Radiokoolstofdatering en dendrochronologie: een inleiding voor de archeoloog. 28 oktober 2015

Transcriptie

1 Radiokoolstofdatering en dendrochronologie: een inleiding voor de archeoloog 28 oktober 2015

2 Radiokoolstofdatering : mark.vanstrydonck@kikirpa.be anton.ervynck@rwo.vlaanderen.be koen.deforce@rwo.vlaanderen.be mathieu.boudin@kikirpa.be Dendrochronologie : kristof.haneca@rwo.vlaanderen.be pascale.fraiture@kikirpa.be

3 De 14 C-methode, wat is dat voor iets? Mark Van Strydonck studiedag Radiokoolstofdatering en dendrochronologie: een inleiding voor de archeoloog KIK-IRPA, Brussels

4 Een atoom bestaat uit een kern en een wolk van elektronen (-) Radioactiviteit speelt zich af in de kern. Chemische reacties spelen zich af bij de elektronen. DUSradioactieve atomen reageren chemisch op dezelfde wijze als niet radioactieve.

5 De kern is samengesteld uit protonen (+) en neutronen

6 De kern is stabiel als er ongeveer even veel neutronen als protonen in zitten Anders wordt de kern onstabiel

7 In de natuur komen er 3 soorten koolstof voor 12 C = 98,99 % stabiel 13 C = 1,11 % stabiel 14 C = % onstabiel = radioactief = ONGELOOFLIJK WEINIG

8 14 C ontstaat in de atmosfeer door een reactie van stikstofkernen (N) met thermische neutronen (n). Stikstof is er overvloedig in de atmosfeer, maar waar komen die neutronen vandaan?

9 Thermische neutronen (n) zijn afkomstig van kosmische straling. Afkomstig van super novae.

10 Na een zekere tijd valt het 14 C atoom uiteen in Stikstof (N) en een β-deeltje

11 HET RADIOACTIEVE VERVAL HALFWAARDETIJD(T). Ditisdetijddienodigisopdatvaneen bepaalde hoeveelheid radioactieve deeltjes de helft zou desintegreren. Voor 14 Cbedraagtdeze 5730 ±40jaar. Activiteit (%) Tijd (jaren BP)

12 Activiteit (%) Dus na 5730 jaar blijft er nog de helft van het oorspronkelijke 14 C over 50% Tijd (jaren BP)

13 Activiteit (%) Na jaar nog 25%. 25% Tijd (jaren BP)

14 Activiteit (%) Na jaar nog 12%, enz 12% Tijd (jaren BP) Na 45/ jaar is de resterende hoeveelheid te klein om nog gemeten te kunnen worden.

15 14 C in de koolstofcyclus Assimilatie: fotosynthese > voedselketen >planten > dier > mens

16 14 C in de koolstofcyclus De 14 C-klok tikt vanaf het moment dat het materiaal de koolstofcyclus verlaat = dood object

17 14 C in de koolstofcyclus WAT KAN ER GEMETEN WORDEN? In principe alles wat zijn koolstof uit de atmosfeer betrekt. Verschil tussen archeologische/menselijk gebeurtenis en 14 C gebeurtenis = keuze staal

18 14 C in de koolstofcyclus Bouw Gebruik Verwoesting WAT KAN ER GEMETEN WORDEN? In principe alles wat zijn koolstof uit de atmosfeer betrekt. Verschil tussen archeologische/menselijk gebeurtenis en 14 C gebeurtenis = keuze staal

19 UITWISSELING i.p.v. ASSIMILATIE. Het 14 C-gehalte in oceanen, zeeën, meren, rivieren (mariene biosfeer) Terrestrische biosfeer 14 C in de koolstofcyclus

20 14 C in de koolstofcyclus WAT KAN ER GEMETEN WORDEN? In principe alles wat zijn koolstof uit de zee betrekt indien men rekening houdt met de reservoir ouderdom. Straks meer daarover

21 GEVOLG: als de 14 C concentratie in het bot van de dode kat maar 50% is van dat in de levende kat dan zijn de katte-beenderen 5730 jaar oud.

22 PROBLEEM het 14 C gehalte in de atmosfeer was vroeger anders dan nu De belangrijkste redenen: -1 veranderend aardmagnetisme -2 veranderende zonneactiviteit -3 menselijke invloed

23 Aardmagneetveld in het verleden -1 veranderend aardmagnetisme Een INVERSE relatie Verandering 14 C productiein hetverleden

24 Aardmagneetveld in het verleden -1 veranderend aardmagnetisme Praktisch gezien heeft dat niet zoveel invloed op het dateringsresultaat. Het geeft niet meer dan een harmonica effect op de eeuwen. Verandering 14 C productie in het verleden

25 De zon is niet stabiel: er zijn zonnecycli -2 veranderende zonneactiviteit

26 -2 veranderende zonneactiviteit Deze veroorzaken veranderingen in het magnetisch veld.

27 klimaatsveranderingen -2 veranderende zonneactiviteit

28 -2 veranderende zonneactiviteit Grindelwald (Zwitserland)

29 en veranderingen in de productie van 14 C -2 veranderende zonneactiviteit

30 -2 veranderende zonneactiviteit Deze veranderingen zijn wel belangrijk omdat er schommelingen voorkomen die soms binnen 1 eeuw gebeuren en dus binnen de meetonzekerheid vallen.

31 Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] -2 veranderende zonneactiviteit Deze veranderingen zijn wel belangrijk omdat er schommelingen voorkomen die soms binnen 1 eeuw gebeuren en dus binnen de meetonzekerheid vallen. 3500BP Radiocarbon determination 3000BP 2500BP 2000BP Hallstatt plateau 1500BP 1500CalBC 1000CalBC 500CalBC CalBC/CalAD 500CalAD Calibrated date

32 He kent men het 14 C gehalte in het verleden: Dendrochronologie (tot ca ) Varven(meerafzettingen) -2 veranderende zonneactiviteit Koraaldateringen

33 Bij de aanvang van de 20ste eeuw was de 14 C-concentratie lager dan normaal door het gebruik van fossiele brandstof. -3 menselijke invloeden

34 Ten gevolge van de nucleaire testen in de atmosfeer stijgt het gehalte snel in het midden van de 20ste eeuw. -3 menselijke invloeden Zakt nu terug zeer snel: 1) Geen nieuwe testen 2) Extra fossiele CO 2

35 Voordeel: Heel nauwkeurige echt of vals testen mogelijk. -3 menselijke invloeden Nadeel: Natuurlijke 14 C activiteit van modern materiaal is niet gekend DUS: Moderne standaard is een artificiële standaard 14 C?

36 PROBLEEM Bij elke chemische reactie verandert de verhouding 13 C/ 12 C en de verhouding 14 C/ 12 C Atmosfeer Plant Vrucht Vogel Kat Is een kwantummechanisch fenomeen, maar komt erop neer dat de 14 groter en zwaarder is dan de 13, en de 13 groter en zwaarder dan de 12.

37 PROBLEEM LINKS RECHTS Verhouding 1op2 0op0

38 PROBLEEM LINKS RECHTS Verhouding 1op1 1op4

39 PROBLEEM Elke verschuiving in de verhouding 14 C/ 12 C is tweemaal zo groot als de verschuiving in 13 C/ 12 C. Dit is een gegeven waar het laboratorium rekening mee houdt en corrigeert. MAAR:

40 Het laat ons wel toe om aan paleodieetreconstructie te doen. δ 15 N δ 13 C

41 PROBLEEM Toen Willard Libby de eerste metingen uitvoerde (1950) gebruikte hij een foute halfwaardetijd. Alle metingen waren dus 3% fout! -In die tijd wist men dat niet. -In die tijd wist men ook niet dat het gehalte aan 14 C in de loop der tijd veranderd is. GEVOLG

42 CONVENTIONELE Radiokoolstof ouderdom Men definieerde een radiokoolstof ouderdom als de ouderdom gemeten vertrekkende van het jaar (artificiële 0-jaar van de methode). Een ouderdom werd genoemd BP (BeforePresent) = voor DIT WAS EIGENLIJK EEN HISTORISCHE FOUT WANT EEN RADIOKOOLSTOFOUDERDOM IS GEEN OUDERDOM. Het gehalte aan 14 C verandert in de tijd. Dus een 14 C resultaat moet GEKALIBREERD WORDEN vooraleer het een kalenderouderdom wordt. De conventie werd behouden omdat dit het meetresultaat is. Kalibratie is al een interpretatie van het meetresultaat.

43 In het laboratorium deze namiddag 1) Het monster moet gekuist worden. De methode kan eenvoudig zijn. OPGELET Inschatting hoeveelheid materiaal moeilijk Hout na malen wassen met zuur, base, zuur. bewaringsgraad (oxidatie of niet)

44 In het laboratorium. of zeer complex Collageen extractie uit bot.

45 In het laboratorium 2) Preparatie en meting VROEGER: meting van de radioactieve straling. NADEEL: * traag 2 dagen meten per staal (wegens heel lage radioactiviteit) * veel materiaal; (meer dan 1 gram C, voor de voorbehandeling 8 gram hout en tot 300 gram bot!)

46 In het laboratorium Wat als we i.p.v. de radioactiviteit te meten de deeltjes zelf kunnen tellen? Meettijdvan > 2 dagen 50 min. Staal van >1 gram C 1mg C

47 In het laboratorium Tot voor kort waren deze machines groot, duur en moeilijk te onderhouden.

48 PROBLEEM 1 mg koolstof vind je in ALLES. Grote verantwoordelijkheid voor de archeoloog.

49 Meten en REKENEN 1) Een radioactiviteit meting geeft nooit een EXACT GETAL maar een WAARSCHIJNLIJKHEID. 2) Deze wordt weergegeven in een KANSVERDELINGSCURVE of GAUSS curve, 3) De kans zelf is het OPPERVLAK onder de curve

50 Meten en REKENEN Gemiddelde waarde De totale oppervlakte onder de curve is 1 of 100% kans.

51 Meten en REKENEN (A) (a) Een meetresultaat wordt weergegeven door het gemiddelde (A) en de Standaardafwijking (a). Dit wil zeggen dat er 68,2% kans bestaat dat de echte waarde begrepen is tussen A+aen A-aof A ±a

52 Meten en REKENEN (A) Curve van convex naar concaaf (a) Waarom 68,2% kans? Wiskundig gemakkelijk te berekenen! Geen enkel andere reden!

53 Meten en REKENEN 2 maal standaardafwijking (2σ) is 95,4%. Is voor ons veel werkbaarder gegeven, maar heeft helemaal geen wiskundige betekenis.

54 Meten en REKENEN Een hogere PRECISIE geeft een kleinere standaardafwijking: A±a vb: 2000±25 A±a vb: 2000±50 Zegt enkel iets over de spreiding van het resultaat en is ENKEL het gevolg van de MEETPRESICIE.

55 Meten en REKENEN zijsprong: PRECISIE en ACCURAATHEID PRECISIE hangt af van de meting ACCURAATHEID hierbij speelt ook de chemie, staalnameen preparatie een rol.

56 Meten en REKENEN -Een 14 C datering wordt dus weergeven door het gemiddelde en 1 standaardafwijking en gecorrigeerd voor isotopen fractionatie. -Als BP waarde alhoewel dit geen echte ouderdom is. -Het resultaat wordt gegeven met de laboratorium code, belangrijk voor de traceerbaarheid van de datering. -Eventueel met de stabiele isotopen indien belangrijk (vb.: beenderen). RICH 21973: 1532 ±30 BP

57 Meten en REKENEN Kalibratie programma s: OxCal Calib - calibomb CALPAL + andere minder gebruikte

58 Meten en REKENEN Kalibratie programma s: OxCal Calib CALPAL Radiocarbon determination 1800BP 1700BP 1600BP 1500BP 1400BP 1300BP Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] RICH (KTN ) : 1532±30BP 68.2% probability 430AD (34.4%) 490AD 530AD (33.8%) 580AD 95.4% probability 420AD (95.4%) 600AD 200CalAD 300CalAD 400CalAD 500CalAD 600CalAD 700CalAD 800CalAD Calibrated date

59 Meten en REKENEN Resultaat in calad, calbc, calbp Radiocarbon determination 1800BP 1700BP 1600BP 1500BP 1400BP 1300BP Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] RICH (KTN ) : 1532±30BP 68.2% probability X 430AD (34.4%) 490AD 530AD (33.8%) 580AD 95.4% probability 420AD (95.4%) 600AD 200CalAD 300CalAD 400CalAD 500CalAD 600CalAD 700CalAD 800CalAD Calibrated date Bij 68,2% verdeelt de waarschijnlijkheid zich in 2 blokken. Straks meer daarover

60 Meten en REKENEN: haal meer uit je data P ( A B) = P( B A)* P( A) P( B) Een vrij ingewikkelde wiskundig model waarbij de gegevens die je reeds weet (prior) samen met de data leiden tot een posterior. Thomas Bayes( ) Wordt vaak toegepast dankzij OxCal. Gevaar is wel dat je prior JUIST moet zijn. VOORBEELD

61 3 dateringen moeten gekalibreerd worden RICH-4001: 1500±30 RICH-4002: 1550±30 RICH-4003: 1600±30 Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Sequence VOORBEELD RICH ±30BP RICH ±30BP RICH ±30BP CalBC/CalAD 200CalAD 400CalAD 600CalAD 800CalAD Calibrated date

62 3 dateringen moeten gekalibreerd worden RICH-4001: 1500±30 middelste laag RICH-4002: 1550±30 bovenste laag RICH-4003: 1600±30 onderste laag Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Sequence VOORBEELD Sequence VOORBEELD {A= 63.6%(A'c= 60.0%)} RICH ±30BP RICH % RICH ±30BP RICH % RICH ±30BP RICH % CalBC/CalAD 200CalAD 400CalAD 600CalAD 800CalAD Calibrated date BC/AD 200AD 400AD 600AD 800AD Calendar date

63 3 dateringen moeten gekalibreerd worden RICH-4001: 1500±30 middelste laag RICH-4002: 1550±30 bovenste laag RICH-4003: 1600±30 onderste laag Tussen twee lagen een nota met daarop de tekst dat het in het jaar 500 AD geschreven is. 1 VI 500AD Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Atmospheric data from Reimer et al (2013);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron] Sequence VOORBEELD Sequence VOORBEELD {A= 38.8%(A'c= 60.0%)} RICH ±30BP RICH % RICH ±30BP RICH % C_Date TEKST 500±1 C_Date TEKST 92.1% RICH ±30BP RICH % CalBC/CalAD 200CalAD 400CalAD 600CalAD 800CalAD Calibrated date BC/AD 200AD 400AD 600AD 800AD Calendar date

64 Wiggle-matching is een speciale vorm van Bayesiaanse analyse. De prior is dat je het ouderdomsverschil tussen de verschillende dateringen exact kent. Straks meer daarover

65 DICHTHEIDS DIAGRAMMEN (som probabiliteit) Inschatting van de duurtijd van een periode Hoe lang was dit speciaal type van wollen tunica in gebruik? Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.5 Bronk Ramsey (2000); cub r:4 sd:12 prob usp[chron] DM113D 1630±60BP DM88B 1615±40BP DM88C 1590±40BP DM119D 1585±30BP DM ±60BP DM ±70BP DM88D 1485±40BP DM88E 1470±35BP DM119C 1450±50BP DM119B 1420±60BP DM ±40BP DM ±70BP 500CalBC CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD Calibrated date

66 Inschatting van de duurtijd van een periode Som probabiliteit Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.5 Bronk Ramsey (2000); cub r:4 sd:12 prob usp[chron] DM113D 1630±60BP DM88B 1615±40BP DM88C 1590±40BP DM119D 1585±30BP DM ±60BP DM ±70BP DM88D 1485±40BP DM88E 1470±35BP DM119C 1450±50BP DM119B 1420±60BP DM ±40BP DM ±70BP S U M 500CalBC CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD Calibrated date

67 Inschatting van de duurtijd van een periode Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.5 Bronk Ramsey (2000); cub r:4 sd:12 prob usp[chron] Sum tunics Introduction Blooming Decline Phase period Relative probability BC/AD 200AD 400AD 600AD 800AD 1000AD 1200AD Calendar date 95% probabiliteit = 400 years = 200 years Quartile Interval /floruit (robuuste indicator) = mid 50%

68 Een speciaal type schoenen en sandalen: diachroon or synchroon? 0,01 1 0,0075 SANDALS SHOES 0,75 p ro b a b ility 0,005 0,5 0,0025 0, cal AD 95% QI SHOES SANDALS OPGELET: NOOIT de vorm van de curve gebruiken voor densiteiten af te lezen = vorm van de kalibratiecurve

69 Inschatting van de duurtijd van een periode Condities met betrekking tot het gebruik van 14 C densiteits diagrammen De prior in deze oefening is wat de onderzoeker definieert als gerelateerde stalen (stilistisch, technologisch maar ook herkomst, site,.) De dataset moet: 1- unbiased zijn= er mag geen voorkeur zijn. 2-zo nauwkeurig als mogelijk = kleine standaardafwijking. 3-minstens 50/1000 jaar.