metodika geoarcheologie

Rešerše metodiky používané v geoarcheologii
Markéta Jarošová
1.
Fosfátová analýza: Rostliny v přírodě přirozeně využívají prvky jako je dusík, fosfor,
draslík, kalcium, magnesium a síra. Podstatné množství dusíku, fosforu a kalcia se do půd
dostává z odpadů z jídla, lidských i zvířecích kostí. Proto lidská aktivita může výrazně přispět
ke zvýšení nebo naopak ke snížení koncentrace fosforu v půdách a sedimentech (Rapp and
Hill, 2006). Této skutečnosti si jako první všiml a upozornil na ní Olaf Arhenius (1935) (Kuna,
2004). Tyto koncentrace se dají změřit a na základě změřených dat se dá usuzovat na existenci
a někdy i rozsah antropogenního zásahu.
Fosfátové analýzy patří do metod geochemie. Podle Rappa a Hilla se dají analytickými
technikami rozlišit tři frakce fosfátů:
a) fosfor lehce vyložitelný, většinou fosforečnan hlinitý AlPO4 nebo fosforečnan železitý
FePO4 spojený s pěstováním rostlin (včetně obilí)
b) těsněji vázaný fosfát běžně spojovaný s lidskou aktivitou
c) přírodní geologický fosfát
Z extrakčních činidel je ve fosfátové prospekci často využívána 20% HCl (kyselina
chlorovodíková), HNO3 (kyselina dusičná) a také 5% CH3COOH (kyselina octová). Tato
metoda využívá reakce fosforečnanů s molybdenanem amonným a chloridem cínatým za
vzniku molybdenové modře (Kuna, 2004). Ke stanovení obsahu fosfátů ve vzorcích jsem
použila tzv. relativní metodu fosfátové půdní analýzy (Majer, 1984). Vzorky byly měřeny
v prostorách fakulty elektrotechniky Údolní 244/53, Brno.
Metoda měření : Odebraný vzorek se vysuší, rozetře se v moždíři a proseje sítem s velikostí ok
100 µm. Z takto připraveného vzorku se naváží 2g, extrahují varem s 5ml 5% CH3COOH, po
dobu dvou minut od začátku varu. Poté se vzorek schladí 5ml studené vody a zemina se
odfiltruje papírovým filtrem. Filtrát je poté fotospektrometricky změřen. (Kuna, 2004).
Problémy s interpretací:
V přirozeném prostředí může ke změnám koncentrací fosfátů docházet i spontánně bez vlivu
člověka. Existují prostorové odchylky v zadržování fosfátů a vertikální odchylky v půdních
profilech.
Vzorky mohou být
nabohacenyfosfáty z hnojiv a díky produkci exkrementů
pasoucích se zvířat (Rapp and Hill, 2006).
2.
Ztráta žíháním: Cizím názvem LOI (Loss On Ignition), spadá do oblasti analytické
chemie. Tato technika může být použita pro změření procentuální vlhkosti, objemové
hmotnosti, procentuálního obsahu uhlíku, organických zbytků, CaCO3 a zbytkových
křemičitanů (http://www.geog.cam.ac.uk/facilities/laboratories/techniques/loi.html). Spočívá
v zahřátí vzorku na určitou teplotu a měření váhového úbytku způsobeného odpařením určité
složky (karbonátů, křemičitanů, vody).
Metoda měření: vzorek je nasypán do keramické misky, kterou je nutno nejprve zvážit
(hodnota n1), následuje zvážení vzorku i s miskou (hodnota n2). Poté je vzorek s miskou sušen
v sušičce či v peci na teplotu 105 °C maximálně po dobu šesti hodin. Vysušený vzorek je opět
zvážen, rozdíl hodnot ve vzorku před a po zvážením se rovná obsahu kapilární vody, tj.
vlhkosti vzorku.
Následně je vzorek dán do pece předehřáté na teplotu 550 °C, kde je
ponechán po dobu minimálně 6ti hodin. Poté je teplota v peci snížena zhruba na 100 °C, po cca
hodině je vzorek vyjmut, uložen do exsikátoru, tak aby do sebe nenasál vzdušnou vlhkost a po
částečném vychladnutí zvážen. Po zvážení se vzorek znovu zahřeje tentokrát na teplotu 950 °C
opět na nejméně šest hodin. Poté se teplota v peci opět sníží na 100 °C a po cca hodině se
vzorek vyjme a opět se nechá vychladnout v exsikátoru, aby mohl být zvážen. Poslední dva
rozdíly dávají při složitějším přepočtu (viz text níže) informaci o procentuelním obsahu
organické hmoty a karbonátů ve vzorku. Vzorky byly měřeny v prostorách fakulty
elektrotechniky Údolní 244/53, Brno.
Metoda měření byla převzata ze stránek:
http://www.geog.cam.ac.uk/facilities/laboratories/techniques/loi.html
Pomocí následujících vzorů se vypočte:
-
váha vlhkého vzorku = n2-n1
procentuelní vlhkost =((n2-n3)/n2)*100
procentuelní obsah organické hmoty =((n3-n4)/n3)*100
váhový úbytek CO2 = n4-n1
hmotnostní obsah karbonátů = (n4-n1)*2,274
-
procentuelní obsah karbonátů = (n4-n1)*2,274/(n3-n1)*100
procentuální obsah silikátového rezidua = 100-(A+B)
přičemž:
Váha misky (n1)
Váha vlkého vzorku s miskou (n2)
Váha vzorku po vysušení na 105°C s miskou (n3)
Váha vzorku po spálení na 550°C s miskou (n4)
Váha vzorku po spálení na 850°C s miskou (n5)
Procentuelní obsah organické hmoty (A)
Procentuelní obsah karbonátů (B)
Problémy s interpretací: Ne vždy navážený úbytek reprezentuje organický materiál obsažený
ve vzorku. Je obtížné stanovit přesnou teplotu a trvání žehu, tak aby se sežehla jen organická
hmota a minimalizovalo spálení materiálu anorganického. Výše teplot a jejich trvání může
ovlivnit podíl váhy ze ztráty žíhání i měřené množství půdního uhlíku
(http://soil.scijournals.org/cgi/content/full/71/2/545). Tato metoda je vhodná hlavně pro
sedimenty s vyšším obsahem organické hmoty, u vzorků s nízkým obsahem organické hmoty
je statistická chyba příliš markantní.
3.
Magnetická
susceptibilita:
Magnetická
susceptibilita
je
jednou
z metod
magnetometrie. Magnetometrie je soubor magnetometrických metod, sledujících magnetické
pole Země a jeho poruchy. V archeologii se dá využít k vyhledávání zahloubených objektů –
jam, příkopů, palisád a objektů vypálených – pecí, ohnišť (Rapp and Hill, 2006). Magnetická
susceptibilita je hodnota měřena v indukovaném magnetickém poli se stanovenou frekvencí a
je vyjádřená jednotkami Si. Podle toho, jak se materiál v magnetickém poli chová, je možné
jej podle intenzity signálu rozdělit do tří skupin – diamagnetický, paramagnetický a
feromagnetický (Brož,
1953). Diamagnetický má zápornou hodnotu susceptibility,
paramagnetický reaguje jen po dobu blízkosti silného magnetického pole a feromagnetický
materiál má velmi silnou odezvu na vnější magnetické pole. Vypálené jíly, vysušené zdi a další
materiály obsahující železo se stávají magnetickými, pokud se zahřejí na několik set stupňů.
Na vzorcích se susceptibilita měří laboratorně nebo v terénu kapametrem.
susceptibilita se dá vypočítat podle vzorce χm =
M
H
Magnetická
kde veličina H znamená velikost
magnetického pole a veličina M magnetizaci (Brož, 1953). Naměřené hodnoty nejvíce závisí
na obsahu feromagnetických minerálů, chemickém složení, tvarech a rozměrech krystalů a zrn,
obsahu organických složek v půdě nebo hornině (Kuna, 2004). Magnetickou susceptibilitu půd
a sedimentů ovlivňují dva faktory. Prvním je přítomnost oxidů železa jako je hematit (α
Fe2O3), maghemit (γ Fe2O3) a magnetit (Fe2O3) a druhým je stupeň antropogenního ovlivnění
(Rapp and Hill, 2006).
Magnetickou susceptibilitu lze měřit na jednotlivých vzorcích či kontinuálně v rámci
vrtného jádra. Při měření jednotlivých vzorků je možné MS přepočítávat na výhovou jednotku,
tzv. hmot nostní MS. Pří měření vrtného jádra je sledována vertikální fluktuace MS pro
konstantní
množství
vzorku.
(http://www.geog.cam.ac.uk/facilities/laboratories/techniques/magsus.html).
Metoda měření: Vzorky musí být před měřením vysušeny při teplotě 105 °C po dobu
8mi hodin a zváženy. Před měřením je přístroj nakalibrován na příslušnou frekvenci. V případě
vzorků týkajících se výzkumu sedimentů z halštatských podzemnic byly použity frekvence
976, 3904 a 15616Hz. Nejprve byl změřen prázdný kelímek, určený pro měření jednotlivých
vzorků. Vzorek byl zvážen a dán do kelímku, vsunut do přístroje, kde bylo indukováno
magnetické pole. Přístrojem byla změřena odezva vzorku. a připojeným počítačem
automatickypřepočítána a zaznamenána. Měřeno bylo dvacet vzorků. Po naměření všech
vzorků byl přístroj překalibroval na frekvenci 3904Hz, nechán na deset minut ustálit a proces
měření byl opakován. Měření bylo prováděno stejným způsobem potřetí na frekvenci 15
616Hz. Měření probíhalo v budově bývalé geofyziky Ječná 1321/29a, Brno-Řečkovice a byl
použit přístroj MFK1-FA Kappabridge na frekvenci 976Hz, 3904Hz, 15 616Hz.
Vzorek byl měřen na třech různých frekvencích kvůli zjištění přítomnosti malých
supermagnetických částic, které vznikají pedogenně a je lze touto metodou zachytit.
Respektive se tak dá v tomto konkrétním případě rozlišit přemístěná půda od přemístěné
spraše.
Problémy s interpretací: Pro interpretovatelnou MS je třeba mít dostatečný kontrast
mezi okolním pozadím a archeologickou situací, kterou měříme. Nepřítomnost dalších objektů
(vedení vysokého napětí, plynovody atd.), které se našeho měření netýkají a mohou způsobovat
zkreslení naměřených veličin (Kuna, 2004; Křivánek 2001). Metoda je citlivá na přítomnost
vody a i obecně se nedoporučuje měřit krátce po srážkách v blízkosti velkých řek nebo
v oblastech s kolísající hladinou podzemní vody (Kuna, 2004). Změny v magnetické
susceptibilitě jsou ovlivňovány množstvím faktorů a tato metoda by měla být vždy
kombinována s metodou která dodá pro interpretace zpětnou vazbu.
4.
palynologie: Palynologie se zabývá především studiem pylových zrn, spór a akritarch.
Použití palynologických analýz je velmi široké, např. při ekologických, geoarcheologických či
environmentálních interpretacích. Na základě nálezů pylových zrn na dané archeologické
lokalitě mohou být prováděny paleoenvironmentální rekonstrukce vegetace a rostlinných
společenstev (Hložek, 2008). Jednotlivé skupiny pylových spekter jsou dobrými indikátory
srážek a teploty (Rapp and Hill, 2006). V závislosti na druhu a četnosti objevených pylových
zrn a spórlze vyvozovat další závěry o environmentálním prostředí, či o způsobu jakým lidé
své okolí ovlivňovali, tj. jaké plodiny pěstovali, kultivovali, mýtili a uměle tak vytvářeli nové
typy prostředí.
Metoda měření: Vzorky o objemu mezi 0,5 – 2 cm3 byly umístěny do 50ml odstředivkových
zkumavek. Poté byla připravena vodní lázeň o teplotě 90 °C , zkumavka bylado dvou třetin
naplněna 7% HCl (kyselina chlorovodíková) a ponechána v 90 °C vodní lázni po dobu 20-30
minut. Tak došlo k rozpuštění uhličitanu vápenatého - CaCO3. Reakce je občas bouřlivá, na její
zmírnění lze použit denaturovaný líh. Jestliže je vzorek hodně vápnitý je nutné uhličitan
vápenatý odstraňovat pozvolna, přidáváním malého množství HCl. Po odstranění karbonátů je
kapalina nad sedlinou slita do velké odpadní zkumavky. Obsah zkumavky na odpad byl
později vylit do odstředivky a smyt, resp. naředěn na přístupnou koncentraci vodou do odpadu.
Na dně odstředivkových zkumavek zůstal pevný zbytek, který byl promíchán a zkumavka
dolita vodou. V další fázi se naplnily zkumavky z jedné třetiny až z jedné poloviny 10% NaOH
(hydroxidem sodným). Tím byly vyluhovány huminové kyseliny. Zkumavky byly umístěny do
vodní lázně na 2-4 minuty a poté prolity přez síto deionizovanou vodou. Vzorek je poté
dekantován, tj. promýván vodou, dokud při slívání nezůstává kapalina čirá. Tento proces
obvykle vyžaduje 5-6 umytí. Tímto způsobem je vzorek zbaven huminových kyselin a jílu.
Dalším krokem při přípravě vzorku je opětovné propláchnutí 7% HCl pro ujištění, že ve
zkumavce nezůstal žádný přebytečný karbonát. Následující fáze je velmi nebezpečná. V
digestoři je připravila velká kádinka s nasyceným roztokem NaCO3 (uhličitan sodný). Horká
HF (kyselina fluorovodíková) je nalita do dvou až tří třetin úrovně kádinky se vzorkem a
nechána po dvě hodiny v 90 °C lázni v digestoři reagovat. Následuje pečlivé omytí v NaCO3.
Zvláště křemičitanem bohaté vzorky mohou vyžadovat několikanásobné množství HF či dobu
po kterou vzorek musí reagovat. Pomnocí HF byly ze vzorku odstraněny křemičitany. V další
fázi jsme umístili ohřátou 7% HCL do vodní lázně na 20-30 minut abychom odstranili
silikátováresidua a fluorosilikáty. Zahřátím vzorku se dá zvýšit rozpustnost. 10% HNO3 byla
použitta na odstranění sulfidů. Jako v předchozích fázích byly zkumavky promyty vodou, a
následně CH3COOH (kyselina octová). Po dalším promytí vodou je vzorek připraven pro
acetolýzu. Smícháním acetanhydridu s koncentrovanou kyselinou sírovou v poměru 9:1
v odměrném válci je připraven roztok. V digestoři je umístěno
5ml roztoku do každé
zkumavky a ponecháno ve vodní lázni po dobu 3 minut. Timto jeodstraněna celulóza a
polysacharidy. V dalším kroku je vzorek odstaven z vodní lázně a doplněn Ch3COOH, tímto je
acetolýza zastavena. Vzorek je odstředěn a přebytečná kapalina slita. Po následném promytí
vodou je přidána 10% NaOH, vzorek zamíchán a opět dolit vodou, odstředěna kapalina slita.
Tímto procesem je pH vzorku změněno z lehce kyselého na lehce alkalické. Následuje
promývání vzorku přičemž se do vzorku přidává barvivo (1-4 kapky safraninu). Vzorek je
zamíchán, dolit vodou a slit. Další fáze zahrnuje promytí tert-butanolem, který je pro tento účel
již předem rozpuštěn ve vodní lázni. Tímto roztokem jsou zkumavky naplněny z jedné
poloviny, odstředěny a slity do zkumavky s vodou. Tert-butanol ze vzorku odstraní vodu a
silikonový olej.. Postupně je Tert-butanol a pevné reziduum slíváno do odlišně označených
zkumavek. Po promytí vzorku je přídáno do pevného rezidua pár kapek silikonového oleje do ,
promícháno a umístěno opatrně do zkumavky opatřené tkaninou. Vzorek jepřikryt abychom
zabránili kontaminaci. Tert-butanol se za několik dní vypařil. Vzorky byly hlídány a míchány,
aby nevyschly. Poté byly ze získaných reziduí zhotoveny pevné preparáty, připravené na
pozorování. Příprava a analýza vzorků proběhly v budově katedry botaniky přírodovědecké
fakulty Univerzity Karlovy, Benátská 433/2 128 00 Praha-Nové Město. Analýzu prováděl Mgr.
Libor Petr.
Metoda převzata z http://www.geog.cam.ac.uk/facilities/laboratories/techniques/pollen.html
Problémy s interpretací: Pro pylovou analýzu jsou vhodné pouze některé typy některé
sedimentů. Oxidační a alkalické prostředí je pro zachování pylových zrn nevhodné. Při
interpretaci je nutné znát typ prostředí typický pro jednotlivé druhy rostlin, míru pylové
produkce jedinců, morfologii terénu, vzdálenost na kterou jsou pylová zrna distribuována. .
Materiál může být kontaminován staršími sedimenty (Jankovská, 2001). Vzorky musí být
chráněny před kontaminací recentními pyly.
5.
mikromorfologie: Je studium vnitřní stavby sedimentu či půdy. Pro účely této práce
byla zvolena metodika mikromorfologie v archeologickém kontextu podle Bullocka (xxxx),
Stoopse (2002) a Goldberga a Macphaila (2006). Mikromorfologie v archeologickém kontextu
je vyvinuta z půdní mikromorfologie a objevuje se běžně v anglosaské literatuře posledních
deset let. Zakladatelem púdní mikromorfologie na kterou mirkomorfologie v archeologickém
kontextku volně navazuje byl Kubiena (1938). Prakticky se jedná omikroskopické studium
půdních výbrusů. Lze tak získat informace o složení hrubé frakce, matrix, množství a velikosti
pórů, texturních prvků a vzájemných vztazích. Na tomto základě lze interpretovat například
provenienci materiálu, způsob zaplňování objektu, míru pedologické aktivity, vyluhování,
humifikaci, vysychání, mrazové ovlivnění. . Je schopná zachytit přítomnost mikroartefaktů,
exkrementů, Okrouhlíků, rozeznat spálené ulomky kostí od těch které prošly trávicím traktem,
spálenou organiku od dlouhodobě oxidované. (Rapp and Hill, 2006, Lisá et al., 2009).
Metodika analýzy: Vzorek je in situ odebrán do tzv. kubiena boxů. Poté pomalu vysušen a
naimpregnován ve vakuu pryskyřicí. Po šesti týdnech tuhnutí je ze vzorku uříznuta destička o
tloušťce cca 1 cm a ta zbroušena do naprosté roviny. Poté je pod zátěží nalepena pryskyřicí na
matované sklíčko a vybroušena do cca 30 mikronů tenkého plátku aby mohla být studována
pod binokulárním polarizačním či fluorescenčním mikroskopem případně na mikrosondě
pokud není následně přikryta krycím sklíčkem ale naleštěna. Pozorování a měření prováděla
Dr. Lenka Lisá.
Problémy s interpretací: Ve velmi vlhkém prostředí je obtížné dopravit vzorky do laboratoře
v neporušeném stavu. Odběr je poměrně složitý – je potřeba neporušený a orientovaný vzorek
(http://www.scribd.com/doc/17113043/Soil-Micro-Morphology-Principles). Tato metoda se
stále rozvíjí a přesto že již existuje množství experimentálních dat, nelze vždy interpretovat
daná pozorování jednoznačně. Některé texturní prvky mohou bt způsobeny více druhy procesů.
K celkové interpretaci je nutné zohlednit makroskopický popis sedimentů, geomorfologii a
geologický background lokality.