I difetti del quarzo e la datazione delle ceramiche antiche

I difetti del quarzo e la datazione delle
ceramiche antiche
Marco Martini
Centro Interdipartimentale per le Datazioni - CUDaM
Dipartimento di Scienza dei Materiali,
Università di Milano Bicocca
INFN Sezione di Milano Bicocca

The European Physical Journal Plus
Springer Verlag
Editor-in-Chief: Luisa Cifarelli
May 2011, Highlighted paper
The present role of small particle accelerators for the
study of Cultural Heritage
P. A. Mandò, M. E. Fedi, N. Grassi, Eur. Phys. J. Plus (2011)
DOI: 10.1140/epjp/i2011-11041-9

MONTE TESTACCIO

LUPA CAPITOLINA

TORRE ASINELLI

LA LUMINESCENZA TERMICAMENTE O OTTICAMENTE STIMOLATA
(TL e OSL)
hν
hν
A B C
A: Intrappolamento
B: Ricombinazione attraverso la banda di conduzione
C: Ricombinazione attraverso stati localizzati
hν

Informazioni su:
- cinetica del processo,
- profondità di trappola,
- l emissione (= centri di
ricombinazione)
3D-TL/OSL

Sotto stimolazione termica, si osserva un picco di emissione luminosa in
corrispondenza di ogni livello di trappola presente nel materiale
Intensity TL, a.u
1 10 6
8 10 5
6 10 5
4 10 5
2 10 5
GLOW CURVE
Quartz TL
0
0 100 200 300 400
Temperature, °C
TL

OSL intensity, a.u.
1.2 10 4
1 10 4
8000
6000
4000
2000
Quartz OSL
0
0 5 10 15 20
Time, s
Sotto stimolazione ottica, si osserva il decadimento del
numero di fotoni emessi. La curva è di solito la
sovrapposizione di più esponenziali
SHINE-DOWN CURVE
OSL

CONDIZIONE OTTIMALE:
LINEARITA' DELLA RISPOSTA TL IN FUNZIONE DELLA
DOSE
TL
DOSE

TL
IN UN CAMPO DI RADIAZIONE COSTANTE:
Dose assorbita proporzionale al tempo
TEMPO

TL
TL geologica
Formazione
dell'argilla
Saturazione
Cottura
Saturazione
TL archeologica
Tempo

DATAZIONE
DOSIMETRI: MINERALI NATURALI DELLE ARGILLE (QUARZO, FELDSPATI)
CERAMICA: SORGENTE DI IRRAGGIAMENTO NATURALE (INTERNO)
AMBIENTE: SORGENTE DI IRRAGGIAMENTO NATURALE (ESTERNO)
COTTURA IN FORNACE: DEFINISCE t=0
ETA’(anni)= DOSE EQUIVALENTE
DOSE ANNUA*
*dose annua=kD a+D b+D g+D CR
ETA’= DOSE ASSORBITA
DOSE RATE

Quarzo estratto da ceramica:
crescita non lineare di TL vs. dose impartita
Area del picco 350°C in risposta a successivi cicli di irraggiamento beta
(10 Gy)

Luminescence properties of crystalline SiO 2
Intrinsic point defects in quartz
Impurity related defects in quartz

Radioluminescence experimental setup
X-rays
off-axis parabolic mirrors
Sample
Polychromator CCD

Radio-luminescence (RL) apparatus
X-ray tube Polychromator
CCD
Excitation: X-ray tube Philips
2274 with Tungsten target
operated at 20 kV and 20 mA
(through a Be window).
Detection: Back illuminated
CCD (cooled at 150 K) CCD
Jobin-Yvon Spectrum One 3000
coupled to a Jobin-Yvon Triax 180
polycromator.
All the spectra were corrected
for the spectral response of the
detection system in the 200-1100
nm range.

RL INTENSITY (arb.units)
Synthetic quartz - Radioluminescence
20
15
10
5
0
Gs12 vacuum swept out
G12 untreated
G0 untreated
300 400 500 600 700 800
wavelength (nm)
RL INTENSITY (arb.units)
25
20
15
10
5
0
Li +
Na +
H +
GH H+ swept in
GLi Li+ swept in
GNa Na+ swept in
300 400 500 600 700 800
wavelength (nm)

RL amplitude (arb. units)
Natural quartz – Emission components
100
50
0
A
B
C
2 3 4 5
Energy (eV)
D
Gaussian deconvolution of
the RL spectrum of natural
quartz
eV nm
1.95 605
A 2.54 470
B 2.81 425
C 3.44 380
D 3.90 310

RL amplitude (arb.unit)
700
600
500
400
300
200
100
“predose-like” treatment on natural quartz: RL
Gli spettri RL sono stati misurati dopo ogni irraggiamento seguito da
riscaldamento (500°C 1 °C/s)
C
0
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
Energy (eV)
Normalized RL amplitude
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
First Measure
Last Measure
C
0
1.5 2 2.5 3 3.5 4
Energy (eV)
4.5 5 5.5
L’intensità della banda RL a 380 nm
cresce a seguito di una sequenza di
irraggiamenti seguiti da attivazione
termica, diventando l’emissione
principale.
D

PREPARAZIONE
DEI
CAMPIONI

Ceramica, sezione sottile
Inclusion, circa 100 mm
Fine-grain, 1-8 mm

ETA’(anni)=
DATAZIONE
DOSE TOTALE ASSORBITA
DOSE ANNUA*
*dose annua=kD a+D b+D g+D CR
INCLUSION > dose annua=D b+D g+D CR

DOSE ASSORBITA PROCEDURA ADDITIVA
Curve TL nat
Curve TL nat+Dosi di
laboratorio
Studio dell'andamento TL vs.dose
Intervallo di linearità

MISURA DELLA DOSE ANNUA

DOSE ANNUA
Dose interna: contributo a, b e g di Uranio, Torio e Potassio della
ceramica.
U+Th: attività a totale (ZnS)
K: fotometria a fiamma
U+Th+K: dosimetria b
U+Th : spettrometria a
U+Th+K: spettrometria g
Dose esterna: contributo b e g di Uranio, Torio e Potassio del terreno
+ raggi cosmici
U+Th: attività a totale (ZnS)
K: fotometria a fiamma
U+Th+K: spettrometria g
U+Th+K+RC: dosimetria g

VERO O FALSO ?

CARABINIERI DEL NUCLEO DI TUTELA DEL PATRIMONIO
ARTISTICO :
SEQUESTRI DI MATERIALE ARCHEOLOGICO

ABBAZIA DI POMPOSA
NON E' MATERIALE ROMANO MA MEDIEVALE
(30 laterizi datati dal VI all’XI secolo).
Edificazione: VIII secolo. La
decorazione del chiostro è
posteriore (XI secolo) ed è
costituita da fregi policromi
scolpiti su laterizi di modulo
romano (II secolo).
Esistenza di produzione artigianale locale, in
continuità con le pratiche antiche, anche in
periodi non documentati dalle fonti.

Scavi dell'antico complesso religioso situato nell'area del
Duomo attuale.
Problema di datazione: il complesso è stato edificato
durante l'episcopato di S. Ambrogio ( 374-397 d.C.)?
5 mattoni delle fondazioni sono datati 385+100 d.C.,
risultato che non esclude la loro contemporaneità con
Ambrogio (confermato successivamente da datazioni al C-14 eseguite
su carboni in malte coeve, data calibrata 370+75 d.C. e dal ritrovamento
di monete in bronzo dell'imperatore Valente, 364-375 d.C.).

SANTA MARIA FORIS PORTAS (CASTELSEPRIO)
BIZANTINA O MEDIEVALE?
Le datazioni (8 tegoloni della copertura originale del tetto e 3
mattoni prelevati dallo scavo del pavimento più antico)
indicano con elevata precisione che la chiesa è stata edificata
nell’IX secolo (830+45 d.C.) in accordo con altre datazioni
C-14 di legno e carboni coevi e con una nuova attribuzione
stilistica degli affreschi.

SAN PIETRO
Paleocristiana o medioevale?
Cottura della terra di fusione: 1310+40;+10 d.C.
E’ confermata con elevata precisione la datazione tardo
medievale, ed il risultato non esclude l’attribuzione
dell’opera ad Arnolfo di Cambio (1245-1310).

CAVALLO DI VICOLO DELLE
PALME (Roma)
Fortuitamente riportato alla luce nel 1849 in una cantina
romana. Attribuito a Lisippo o classificato copia romana
dell'originale greco.
Non datazione tradizionale, per la complessa storia della statua:
esposizione all'aperto in Grecia (?) e Roma, La fusione sepoltura della nella statua
cantina di Trastevere, esposizione in museo. non può essere avvenuta
dopo il II secolo a.C.
Termine certo ante quem per la fusione che ha permesso di
attribuire il cavallo all'epoca greca classica.

Bologna, Asinelli Tower
La storia della costruzione e degli
interventi sulle Torri Asinelli e
Garisenda è complessa.
Sono stati prelevati e datati
campioni da 40 mattoni a diversi
livelli della Torre Asinelli.
I mattoni dell’edificio originale ai
livelli più alti sono datati all’XI
secolo (1070 + 60 AD). Le date del
settore centrale (1420 + 40 AD)
sono invece da mettere in
relazione con l’incendio del 1412,
che distrusse il balcone in legno
che univa la Torre con la
Garisenda.

LA LUPA CAPITOLINA
LA LUPA E' MEDIEVALE
IN ACCORDO CON RECENTI STUDI
ARCHEOMATALLURGIGI
E DATAZIONI C-14 (CEDAD-UNILE)
LE ANALISI ESEGUITE SU 24
FRAMMENTI DI TERRA DI
FUSIONE ESCLUDONO
DATAZIONI PRECEDENTI AL
IX E POSTERIORI AL XV
SECOLO
Intervallo di date più probabili

•AZZERAMENTO DELL'OROLOGIO LUMINESCENTE:
ESPOSIZIONE ALLA LUCE SOLARE DURANTE TRASPORTO E
DEPOSIZIONE
•DATAZIONE DI MATERIALI NON COTTI
•LIMITE TEMPORALE: FINO A 500,000 ANNI (MA ANCHE EVENTI
STORICI RECENTI)
•TRATTAMENTI CON HCl HF E H 2O 2 , SEPARAZIONE CON
LIQUIDI PESANTI, SEPARAZIONE MAGNETICA PER SEPARARE
LE FASI MINERALI
•EVITARE L' ESPOSIZIONE ALLA LUCE

CAMPI DI APPLICAZIONE CONSOLIDATI
•Sedimenti geologici eolici, glaciali e fluviali
•Terremoti, inondazioni e tsunami anche recenti (200 anni)
•Adobe
• Livelli deposizionali antropici in scavi archeologici
NUOVE APPLICAZIONI
•Malte e leganti
•Superfici (crollo di colonne o elementi architettonici)
•Materiale extraterrestre (Marte)

Cava di Bubano : OSL dating di una
sequenza stratigrafica del tardo olocene.
Confronto con C-14: accordo
Intensità OSL (a.u.)
Li / Ti
Curve di decadimento OSL
1.5 10 4
1 10 4
5000
Natural signal
Artificial dose 3 Gy
Artificial dose 6 Gy
Artificial dose 10 Gy
Artificial dose 12 Gy
Artificial dose 14 Gy
Artificial dose 16 Gy
Artificial dose 18 Gy
Artificial dose 25 Gy
Artificial dose 40 Gy
0
0 2 4 6 8 10
6 10 4
5 10 4
4 10 4
3 10 4
2 10 4
1 10 4
Tempo (sec)
Crescita del segnale OSL in
funzione della dose
m1
m2
m3
Chisq
R
E.D.= 30 Gy
0
0 10 20 30 40 50
Dose (Gy)
y = m1-m2*exp(-m3*M0)
Value Error
1.5534e+05 33865
1.5439e+05 33214
0.010855 0.0029794
3.5413e+06 NA
0.99903 NA
(*) Datazione
OSLfatta su Kfeldspato
(**)
Campione non
databile

SURFACE DATING: misura del tempo
trascorso dall'ultima esposizione alla luce

SURFACE DATING DI
MONUMENTI GRECI:
OTTIMO ACCORDO CON LE
DATAZIONI STORICHE
Site Datazione
archeologica
Datazione OSL
Delphi, tempio di Apollo 550 a.C. 470+200 a.C.
Samo, tunnel di Efpalinion 530 a.C. 570+300 a.C.
Amfissa, mura V sec. a.C. 480+300 a.C.
Micene, mura 1280 a.C. 1110+300 a.C.
Liritzis and Vafiadou, Mediterranean Archeology and Archeometry, 5, 1 (2005) 25-38.

LE LINEE NATZCA
Cresta de Sacramento
PERU
Datazione storico/stilistica: Paracas - Natzca (500 a.C. - 600 d.C.)
Le linee sono costruite rimuovendo le pietre scure del selciato desertico esponendo il
limo chiaro sottostante. La superficie attualmente non esposta delle pietre rimosse,
posizionate ai lati, schermata dall'esposizione solare, è stata datata per risalire al
tempo trascorso dalla rimozione = costruzione del geoglifo
DATAZIONE MEDIA OSL
80 ± 200 a.C. NATZCA INIZIALE
Greilich, Glasmacher and Wagner, Archaeometry 47,3 (2005) 645-665.

Il laboratorio di Datazione con Luminescenza è nato nel 1980;
la sua attività è documentata da pubblicazioni su riviste
specializzate e comunicazioni a congressi e conferenze
nazionali ed internazionali.
Dal 1980, sono state datate diverse migliaia di ceramiche e
laterizi archeologici.
All’estero
Ecuador, Perù, Messico, Belize, Sierra Leone, Mali, Libia, Egitto, Marocco, Sudan, Ruanda, Oman,
Yemen, Spagna, Francia, Germania, Slovenia, Albania, Iran, Pakistan, Nepal, Thailandia, Vietnam, Cina,
Indonesia…

… e in Italia
Distribuzione
regionale dei
campioni datati
100