţia nuclizilor radioactivi naturali, doza anuală a fost calculată utilizând factori de conversie32. Contribuţia radiaţiei cosmice a fost calculată luând în considerare adâncimea de la care au fost prelevate probele, precum şi în funcţie de coordonatele geografice33. Pentru granulele poliminerale fine s-a considerat valoarea de 0.10±0.05 pentru eficacitatea radiaţiei alfa, deoarece radiaţia alfa are o eficacitate mai redusă în stimularea luminiscenţei. Factorul de atenuare pentru radiaţia beta în cazul granulelor de cuarţ (90-125 µm) a fost considerat 0.92±0.05, conform calcululelor făcute de Mejdahl34. Conţinutul de apă la saturaţie35 (W-value) a fost determinat în laborator pentru fiecare fragment ceramic, iar pentru umiditatea relativă de-a lungul timpului a fost considerată valoarea de 80 %. Datele cuprinzând informaţia despre doza anuală sunt trecute în Tabelul 2. Tabelul 2: Concentraţia U, Th şi K din probele de ceramică şi doza anuală calculată în funcţie de granulaţie. Proba A1 V1 V2 V3 30 238 U(ppm) 2.47±0.06 2.45±0.05 1.89±0.05 2.53±0.06 232 Th(ppm) 10.45±0.26 11.44±1.32 10.15±0.25 11.75±0.29 40 K(%) 2.25±0.01 2.27±0.03 1.87±0.03 1.68±0.02 Debitul Debitul dozei dozei 90-125 4-11 µm W µm Q (Gy PFG ka-1) (Gy ka-1) 0.13 3.14±0.02 4.36±0.02 0.19 3.09±0.03 4.29±0.02 0.11 2.87±0.03 3.95±0.02 0.14 2.81±0.02 4.06±0.02 De Corte 1987, p. 464. Hossain et alii 2002, p. 598-613; Vandenberghe 2004, p. 358. 32 Adamiec, Aitken 1998, p. 37-50. 33 Prescott, Hutton 1994, p. 497-500. 34 Mejdahl 1979, p. 61-72. 35 Aitken 1985, p. 359. 31 Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 593 Vârsta obţinută prin luminiscenţă Prezenţa fading-ului anormal la emisia IRSL de 410 nm precum şi la emisia TL în albastru subestimează vârsta reală a probei. Pentru corectarea rezultatelor SAR-IRSL faţă de fading am aplicat procedura de corecţie propusă de Huntley şi Lamothe36. Vârstele obţinute aplicând procedurile TL, OSL şi IRSL sunt menţionate în Tabelul 3 şi reprezentate grafic în Fig. 10. Tabelul 3 Pro -ba A1 V1 V2 V3 36 Metoda Fracţiune de minerală măsurare TL MAAD OSL SAR IRSL SAR TL MAAD OSL SAR IRSL SAR TL MAAD OSL SAR IRSL SAR TL MAAD OSL SAR IRSL SAR 4 – 11 µm PFG 90 – 125 µm Q 4 - 11µm PFG 4 - 11µm PFG 90 – 125 µm Q 4 – 11 µm PFG 4 – 11 µm PFG 90 – 125 µm Q 4 – 11 µm PFG 4 – 11 µm PFG 90 – 125 µm Q 4–1 1µm PFG Doza anuală (Gy/ka) 4.36±0.0 2 3.14±0.0 2 4.36±0.0 2 4.29±0.0 2 3.09±0.0 3 4.29±0.0 2 3.95±0.0 2 2.87±0.0 3 3.95±0.0 2 4.06±0.0 2 2.81±0.0 2 4.06±0.0 2 Huntley, Lamothe 2001, p. 1093-1106. De (Gy) (doza echivalentă / arheologică) 19.17 ± 1.22 19.97 ± 0.81 18.96 ± 0.18 20.12 ± 2.62 16.81 ± 0.47 21.76 ± 0.43 27.05 ± 4.01 14.71 ± 0.23 18.42 ± 0.65 24.12 ± 2.47 20.21 ± 0.62 23.55 ± 0.75 Vârsta Vârsta corectată necorec(ka) tată (ka) 4.40±0.6 5 6.36±0.5 3 4.35±0.5 8 4.69±0.8 9 5.45±0.4 5 5.07±0.7 1 6.85±1.3 5 5.13±0.3 6 4.66±0.6 3 5.94±1.0 6 7.18±0.5 6 5.80±0.8 8 6.36±0.53 6.42 ± 0.86 5.45±0.45 6.64±0.93 5.13±0.36 6.33 ± 0.86 7.18±0.56 7.71 ± 1.18 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara 594 10 9 8 Quartz OSL PFG corrected IRSL TL MAAD PFG uncorrected IRSL Vârsta (ka) 7 6 5 4 3 0 A1 V1 V2 V3 Proba Fig. 10. - Vârstele obţinute aplicând metoda de datare prin luminescenţă. Discuţii Media vârstei obţinută prin SAR-OSL este de 6.0±0.4 ka. O bună oportunitate pentru verificarea corectitudinii vârstelor obţinute prin metoda luminiscenţei o reprezintă compararea cu date obţinute prin metoda C14. Precizăm faptul că din aceeaşi unitate de cercetare – din descoperirea cu caracter funerar aparţinând grupului Foeni – s-au prelevat probe din material osos străvechi uman37, în vederea datării prin metoda C14. Datele C14 AMS de la Alba Iulia-Lumea Nouă se încadrează în intervalul 4690-4450 calBC 38, corespunzător unei faze pe deplin formate din evoluţia grupului Foeni. În acest context, trebuie spus că cercetările arheologice de la Lumea Nouă din ultimii ani au permis identificarea unui număr relevant de structuri de habitat, cu materiale arheologice ce se încadrează în repertoriul de forme şi decor considerate definitorii pentru evoluţia comunităţilor grupului Foeni39. Reprezentativ este un complex adâncit de tip bordei (B1/Sp. II2005), cercetat integral, ce a oferit un bogat material arheologic şi a permis stabilirea caracteristicilor tipologico-stilistice ale ceramicii grupului Foeni40 de la Lumea Nouă. Este utilă, credem, o comparaţie41 a datelor C14 de la Lumea Nouă cu cele obţinute pentru grupul Foeni din situl eponim, cu date C14 aparţinând fazei A a culturii Petreşti de la Daia Română-Părăuţ, precum şi cu date din complexe Turdaş, din aşezarea de la Orăştie-Dealul Pemilor. Datele C14 de la Foeni se 37 Gligor 2007c, p. 170-171. Ibidem, p. 171-172, nota 63; 2008, Fig. 3. 39 Gligor et alii 2005-2006, p. 161-172, Fig. 1; 2007, 39-49, Pl. V; Gligor 2007b, nr. 33, 37, 39, 40, 45. 40 Gligor 2007a, p. 1-13, Pl. II-XVIII; 2007b, p. 54-61; nr. 31-32, 34-36, 38, 42-44. 41 Gligor 2008, Fig. 4. 38 Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 595 înscriu în intervalul 4920/4675-4580/4460 calBC42, cele de la Daia Română în intervalul 5030/4520-4780/4350 calBC43, iar cele de la Orăştie în intervalul 4768/4582-4734/4549 calBC44. Se constată faptul că data de 5790±55 BP (Deb. 5775) de la Orăştie-Dealul Pemilor, prelevată din bordeiul B2/1994, ce aparţine nivelului vechi turdăşean45, comparată cu data de 5700±50 BP (Poz-19451) de la Alba Iulia-Lumea Nouă, prelevată din bordeiul B1-Sp. II/200646, aparţinând grupului Foeni, ne arată palierul cronologic la care evoluează cele două entităţi culturale pe parcursul fazelor Vinča C1-C2. Asta deoarece în Banat, pentru faza Vinča C1, datele C14 de la Hodoni sunt (Deb-1963) 5880±60 BP47, iar pentru faza Vinča C2, datele C14 de la Uivar sunt (Hd-22928) 5740±55 BP48. Datele de cronologie absolută obţinute prin metoda luminiscenţei pentru locuirea Foeni de la Alba Iulia-Lumea Nouă reprezintă o etapă importantă în validarea termoluminiscenţei ca metodă de datare în cercetarea arheologică românească. CONSTANTIN COSMA, VASILE BENEA, ALIDA TIMAR, MIHAI GLIGOR, SIMONA VARVARA LUMINESCENCE DATING (TL AND OSL). APPLICATION IN ARCHAEOLOGY ABSTRACT Luminescence dating was applied to four Neolithic pottery fragments excavated at Alba Iulia-Lumea Nouă Neolithic settlement, with the purpose of improving the chronology for the archaeological finds, and hence, the occupational history of the site. The single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocol was applied to both blue and infrared stimulated luminescence signals from coarse quartz and polymineral fine grains, respectively. A more conventional approach which uses a multiple-aliquot additive-dose protocol and thermoluminescence signals from polymineral fine grains was applied as well. The characteristics of the OSL and IRSL signals were investigated in terms of behaviour in the SAR protocol, dose response and dose recovery. Additionally, anomalous fading measurements of the 410 nm IRSL emission and of the blue TL emission from polymineral finegrains were performed. Both signals were observed to be affected by anomalous fading. OSL dating of quartz using the SAR protocol is considered to be the technique of choice; it yields an average age of 6.0±0.4 ka (n = 4), which is in agreement with archaeological expectations. The dating results allow refining the typological interpretation of the objects and improve the chronological framework for the site. 42 Draşovean 2005, p. 20. Maxim 1999, p. 133. 44 Luca 2003, p. 216-218. 45 Ibidem, p. 216-218; Fig. 1. 46 Gligor 2008, Fig. 2/3. 47 Draşovean 1996, p. 115-118. 48 Schier, Draşovean 2004, p. 202. 43 596 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara Abrevieri bibliografice Adamiec, Aitken 1998 - G. Adamiec, M. J. Aitken, “Dose-rate conversion factors: update”, în Ancient TL, 16, 1998, p. 37-50. Aitken 1985 - M. J. Aitken, Thermoluminescence Dating, Academic Press, London, 1985. Aitken 1990 - M. J. Aitken, Science-based Dating in Archaeology, Longman, 1990. Aitken et alii 1964 - M. J. Aitken, M. S. Tite, J. Reid Reid, “Termoluminescent dating of ancient ceramics”, în Nature, 202, 1964, p. 1032-1033. Aitken et alii 1968 - M. J. Aitken, D. W. Zimmerman, S. J. Fleming, “Thermoluminescent dating of ancient pottery”, în Nature, 219, 1968, p. 442-444. Benea et alii 2007 - V. Benea, D. Vandenberghe, A. Timar, P. Van den Haute, C. Cosma, M. Gligor, C. Florescu, “Luminescence dating of Neolithic ceramics from Lumea Nouă, Romania”, în Geochronometria, 28, 2, 2007, p. 9-16. Blair et alii 2005 - M. V. Blair, E. G. Yukihara, S. W. McKeever, “Experiences with single aliquot OSL procedures using coarse-grain feldspars”, în Radiation Measurements, 39, (4), 2005, p. 361-374. Bøtter-Jensen et alii 2003 - L. Bøtter-Jensen, C. E. Andersen, G. A. Duller, A. S. Murray, “Developments in radiation, stimulation and observation facilities in luminescence measurements”, în Radiation Measurements, 37, (4-5), 2003, p. 535-541. Bøtter-Jensen et alii 2003 - L. Bøtter-Jensen, S. W. S. McKeever, A. G. Wintle, Optically Stimulated Luminescence Dosimetry, Elsevier, 2003. Cosma et alii 2006 - C. Cosma, V. Benea, A. Timar, D. Barbos, D. Paunoiu, “Preliminary dating results for ancient ceramics from Romania by means of thermoluminescence”, în Radiation Measurements, 41, 2006, p. 987-990. Daniels et alii 1953 - F. Daniels, C. A. Boyd, D. F. Saunders, “Thermoluminescence as a research tool”, în Science, 117, 1953, p. 343-349. De Corte 1987 - F. De Corte, The k0 standardization method: A move to the optimization of neutron activation analysis, Rijksuniversiteit Report to Aggregate Thesis, Ghent University, 1987. Draşovean 1996 - Fl. Draşovean, Cultura Vinča târzie (faza C) în Banat, BHAB, I, Ed. Mirton, Timişoara, 1996. Draşovean 2005 - Fl. Draşovean, “Zona thessalo-macedoneană şi Dunărea mijlocie la sfârşitul mileniului al VI-lea şi la începutul mileniului al V-lea a. Chr.”, în Apulum, XLII, 2005, 12-26. Fleming 1970 - S. J. Fleming, “Thermoluminescence dating: refinement of the quartz inclusion method”, în Archaeometry, 12, 1970, p. 133-145. Frechen et alii 1996 - M. Frechen, U. Schweitzer, A. Zander, “Improvements in sample preparation for the fine grain technique”, în Ancient TL, 14, 1996, p. 15-17. Gligor 2007a - M. Gligor, “Cercetări arheologice preventive la Alba Iulia-Lumea Nouă. O descoperire aparţinând grupului Foeni”, în Apulum, XLIV, 2007, p. 1-28. Gligor 2007b - M. Gligor, “Grupul cultural Foeni”, în Ceramica neolitică – o lecţie de istorie (Catalog de expoziţie), Alba Iulia, 2007, p. 50-63. Gligor 2007c - M. Gligor, “Situl arheologic de la Alba Iulia-Lumea Nouă. Istoricul cercetărilor”, în Annales Universitatis Apulensis, Series Historica, XI/1, 2007, p. 161-178. Gligor 2008 - M. Gligor, “Contributions to the Absolute Chronology of the Neolithic and Aeneolithic from Transylvania”, în Itinera in praehistoria. Studia in honorem magistri Nicolae Ursulescu quinto et sexagesimo anno, Iaşi, 2008 (sub tipar). Gligor et alii 2005-2006 - M. Gligor, C. Florescu, M. Breazu, “Raport preliminar privind cercetările arheologice preventive de la Alba Iulia-Lumea Nouă (2005)”, în Patrimonium Apulense, V-VI, 2005-2006, p. 161-172. Datarea prin termoluminiscenţă stimulată termic şi optic 597 Gligor et alii 2007 - M. Gligor, C. Florescu, M. Breazu, P. Mazăre, T. Borşan, I. Maican, Ş. Lipot, C. Toth, “Raport privind cercetările arheologice preventive de la Alba Iulia–Lumea Nouǎ. Campania 2006”, în CCA, campania 2006, 2007, p. 39-49. Hossain et alii 2002 - S. M. Hossain, F. De Corte, D. Vandenberge, P. Van den Haute, “A comparison of methods for annual radiation dose determination in the luminescence dating of loess sediments”, în Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 490, (3), 2002, p. 598-613. Huntley et alii 1985 - D. J. Huntley, D. I. Godfrey-Smith, M. L. W. Thewalt, “Optical dating of sediments”, în Nature, 313, 1985, 105-107. Huntley, Lamothe 2001 - D. J. Huntley, M. Lamothe, “Ubiquity of anomalous fading in Kfeldspars and the measurement and correction for it in optical dating”, în Canadian Journal of Earth Science, 38, 2001, p. 1093-1106. Lamothe 2004 - M. Lamothe, “Optical dating of pottery, burnt stones, and sediments from selected Quebec archaeological sites”, în Canadian Journal of Earth Sciences, 41, 2004, p. 659-667. Labau et alii 1996 - V. Labau, E. Gaspar, T. Paunica, “Speleothems dating using the thermoluminescence method”, în Theoretical and Applied Karstology, 9, 1996, p. 29-34. Luca 2003 - S. A. Luca, “Date noi cu privire la cronologia absolută a eneoliticului timpuriu din Transilvania. Rezultatele prelucrării probelor radiocarbon de la Orăştie–Dealul Pemilor, punct x2, jud. Hunedoara”, în Tibiscum, 11, 2003, p. 215-230. Madsen et alii 2005 - A. T. Madsen, A. S. Murray, T. J. Andersen, L. Pejrup, H. BreuningMadsen, “Optically stimulated luminescence dating of young estuarine sediments: a comparison with 210Pb and 137Cs dating”, în Marine Geology, 214, (1-3), 2005, p. 251-268. Martini, Sibilia 2001 - M. Martini, E. Sibilia, “Radiation in archaeometry: archaeological dating”, în Radiation Physics and Chemistry, 61, 2001, p. 241-246. McDougal 1968 - D. J. McDougal, Thermoluminescence of geological materials, Academic Press, London, 1968. Maxim 1999 - Z. Maxim, Neo-eneoliticul din Transilvania, BMN, XIX, 1999. Mejdahl 1969 - V. Mejdahl, “Thermoluminescence dating of ancient Danish ceramics”, în Archaeometry, 11, 1969, p. 99-104. Mejdahl 1979 - V. Mejdahl, “Thermoluminescence dating: beta dose attenuation in quartz grains”, în Archaeometry, 21, (1), 1979, p. 61-72. Murray, Wintle 2000 - A. S. Murray, A. G. Wintle, “Luminescence dating using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol”, în Radiation Measurements, 32, (1), 2000, p. 57-73. Murray, Wintle 2003 - A. S. Murray, A. G. Wintle, “The single aliquot regenerative dose protocol: potential for improvements in reliability”, în Radiation Measurements, 37, (4-5), 2003, p. 377-381. Oke, Yurdatapan 2000 - G. Oke, E. Yurdatapan, “Optically stimulated luminescence dating of pottery from Turkey”, in Talanta, 53, 2000, p. 115-119. Prescott, Hutton 1994 - J. R. Prescott, J. T. Hutton, “Cosmic ray contributions to dose rates for luminescence and ESR dating: large depths and long-term time variations”, în Radiation Measurements, 23, (2-3), 1994, p. 497-500. Roberts 1997 - R. G. Roberts, “Themoluminiscece dating in archaeology: from origin to optical”, în Radiation Measurements, 27, 5/6, 1997, p. 819-892. Schier, Draşovean 2004 - W. Schier, Fl. Draşovean, “Vorbericht über die rumänisch-deutschen Prospektionen und Ausgrabungen in der befestigten Tellsiedlung von Uivar, jud. Timiş, Rumänien (1998-2002)”, în Prähistorische Zeitschrift, 79, 2, 2004, p. 145230. 598 C. Cosma, V. Benea, Alida Timar, M. Gligor, Simona Varvara Takano et alii 2003 - M. Takano, T. Yawata, T. Hahimoto, “Luminescence dosimetry of archaeological and ceramic samples using a single-aliquot regenerative dose method”, în Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 255, 2, 2003, p. 365-368. Vandenberghe 2004 - D. Vandenberghe, Investigation of the optically stimulated luminescence dating method for application to young geological sediments, PhD thesis, Ghent University, 2004. Vartanian et alii 2001 - E. Vartanian, P. Guibert, F. Bechtel, M. Schvoerer, C. Albore-Livadie, “Contribution de la thermoluminescence la chronologie de la culture du Gaudo: datation de ceramiques du site de La Trinita, Piano di Sorrento, Italie”, în L'Anthropologie, 105, 2001, 421-434. Văsaru, Cosma 1998 - G. Văsaru, C. Cosma, Geocronologie Nucleară, Cluj-Napoca, 1998. Wintle 2008 - A. G. Wintle, “Fifty years of luminiscence dating”, în Archaeometry, 50, 2, 2008, p. 276-312. Yang et alii 2005 - X. Y. Yang, A. Kadereit, G. A. Wagner, I. Wagner, J. Z. Zhang, “TL and IRSL dating of Jiahu relics and sediments: clue of 7th millennium BC civilization in central China”, în Journal of Archaeological Science, 32, 2005, p. 1045-1051. Zacharias et alii 2005 - N. Zacharias, J. Buxedai Garrigos, H. Mommsen, A. Schwedt, V. Kilikoglou, “Implications of burial alterations on luminescence dating of archaeological ceramics”, în Journal of Archaeological Science, 32, 2005, p. 49-57. Zimmerman 1971 - D. W. Zimmerman, “Thermoluminescence dating using fine grains from pottery”, în Archaeometry, 13, (1), 1971, p. 29-52. Cuvinte-cheie: Alba Iulia – Lumea Nouă, anorganic, ceramică, context arheologic, datare, doză anuală, doză arheologică, fotoluminiscenţă, granule, luminiscenţă, minerale, neolitic, termoluminiscenţă, test, vârstă. Keywords: Alba Iulia – Lumea Nouă, age, annual dose, archaeological context, archaeological dose, ceramics, dating, granules, inorganic, luminescence, minerals, Neolithic, test, thermoluminescence.