Hoe geologen de Oudheid ontraadselen Patrick Degryse Aard- en Omgevingswetenschappen, Geologie, Celestijnenlaan 200E, bus 2408, 3001 Leuven,
[email protected] Natuurwetenschappen en archeologie De archeologie heeft als doel het leven van vroeger in al zijn aspecten te reconstrueren. Daarbij komen niet alleen cultuur, kunst, sociologie en filosofie aan bod, maar ook een breed gamma aan natuurwetenschappelijke aspecten zoals landschap, milieu en grondstoffen. De mens staat immers altijd in relatie met zijn omgeving en gaat interacties aan met het landschap, planten en dieren of de ondergrond. Bovendien is de mens een stuk natuur op zich. Een deel van onze dagelijkse activiteiten is niet cultureel: we voeden onszelf, planten ons voort en verouderen. De bijdrage van de geografie, geologie, biologie… tot de archeologie als discipline wordt dan ook steeds sterker. We spreken hierbij van de archaeological sciences of de natuurwetenschappelijke archeologie. Natuurwetenschappelijke analysemethoden krijgen tegenwoordig dan ook een steeds grotere impact op archeologische vraagstellingen. Een van deze domeinen binnen het natuurwetenschappelijke archeologische onderzoek stamt voort uit de geologie (de studie van de opbouw en de ontwikkeling van de aarde en de bewaarde sporen van leven) en de geochemie (studie van de geologische materie en hoe deze reageert). Met geologisch onderzoek wordt de ondergrond van een archeologische vindplaats beschreven en de mogelijkheid om in vroegere tijden grondstoffen uit te baten bestudeerd. Binnen geologisch-archeologisch onderzoek wordt vaak de samenstelling van een geologisch materiaal (gesteenten, sedimenten...) maar ook van archeologische artefacten (aardewerk, glas…) bekeken en worden technieken gebruikt die toelaten materialen te identificeren, hun samenstelling in kaart te brengen, hun herkomst te bepalen en het gebruik door vroegere mensen te achterhalen. Deze discipline wordt meestal aangeduid als de archeometrie. We mogen echter niet vergeten dat archeologisch onderzoek een complex gegeven is, en alle natuurwetenschappelijke inzichten dienen uiteindelijk verenigd te worden met het werk van de culturele archeologie, om tot de interpretatie van een archeologische context te komen. Materialen Steen Het gebruik van stenen artefacten is van primair belang geweest in de menselijke geschiedenis. De oudste bewijzen van hun gebruik komen uit uit Afrika en zijn ongeveer 2,5 miljoen jaar oud. Stenen voorwerpen, door hun hardheid en bewerkbaarheid, zullen in belangrijke mate de menselijke technologische evolutie hebben bepaald. De keuze voor bepaalde stenen grondstoffen was geen statisch gegeven, maar kan ook evolueren in de tijd. Dergelijke verschuiving in grondstofgebruik kan technologische ontwikkeling van transport en handelsconnecties weerspiegelen. In deze evolutie zijn niet enkel hardheid of bewerkbaarheid van belang. Bepaalde grondstoffen werden niet enkel om nuttige doeleinden gebruikt, maar ook sieraden of decoratieve objecten ontstaan. Graniet (een zeer hard gesteente) was bijvoorbeeld bij de Romeinen geliefd als grondstof voor monumentale en decoratieve bouwwerken. Belangrijke groeven (o.a. Mons Claudianus) bevonden zich in de Rode Zee-bergen in Egypte. De kolommen van de voorgevel van het Pantheon te Rome zijn uit Egyptisch graniet gehouwen, speciaal hiervoor naar Rome gebracht.
1
Zoals bij elke zoektocht naar een grondstof-artefact verband, betreft het bepalen van de herkomst van een stenen artefact het oplossen van een puzzel waarbij verschillende technieken aangewend worden om een unieke “vingerafdruk” te vinden die het artefact eenduidig met zijn minerale bronnen verbindt. De meest gebruikte technieken voor de herkomstbepaling van een stenen eindproduct zijn de macroscopische classificatie binnen de gesteentecyclus, de microscopische identificatie van het gesteente binnen de relevante geologische groep (met aandacht voor mineraalinhoud, textuur, korrelgrootte en andere sedimentologische parameters) en de geochemische analyse van het gesteente (zowel voor hoofd- en spoorelementen als voor isotopen van bepaalde gericht elementen, zoals zuurstof en koolstof voor sedimentaire gesteenten of strontium en neodymium voor magmatische gesteenten). Belangrijk hierbij is te onthouden dat: 1) We bij de identificatie van de herkomst van een gesteente steeds de bron (de groeve) met het artefact dienen te vergelijken, en de informatie over de groeve alsdusdanig beschikbaar moet zijn. We dienen dus de groeve te kennen voor we rechtstreeks kunnen vergelijken. Anders kan men enkel gesteenten onderling gaan vergelijken. 2) Verschillende bronnen kunnen een vergelijkbare of zelfs identieke “vingerafdruk” hebben. Een mineralogische-chemische karakterisatie van een gesteente kan dus overeenkomen met verschillende mogelijke bronnen. Op deze manier kan een combinatie van technieken vaak een geologische bron met 100% zekerheid uitsluiten als grondstof, maar nooit met absolute zekerheid bevestigen als grondstof. Er kunnen immers verschillende bronnen met dezelfde karakteristieken zijn, of er kunnen steeds nog ongekende bronnen zijn van grondstoffen met identieke mineralogische-geochemische parameters. 3) De archeologische context dient steeds een belangrijke rol te spelen in deze reconstructie. Welke grondstoffen kunnen we verwachten in welke periode? Wanneer wordt een bepaald materiaal geïntroduceerd of gerecycleerd? Wanneer zijn bepaalde groeves actief? Dit is steeds een verhaal van historische waarschijnlijkheid, maar vaak van belang in een archeometrische studie. Keramiek Naast het gebruik van steen op zich, bewerkt men ook minerale grondstoffen om nieuwe materialen te vervaardigen, zoals het bakken van klei voor keramische voorwerpen of het smelten van zand voor glas. De eigenschappen van de grondstof zullen daarbij grotendeels de kwaliteit van het geproduceerde materiaal bepalen, en ook daarin is evolutie te zien. In prehistorische culturen was de keuze van de klei bij de productie van eenvoudige recipiënten wellicht minder cruciaal, maar wanneer het later om de productie van Romeinse terra sigillata of om laat-middeleeuws steengoed zal gaan, is de voorradigheid van het juiste basismateriaal van doorslaggevend belang. Bij zulke producten zien we dan ook dat de productie beperkt blijft tot bepaalde centra. Porselein kan alleen gemaakt worden uit kaoliniet, een kleimineraal met bijzondere eigenschappen, dat maar op bepaalde plaatsen kan worden gevonden. In onze streken, waar natuursteen minder beschikbaar was, werd veelal baksteen gebruikt voor bouwwerken, omdat klei veel meer en in grote mate beschikbaar was. De herkomststudie van keramiek, als materiaal te beschouwen als een artificieel gesteente, gebruikt grotendeels dezelfde analytische technieken als de studie van gesteenten. Mineralogische en geochemische (bulk)analyse van klei en scherven worden momenteel courant gebruikt. Deze analytische samenstelling dient steeds gekoppeld te worden aan de klassieke archeologisch typologische beschrijving van de keramiek. Hoewel vaak goede resultaten bekomen worden met de combinatie van deze methoden, blijft het soms moeilijk keramiek aan een precieze geologische bron te verbinden. Belangrijk hierbij is dat, zoals bij de studie van gesteenten, een vergelijking kleikeramiek noodzakelijk is om een mogelijke herkomst te bepalen, en dat men enkel een grondstof 2
kan uitsluiten met 100% zekerheid, maar nooit kan bevestigen met dezelfde graad van zekerheid. Een bijkomstige moeilijkheid is hierbij dat verschillende kleibronnen en een eventuele toeslag of magering kunnen gemengd zijn, zodat de mineralogische-geochemische signatuur van de keramiek het resultaat is van een mengsel van grondstoffen. De mineralogische-chemische relatie kleiaardewerk is dan niet meer eenduidig en nog meer puzzelwerk is nodig om deze te ontrafelen. Bovendien zijn geschikte kleibronnen voor (eenvoudige) keramiekproductie alomtegenwoordig. Een bijkomende steun voor dergelijke herkomststudie komt echter uit de ethnoarcheologie. Daaruit blijkt duidelijk dat hedendaagse "primitieve" aardewerk producerende stammen in Zuid- en Midden-Amerika hun kleigrondstoffen voor de aanmaak van aardewerk vanop maximaal 9km afstand van het productiecentrum (de oven) halen. Dit is immers de maximale afstand die men op één dag, heen en terug met lastdier of kar, kan afleggen om de klei te gaan steken en terug te keren naar de productieplaats. Dergelijke kennis beperkt op significante manier het geografischgeologisch gebied waarbinnen men de zoektocht naar een mogelijke grondstof voor de aanmaak van een lokale keramiek soort dient te voeren. Op deze manier wordt het zoeken van een naald in een hooiberg opnieuw beheersbaar. Het is een uitstekend voorbeeld van hoe de archeologie een archeometrische zoektocht kan sturen. Glas Glas is een speciale materiaalcategorie in de archeometrie. Het wordt gemaakt uit twee of meer minerale grondstoffen. Doordat deze volledig worden opgesmolten, verliezen ze hun originele kristallografische-mineralogische eigenschappen, en worden ze volledig gemengd en gehomogeniseerd. Daardoor is de relatie grondstoffenmengsel-glas niet eenduidig. Enkel bepaalde chemische eigenschappen worden overgeërfd. Natron glas is het meest voorkomende glastype in het Mediterraan gebied en in Europa van het midden van het eerste millennium vC tot de negende eeuw nC. Voor de aanmaak van dit soort glas gebruikt men verschillende mineralen. Een eerste noodzakelijk bestanddeel, kwarts of siliciumdioxide (SiO2), is afkomstig uit zanden zoals woestijnzand of strandafzettingen. Een tweede noodzakelijk deel is kalk (CaCO3), ingebracht onder de vorm van kalksteen of schelpen in het zand of apart toegevoegde schelpen. Een derde grondstof is een smeltmiddel of flux om het mengsel op een lagere temperatuur te kunnen verglazen. In de Romeinse periode was dit het mineraalmengsel “natrun” (voornamelijk Na2CO3), afkomstig uit zoutmeren (voornamelijk uit Egypte), waardoor we spreken van natron glas. Ruw natron glas werd verhandeld als brokken glas of “chunks”. Primaire productiecentra maakten glas uit zijn minerale grondstoffen, terwijl secundaire centra het glas enkel omsmolten en vormden in objecten. Uit opgravingen blijkt duidelijk dat primair glas in de 4de tot 8ste eeuw nC geproduceerd werd in Syro-Palestina en Egypte. Het bestaan van primaire centra in deze gebieden in de Romeinse periode (beschreven door vb. Strabo, Geographica XVI, 2, 25) werd aangenomen op chemischanalytische grond. Andere primaire glascentra in het Mediterrane en Europese gebied zijn niet gekend uit opgravingen. Enkele auteurs hebben wel gesuggereerd dat primaire productie van glas ook elders in de Hellenistisch-Romeinse wereld plaatsgreep. De antieke auteur Plinius vermeld in zijn Historia Naturalis (Hist. Nat XXXVI, 194) Italië, Spanje en de Lage Landen als producenten van primair glas in de vroeg Romeinse periode, maar dit kon tot voor kort nooit archeologisch of door analyse bewezen worden. Substantiële databestanden van de hoofdelementsamenstelling van archeologisch glas bestaan immers in de literatuur, maar waren zelden nuttig gebleken om de herkomst van de minerale grondstoffen voor dit antieke materiaal te bepalen. Alle Mediterraan en West-Europees glas uit de 1ste tot 9de eeuw nC, bijvoorbeeld, vertoont zeer weinig variatie in samenstelling. Sommige elementen, zoals ijzer, aluminium, magnesium en spoorelementen als zirconium, tin, hafnium… kunnen wel nuttig zijn om verschillen in gebruikte grondstoffen (zand, smeltmiddel) aan te tonen, aangezien variaties in de gehaltes aan deze elementen te wijten zijn aan specifieke mineralen (veldspaten, klei, zware mineralen…). Aangezien er echter om een goed glas te bekomen maar een zeer nauw venster is voor de mogelijke chemische samenstelling van de 3
minerale grondstoffen, is de variatie in de samenstelling van het eindprodukt even gelimiteerd. Bovendien wordt glas vaak gerecycleerd, aangezien het zo goed als onbeperkt kan hersmolten worden. Dit kan verschillende glassamenstellingen mengen, en zo het beeld analytisch nog moeilijker maken. Om de herkomst van een zand vast te leggen, is de hoofd- en spoorelementenbenadering dus onvoldoende. Het gebruik van radiogene isotopen (voornamelijk Sr en Nd) bood nieuwe mogelijkheden voor herkomststudies van archeologisch glas. Radiogene isotopen ontstaan door radioactief verval over geologische tijd van moederelementen (bvb. U & Th, Rb, Sm…) naar hun respectievelijke dochterelementen (bvb. Pb, Sr, Nd…). Ze hebben de eigenschap niet in isotopische samenstelling te veranderen (te fractioneren) door de pyrotechnische processen gebruikt in het verleden. Bovendien kunnen grondstoffen met een gelijkaardige tot identieke hoofd- en spoorelementensamenstelling, zoals zanden geschikt voor glasproductie, wel geografisch uit elkaar gehaald worden door middel van radiogene isotopen. Zanden uit verschillende regio’s of afzettingen kunnen een verschillende isotopensignatuur hebben afhankelijk van hun geologische ouderdom, oorspronkelijke samenstelling en verdere geologische geschiedenis. Strontium komt in het glas terecht via de kalkbron, neodymium via niet-kwarts (zware) mineralen in het zand. Op deze manier kan de regio van oorsprong van primair glas, en zo de handel in dat materiaal over de gekende wereld, gereconstrueerd worden. Een eerste analytisch bewijs dat andere spelers dan de gekende centra in de Levant en Egypte actief waren op de glasmarkt in de vroeg Romeinse periode (1ste-3de eeuw AD), werd geleverd door middel van Sr-Nd isotopenanalyse. Veel stalen van vroeg Romeins glas uit opgravingen in het gehele Romeinse Rijk, bleken een afwijkende signatuur te vertonen van het “normale” primaire glas uit Syro-Palestina en Egypte. De oorsprong van het zand gebruikt voor dit glas, kan geologisch zelfs niet in het oost Mediterrane gebied liggen. Zo kon bewezen worden dat er in die periode zeker andere spelers actief waren op de glasmarkt, en komen Italië, Spanje en Gallië als producenten van primair glas in beeld. Het “divisie van productie”-model voor glas geeft een specifieke interpretatie aan analytische data, aangezien de glassamenstelling de primaire oorsprong (uit de minerale grondstoffen) reflecteert, en niet de secundaire oorsprong, waar het glas gevormd werd. Natron glas is dan ook een uitstekend materiaal voor het evalueren van het belang van een productiemodel in de interpretatie van analytische data en vice versa, en is archeologisch een uitstekend gegeven voor de reconstructie van handel in ruwe grondstoffen of halffabrikaten. Bibliografie P. Degryse, J. Henderson, G. Hodgins, Isotopes in Vitreous Materials, Leuven, University Press, 2008. P. Degryse, J. Schneider, Pliny the Elder and Sr-Nd isotopes: tracing the provenance of raw materials for Roman glass production. Journal of Archaeological Science, 2008, 35: 1993-2000. A. Ervynck, P. Degryse, P. Vandenabeele, G. Verstraeten, Natuurwetenschappen en Archeologie, Methode en Interpretatie, Leuven-Gent, ACCO, 2009.
4
