ΑΡΧΑΙΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ
Το εργαστήριο παρέχει υπηρεσίες χρονολόγησης αρχαιολογικών και γεωλογικών υλικών με τη χρήση μεθόδων φωταύγειας, κυρίως Θερμοφωταύγειας (Thermoluminescence – TL) και Οπτικά Προτρεπόμενης Φωταύγειας (Optically Stimulated Luminescence – OSL). Οι μέθοδοι αυτές εφαρμόζονται σε υλικά που περιέχουν ορυκτά όπως χαλαζία ή άστριους, τα οποία παρουσιάζουν φωταυγειακές ιδιότητες.
Η χρονολόγηση με φωταύγεια βασίζεται στη φυσική ιδιότητα ορισμένων κρυσταλλικών ορυκτών να αποθηκεύουν ενέργεια από τη φυσική ιονίζουσα ακτινοβολία του περιβάλλοντος (από κοσμική ακτινοβολία και ραδιενεργά στοιχεία όπως U, Th και K) μέσα στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος. Με την πάροδο του χρόνου συσσωρεύονται παγιδευμένα ηλεκτρόνια σε ατέλειες του πλέγματος των ορυκτών. Όταν τα ορυκτά διεγερθούν στο εργαστήριο με θερμότητα ή φως, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται και εκπέμπεται φωταύγεια, η ένταση της οποίας είναι ανάλογη της συνολικής ακτινοβολίας που έχει απορροφηθεί από το υλικό. Από αυτήν την πληροφορία υπολογίζεται ο χρόνος που έχει περάσει από το τελευταίο γεγονός που «μηδένισε» το φωταυγειακό σήμα.
Θερμοφωταύγεια (Thermoluminescence – TL)
Στη μέθοδο της θερμοφωταύγειας το φωταυγειακό σήμα απελευθερώνεται με θέρμανση του δείγματος στο εργαστήριο. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται κυρίως για υλικά που έχουν θερμανθεί στο παρελθόν σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (>400 oC), όπως κεραμικά, οπτόπλινθοι ή καμένα αρχαιολογικά υλικά.
Στην περίπτωση αυτή η χρονολόγηση αντιστοιχεί στον χρόνο που έχει περάσει από την τελευταία φορά που το υλικό θερμάνθηκε σε υψηλή θερμοκρασία, δηλαδή για τα αρχαιολογικά κεραμικά συνήθως από τη στιγμή της όπτησης στον κλίβανο.
Οπτικά Προτρεπόμενη Φωταύγεια (Optically Stimulated Luminescence – OSL)
Στην περίπτωση της οπτικά προτρεπόμενης φωταύγειας, το φωταυγειακό σήμα διεγείρεται με φωτισμό συγκεκριμένου μήκους κύματος. Η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για ιζήματα και υλικά που περιέχουν χαλαζία ή άστριους.
Η OSL χρονολόγηση προσδιορίζει τον χρόνο που έχει περάσει από την τελευταία φορά που οι κόκκοι του υλικού εκτέθηκαν στο φυσικό φως (ηλιακό φως) πριν την ταφή τους. Με άλλα λόγια, η έκθεση στο φως «μηδενίζει» το φωταυγειακό σήμα και από τη στιγμή της ταφής αρχίζει εκ νέου η συσσώρευση ακτινοβολίας.
Διαδικασία και χρόνος ανάλυσης
Η χρονολόγηση με φωταύγεια είναι μια σύνθετη και χρονοβόρα εργαστηριακή διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει πολλά στάδια, όπως:
- προσεκτική προετοιμασία των δειγμάτων υπό ελεγχόμενες συνθήκες φωτισμού
- διαχωρισμό και επιλογή του κατάλληλου μεγέθους των κόκκων του υλικού
- μέτρηση της φωταύγειας σε εξειδικευμένα όργανα
- βαθμονόμηση της απόκρισης του δείγματος σε ακτινοβολία
- υπολογισμό της ισοδύναμης δόσης (equivalent dose-De) που αντιστοιχεί στη συσσωρευμένη αποθηκευμένη δόση στο υλικό (Παλαιοδόση)
- εκτίμηση των συγκεντρώσεων φυσικών ραδιοϊσοτόπων στο δείγμα και στο περιβάλλον του
- εκτίμηση της κοσμικής ακτινοβολίας
- υπολογισμό του ετήσιου ρυθμού δόσης (D) από τη συνεισφορά των παραπάνω
Δειγματοληψία
Η σωστή δειγματοληψία είναι κρίσιμη για την αξιοπιστία της χρονολόγησης. Σε περίπτωση που η δειγματοληψία πραγματοποιηθεί από τον ίδιο τον ενδιαφερόμενο (π.χ. αρχαιολόγο ή ερευνητή), το εργαστήριο παρέχει αναλυτικές οδηγίες δειγματοληψίας, ώστε:
- να αποφευχθεί η ανεπιθύμητη έκθεση των δειγμάτων στο φως
- να συλλεχθούν τα απαραίτητα συνοδευτικά δείγματα για τον υπολογισμό της περιβαλλοντικής ακτινοβολίας
- να διασφαλιστεί η μέγιστη δυνατή ακρίβεια των αποτελεσμάτων
Εφαρμογές στην αρχαιολογία
Οι μέθοδοι TL και OSL χρησιμοποιούνται ευρέως στην αρχαιολογία και αρχαιομετρία για τη χρονολόγηση:
- κεραμικών αντικειμένων
- αρχαιολογικών κλιβάνων ή καμένων επιφανειών
- οπτόπλινθων και οικοδομικών υλικών
- ιζημάτων που σχετίζονται με αρχαιολογικά στρώματα
Οι μέθοδοι αυτές παρέχουν απόλυτες χρονολογήσεις και μπορούν να καλύψουν χρονικά διαστήματα από μερικές εκατοντάδες έως πολλές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, ανάλογα με το υλικό και τις συνθήκες.
Το Εργαστήριο Αρχαιομετρίας & Φυσικοχημικών Μετρήσεων (ΕΑΦΜ) παρέχει υπηρεσίες μελέτης προέλευσης κεραμικών υλικών μέσω στοιχειακής ανάλυσης και πολυπαραμετρικής στατιστικής επεξεργασίας των δεδομένων. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στην αρχαιομετρία για τη διερεύνηση της προέλευσης των πρώτων υλών και την αναγνώριση πιθανών κέντρων παραγωγής κεραμικών αντικειμένων.
Η βασική αρχή της μεθόδου είναι ότι πηλοί που προέρχονται από το ίδιο γεωλογικό περιβάλλον εμφανίζουν παρόμοια χημική σύσταση. Επομένως, κεραμικά που έχουν κατασκευαστεί από τον ίδιο ή παρόμοιο πηλό παρουσιάζουν παρόμοιο στοιχειακό «χημικό αποτύπωμα» και είναι πιθανό να προέρχονται από την ίδια περιοχή ή από εργαστήρια που χρησιμοποιούσαν την ίδια πρώτη ύλη.
Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιείται στοιχειακή ανάλυση των κεραμικών δειγμάτων, η οποία προσδιορίζει τη συγκέντρωση μεγάλου αριθμού χημικών στοιχείων. Στις μελέτες προέλευσης ιδιαίτερη σημασία έχουν τα ιχνοστοιχεία, καθώς συχνά λειτουργούν ως ιδιαίτερα χαρακτηριστικοί δείκτες του γεωλογικού υλικού και μπορούν να διαφοροποιήσουν πηλούς που εμφανίζουν παρόμοια σύσταση ως προς τα κύρια στοιχεία.
PCA χημικών δεδομένων από τον πηλό των δειγμάτων
Στατιστική επεξεργασία και ομαδοποίηση δειγμάτων
Η σύγκριση των κεραμικών δειγμάτων δεν βασίζεται απλώς στην απευθείας σύγκριση των συγκεντρώσεων των στοιχείων, αλλά πραγματοποιείται με τη χρήση πολυπαραμετρικών στατιστικών μεθόδων. Μεταξύ των συχνότερα χρησιμοποιούμενων τεχνικών είναι:
- Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis – PCA)
- Ιεραρχική ομαδοποίηση (cluster analysis) και δενδρογράμματα
Οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν την ομαδοποίηση των δειγμάτων με βάση τη χημική τους ομοιότητα, αποκαλύπτοντας ομάδες κεραμικών που πιθανόν έχουν κοινή προέλευση ως προς την πρώτη ύλη. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατόν να διαπιστωθεί εάν διαφορετικά αρχαιολογικά ευρήματα προέρχονται από το ίδιο παραγωγικό κέντρο ή από διαφορετικές περιοχές.
Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι οι αναλύσεις αυτές δεν προσδιορίζουν άμεσα το ακριβές γεωγραφικό σημείο παραγωγής ενός κεραμικού. Αντίθετα, επιτρέπουν την αναγνώριση ομάδων δειγμάτων με κοινή ή διαφορετική προέλευση, βασισμένη στη χημική σύσταση του πηλού.
Ρόλος των δειγμάτων αναφοράς
Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά όταν υπάρχουν διαθέσιμα δείγματα αναφοράς. Πρόκειται για κεραμικά των οποίων η προέλευση είναι ήδη γνωστή, για παράδειγμα:
- κεραμικά συγκεκριμένων τυπολογικών κατηγοριών (π.χ. αττικά αγγεία),
- υλικά που έχουν βρεθεί σε αρχαιολογικούς κλιβάνους ή χώρους παραγωγής, όπου η προέλευση θεωρείται βέβαιη.
Στην περίπτωση αυτή, τα άγνωστα δείγματα μπορούν να συγκριθούν με τα δείγματα αναφοράς μέσω των στατιστικών μεθόδων, παρέχοντας ισχυρές ενδείξεις για την πιθανή προέλευση ή το παραγωγικό τους κέντρο.
Εφαρμογές στην αρχαιολογία
Η μελέτη προέλευσης κεραμικών αποτελεί σημαντικό εργαλείο για τη διερεύνηση:
- των κέντρων παραγωγής κεραμικών
- των δικτύων εμπορίου και διακίνησης προϊόντων στην αρχαιότητα
- των τεχνολογικών παραδόσεων και εργαστηρίων παραγωγής
- των πολιτιστικών και οικονομικών επαφών μεταξύ διαφορετικών περιοχών
Η συνδυασμένη χρήση στοιχειακής ανάλυσης και στατιστικών μεθόδων επιτρέπει την αναγνώριση χημικών «ομάδων» κεραμικών και συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση της παραγωγής και της κυκλοφορίας των κεραμικών αντικειμένων στον αρχαίο κόσμο.
Το Εργαστήριο Αρχαιομετρίας & Φυσικοχημικών Μετρήσεων (ΕΑΦΜ) παρέχει υπηρεσίες ελέγχου αυθεντικότητας κεραμικών και άλλων αρχαιολογικών αντικειμένων, με τη χρήση κυρίως μεθόδων φωταύγειας, όπως η θερμοφωταύγεια (Thermoluminescence – TL). Η μέθοδος αυτή αποτελεί μία από τις πλέον αξιόπιστες τεχνικές που χρησιμοποιούνται διεθνώς για τη διάκριση αυθεντικών αρχαίων αντικειμένων από σύγχρονες απομιμήσεις.
Ο έλεγχος αυθεντικότητας βασίζεται στην ίδια φυσική αρχή με τη χρονολόγηση με φωταύγεια. Ορισμένα κρυσταλλικά ορυκτά που περιέχονται στον πηλό των κεραμικών (κυρίως χαλαζίας και άστριοι) έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν ενέργεια από τη φυσική ιονίζουσα ακτινοβολία του περιβάλλοντος μέσα στη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος. Με την πάροδο του χρόνου συσσωρεύονται παγιδευμένα ηλεκτρόνια σε ατέλειες του πλέγματος των ορυκτών.
Όταν ένα κεραμικό αντικείμενο θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία κατά την όπτηση στον κλίβανο, το φωταυγειακό σήμα μηδενίζεται. Από εκείνη τη στιγμή και μετά αρχίζει εκ νέου η συσσώρευση ενέργειας από τη φυσική ακτινοβολία του περιβάλλοντος. Στο εργαστήριο, με ελεγχόμενη θέρμανση του δείγματος, τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται και εκπέμπεται φωταύγεια, η ένταση της οποίας είναι ανάλογη της συσσωρευμένης δόσης ακτινοβολίας.
Τυπικές φωτοκαμπύλες θερμοφωταύγειας (TL) που χρησιμοποιούνται στον έλεγχο αυθεντικότητας κεραμικών αντικειμένων. Η καμπύλη (a) αντιστοιχεί στη φυσική θερμοφωταύγεια δείγματος σκόνης που ελήφθη από το αντικείμενο, η καμπύλη (b) σε εργαστηριακά επαγόμενη φωτοκαμπύλη μετά από τεχνητή ακτινοβόληση του δείγματος, ενώ η καμπύλη (c) αντιπροσωπεύει το υπόβαθρο του συστήματος μέτρησης.
Διάκριση αυθεντικών και πλαστών αντικειμένων
Η βασική αρχή του ελέγχου αυθεντικότητας είναι ότι ένα αυθεντικό αρχαίο κεραμικό, το οποίο έχει παραμείνει στο φυσικό περιβάλλον για εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια μετά την όπτησή του, έχει προλάβει να συσσωρεύσει σημαντική ποσότητα φωταυγειακού σήματος.
Αντίθετα, ένα σύγχρονο αντικείμενο ή απομίμηση, το οποίο κατασκευάστηκε πρόσφατα, δεν έχει προλάβει να συσσωρεύσει σημαντική δόση ακτινοβολίας και συνεπώς παρουσιάζει πολύ ασθενές ή πρακτικά μηδενικό φωταυγειακό σήμα.
Με τη μέτρηση της έντασης της θερμοφωταύγειας και τη σύγκρισή της με την αναμενόμενη φυσική δόση ακτινοβολίας, μπορεί να διαπιστωθεί αν το αντικείμενο έχει ηλικία συμβατή με αρχαιολογικό εύρημα ή αν πρόκειται για σύγχρονη κατασκευή.
Περιορισμοί και ερμηνεία των αποτελεσμάτων
Η μέθοδος της θερμοφωταύγειας δεν χρησιμοποιείται απαραίτητα για τον ακριβή προσδιορισμό της ηλικίας ενός αντικειμένου στο πλαίσιο του ελέγχου αυθεντικότητας. Αντίθετα, χρησιμοποιείται κυρίως για να διαπιστωθεί εάν η συσσωρευμένη δόση ακτινοβολίας είναι συμβατή με μεγάλη αρχαιολογική ηλικία ή αν αντιστοιχεί σε πρόσφατη όπτηση.
Η ερμηνεία των αποτελεσμάτων λαμβάνει υπόψη διάφορους παράγοντες, όπως:
- τη σύσταση και τα ορυκτολογικά χαρακτηριστικά του πηλού
- υλικά που έχουν βρεθεί σε αρχαιολογικούς κλιβάνους ή χώρους παραγωγής, όπου η προέλευση θεωρείται βέβαιη.
- τη φυσική ραδιενέργεια του περιβάλλοντος υλικού
- πιθανές μεταγενέστερες θερμικές επιδράσεις
Εφαρμογές
Ο έλεγχος αυθεντικότητας με θερμοφωταύγεια εφαρμόζεται κυρίως σε:
- κεραμικά αγγεία και ειδώλια
- οπτόπλινθους και κεραμικά δομικά υλικά
Η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως από αρχαιολογικές υπηρεσίες, μουσεία, συλλογές και οίκους δημοπρασιών για την τεκμηρίωση της αυθεντικότητας αντικειμένων και την αποφυγή της διακίνησης σύγχρονων απομιμήσεων.
Ο συνδυασμός της φωταυγειακής ανάλυσης με άλλες αρχαιομετρικές και φυσικοχημικές τεχνικές μπορεί να προσφέρει μια ολοκληρωμένη επιστημονική αξιολόγηση της αυθεντικότητας ενός αντικειμένου, συμβάλλοντας ουσιαστικά στην προστασία της πολιτιστικής κληρονομιάς.