Archäometrie. Neuere naturwissenschaftliche Methoden und Erfolge in der Archäologie

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1 Archäometrie Neuere naturwissenschaftliche Methoden und Erfolge in der Archäologie Van Dr. rer. nat. Hans Mommsen Universität Bonn Mit 106 Bildern und 23 Tabellen B. G. Teubner Stuttgart 1986

2 Dr. rer. nat. Hans Mommsen Geboren 1942 in Riga. Studium der Physik und Promotion an der Universität Bonn. Seit 1970 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strahlen- und Kernphysik, Universität Bonn. Ab 1977 wachsendes Interesse an der Archäometrie. 1979/80 am Archäologischen Institut, Abteilung Archäometrie, der Hebräischen UniversitätJerusalem CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Mommsen, Hans: Archäometrie : neuere naturwiss. Methoden u. Erfolge in d. Archäologic / von Hans Mommsen. - Stuttgan : Teubner, (Teubner Studienbücher) ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk cinschliclllich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwenung aullerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbcitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1986 Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH, Karlsruhe Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen

3 Vorwort "Within some archaeological artefacts there is a record to which an archaeologist is blind but which a physicist can hope to read. " CM. J. Aitken in Physics Reports 1978) Archäometrie macht SpaK Dies liegt an der bes onderen Plazierung dies es Arbeitsfeldes zwischen Geistes- und Naturwissenschaften. Denn die Archäometrie umfa~t das gesamte Gebiet des Einsatzes naturwissenschaftlicher Methoden in der kulturhistorischen Forschung, besonders in der Archäologie. Neueste Technologien und komplizierte Me~methoden werden heute herangezogen, urn Ergebnisse zu erzielen, die mit rein geisteswissenschaftlichen Methoden nicht oder nicht so eindeutig gewonnen werden können. Ziel dies es Buches ist, eine Einführung und einen Überblick über diese in der Archäometrie einsetzbaren Methoden zu geben, sie a11gemeinverständlich zu erklären und auch aufzuzeigen, welche erstaunlichen Informationen heute über längst vergangene Zeiten aus einzelnen erhaltenen Fundstücken oder aus geringsten Sp uren im Boden abgeleitet werden können. Ein näheres Verständnis der Methoden macht aber auch klar, wo ihre Grenzen liegen und wann auch die aufwendigsten naturwissenschaftlichen Verfahren keinen Erfolg versprechen können. Der Stoff ist im Stil zusammenfassender Übersichtsartikel in naturwissenschaftlich orientierten Zeitschriften gehalten, wob ei ganz auf mathematische Formeln verzichtet wurde. Entsprechend den drei Hauptarbeitsgebieten der Archäometrie ist das Buch gegliedert in die Teile Prospektion, Materialanalyse und Datierungsmethoden. Jede vorgeste11te archäometrische Methode innerhalb dieser Gebiete ist weitgehend nach dem gleichen Schema behandelt. Nach einer kurzen Beschreibung der naturwissenschaftlichen Grundlagen wird das Me~verfahren der Methode dargeste11t, dann sind ihre spezie11en Einsatzmöglichkeiten in der Archäometrie zusammengefa~t und schlieblich ein oder mehrere, typische Anwendungsbeispiele gegeben, die besonders herausragende, neue archäometrische Ergebnisse und ihre Auswirkung auf die archäologische Forschung herausgreifen. Es ist verständlich, da~ aus dem gro~en interdisziplinären Gebiet der Archäometrie nur eine beschränkte Auswahl der möglichen Methoden und der Untersuchungsprojekte getroffen werden konnte. Keinesfa11s sol1 dieses Buch

4 4 Vorwort spezielle Fachliteratur über die jeweiligen naturwissenschaftlichen Methoden ersetzen. Neuere Publikationen, die ihrerseits auf andere Arbeiten und auf die Erfindung und Entwicklung einer Methode hinweisen, sind aufgeführt. Der Verfasser ist sich bewugt, dag er auf Grund seiner Ausbildung die physikalischen Methoden gegenüber denjenigen aus anderen Disziplinen wie Chemie, Geologie oder Biologie wohl vorgezogen hat. Dieses Buch erwuchs aus verschiedenen Lehrveranstaltungen seit dem Wintersemester 1980/81 im Institut für Vor- und Frühgeschichte der Universität Bonn für Studenten aus dem kulturhistorischen Bereich. Der groge Zulauf von Studenten auch anderer Fachrichtungen zeigt den Reiz, den die Archäometrie auf viele ausübt, auch wenn sie nicht direkt in diesem Felde arbeiten. Dieses Buch ist deshalb auch an Nichtspezialisten gerichtet, die Freude an der archäologischen Forschung haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor 1. Perlman, der mich gelehrt hat, die Archäometrie zu schätzen, und dem ich einen grog en Teil meiner Kenntnis verdanke, ebenso wie Herrn Professor T. Mayer-Kuckuk, der mich zu diesem Buch ermunterte und meine Arbeit ständig unterstützte. Ebenfalls sehr danken möchte ich Herrn Professor P. David, der so freundlich war, das Manuskript kritisch durchzusehen, und mir viele nützliche Hinweise gab. Mein groger Dank gilt auch all denen, die Anteil an meinem Vorhaben genommen haben und durch ihren Rat und ihre Mithilfe dazu beitrugen, dieses Buch fertigzustellen. Bonn, August 1985 H.M.

5 Inhalt I Einleitung Archäometrische Prospektion Überblick 2 Fernerkundung mit elektromagnetischen Wellen Prinzip und physikalische Grundlagen Luftbilder 21 Archäometrische Einsatzmöglichkeiten: Bildmerkmale / Aufnahmetechniken / Digitale Bildauswertung / Beispiele und Anwendungen der Luftbildprospektion 2.3 Thermale Infrarotbilder. 36 Archäometrische Einsatzmöglichkeiten / Aufnahmetechnik / Beispiel: Entdeckung eines prähistorischen Maisfeldes 2.4 Radarbilder. 39 Archäometrische Einsatzmöglichkeiten und Aufnahmetechniken 3 Prospektion mit mechanischen Wellen: Seismik und Sonar 42 Physikalische Grundlagen / Archäometrische Einsatzmöglichkeiten mechanischer Wellen und Beispiele 4 Geomagnetische Prospektion. 46 Methode / Naturwissenschaftliche Grundlagen: Das Erdmagnetfeld; Magnetisierung der Gesteine und Böden / Archäometrische Einsatzmöglichkeiten und Messungen / Beispiele zur geomagnetisch en Prospektion: Fundstellen Froitzheim und Galgenberg 5 Andere Prospektionsmethoden 60 Geoelektrische Prospektion / Elektromagnetische Prospektion und M etalldetektoren / Bodenanalysen: ph-wert-methode und Phosphat-Methode / Durchleuchtung der Chephren-Pyramide mit Hilfe der Höhenstrahlung 15

6 6 lnhalt 111 Materialanalysen der Fundgegenstände 1 Einleitung 65 Exkurs: MeJlwertfehler, Präzision und Genauigkeit 2 Neuere chemische Analyseverfahren 70 Mikrochemische Techniken und Chromatographie / Beispie Ie: Fettanalyse alter GefäJlinhalte u. a. 3 Traditionelle physikalische Umersuchungsmethoden Ton und Keramik 77 Ton / Keramik / Farbe / Härte / Porosität 3.2 Keramik: Brenmemperaturbestimmung durch thermische Analysen 80 Differentielle thermale Analyse (DTA) / Thermogravimetrische Analyse (TGA) / Dilatometrie ader thermomechanische Analyse (TMA) 4 Optische Umersuchungsmethoden 84 Radiographie / Mikroskopie / Petrographie / Rasterelektronenmikroskopie / Röntgendiffraktion 5 Quantitative atomphysikalische Analyseverfahren Übersicht Atomphysikalische Grundlagen Analysemethoden 96 Atomabsorptionsspektralanalyse (AAS) / Optische Emissionsspektralanalyse (OES) / Röntgenfluoreszenzanalysen: RFA, PIXE, Mikrosonde/Weitere Methoden 5.4 Archäometrische BeispieIe. 108 Die Techniken antiker Schwarzrot-Keramikbemalungen / Löttechniken an antikem Goldschmuck 6 Kernphysikalische Analyseverfahren Ionenstrahl-Analysen 120 Kernphysikalische Grundlagen / Methoden der Ionenstrahl-Analysen 6.2 Aktivierungsanalysen (AA) 127 Kernphysikalische Grundlagen und Methoden / Neutronenaktivierungsanalyse zur Herkunftsbestimmung (NAA) / Beispiele: Herkunftsbestimmung von Obsidian; Herkunftsbestimmung von Keramik: Das Problem der judäischen Königskrüge 6.3 MöGbauer-Spektroskopie (MS) 159

7 Inhalt 7 7 Isotopenanalyse Kernphysikalische Grundlagen und Messungen Archäometrische Einsatzmöglichkeiten: Übersicht Herkunftsbestimmung von Metallen 168 Blei-Isotopenanalyse / BeispieIe: Blei- und Silberverhüttung in der Ägäis; Kupfer und Bronze in der Ägäis und in der Troas 7.4 Herkunft nichtmetallischer, bleihaltiger Gegenstände: Bleiglas Klimageschichte: Sauerstoff-Isotopenverhältnis Herkunftsbestimmung von Marrnor: Kohlenstoff- und Sauerstoff-Isotopenverhältnis EBgewohnheiten in alten Kulturen: Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenverhältnis 184 IV Datierungsmethoden 1 Übersicht: Die Uhren der Natur Altersbestimmung unter Ausnutzung der natürlichen Radioaktivität Physikalische Grundlagen. 196 Radioaktiver Zerfall / Meftgröften bei radiometrischen Datierungen 2.2 Datierungen durch Konzentrationsmessungen (Überblick) Kalium-Argon-Datierung Radiocarbon -Datierung (und Dendrochronologie) Einleitung / 14C-Produktion, Verteilung und Zerfall / Datierbare Radiocarbonproben / Durchführung der konventionellen 14C-Datierung / Datierung durch Beschleuniger Massenanalyse / Standardisierung der 14C-Daten / Korrekturen des konventionellen 14C-Alters: Halbwertszeit, Reservoireffekte und Baumringeichung (Exkurs: Dendrochronologie) / BeispieIe: Datierung des groften Vulkanausbruches von Th era; Beschleuniger-Kohlenstoffdatierung einzelner Samenkörner 2.5 Uranserien-Datierung Datierung durch Aufsummation von Strahlenschäden (Überblick) Spaltspur-Datierung. 241

8 8 Inhalt 2.8 Thermolumineszenz-Datierung 243 Physikalische Grundlagen und Prinzip / M essungen bei der Thermolumineszenz (TL) / Archäometrische Einsatzmöglichkeiten / Beispieie: Echtheitsprüfung chinesischer Keramiken; Absolute Datierung bandkeramischer Scherben 2.9 Elektronenspinresonanz-Datierung (ESR-Datierung). 263 Methode und archäometrische Einsatzmöglichkeiten / Beispiel: Datierung des Petralona-Schädels/ESR als Archäothermometer 3 Archäomagnetische Datierung 267 Prinzip und Grundlagen, Feldrichtungsumkehr / Archäomagnetische Einsatzmöglichkeiten und Beispiele 4 Chemische Datierungsmethoden Grundlagen Relative Datierung von Knochen: FUN-Test Razemisation bei der Aminosäure-Datierung Hydrationsdatierung von Obsidian und andere Diffusionsmethoden 283 Anhang Verwendete Abkürzungen 285 Übersichtstabelle: Die wichtigsten Methoden der Materialanalysen in der Archäometrie. 286 Übersichtstabelle: Archäometrische Datierungsmethoden 288 Literaturverzeichnis 290 Sachverzeichnis. 299