Universität zu Köln

Luminescence dating of heated silex - Potential to improve accuracy and precision and application to Paleolithic sites

Schmidt, Christoph (2013) Luminescence dating of heated silex - Potential to improve accuracy and precision and application to Paleolithic sites. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Thermoluminescence (TL) dating of heated silex artefacts represents an important chronometric tool for Middle to Upper Paleolithic archeological contexts. Since the firing of these lithics can legitimately be attributed to human agency, this method provides direct age estimates of the occupation of a site. However, in relation to other dating methods, the precision of TL dates is comparatively low, and the often observed “overdispersion” in ages of obviously syndepositional finds indicates additional sources of scatter mainly disregarded so far. This thesis examines potential sources of both imprecision and inaccuracy of age estimates as well as the capability of alternative approaches to overcome or reduce these shortcomings of the TL method applied to heated silex. Besides assessing the influence of spurious luminescence signal contributions from sample carriers on determined dose, focus is set on investigating strength and uniformity of the internal dose rate of silex samples and resulting effects on the age. Being constant over burial time, self-dosing may either decrease the influence of elusive and variable external radiation – in case of homogeneous radioelement distribution within the sample – or introduce systematic errors and enhanced data scatter, if radiation is concentrated in “hot spots”. With α- and β-autoradiography and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS), both qualitative and quantitative approaches served to draw a detailed picture on presence and spatial distribution of hot spots and associated impurities in thick sections of over 20 silex specimens. While the low β-activity of most samples is rarely visible on respective autoradiographs, recorded α-tracks revealed zones and spots with strongly increased Th and U concentrations. Comparison of autoradiographs with sample surfaces shows a clear relationship between track density and impurities or filled cracks. These findings are confirmed by LA-ICP-MS: In contrast to the low radioactivity of pure silex, most kinds of impurities are related to strongly increased radiation. If this is not accounted for, micro-dosimetric effects may lead to random and systematic errors in age determination. Additionally, the performance of TL single-aliquot regenerative-dose (SAR) protocols for dating small-sized samples and as a diagnostic tool for non-uniform dose distribution in the samples was tested. For both the blue (~475 nm) and red (~630 nm) TL emission it was found that the degree of adequate sensitivity-correction by test dose monitoring strongly depends on the properties of individual samples. However, laboratory doses could be well reproduced for most specimens. By comparing De distributions from natural dose measurements and dose recovery tests and regarding the value range of sensitivity corrected natural signals (Ln/Tn), assessment of sample homogeneity and SAR dose response behavior is enabled, respectively. Unlike for commonly used TL, few is known about optically stimulated luminescence (OSL) of silex. However, access to specific, optically sensitive trap populations (e.g. slow-components) and more gentle heat treatment in the course of SAR sequences may yield the benefits of increased saturation dose levels (and hence upper dating limits) and reduced systematic errors, respectively. Therefore, fundamental properties such as signal composition and thermal long-term stability of silex OSL were studied and its applicability to heated samples evaluated. First-order fitting of linearly modulated (LM-) OSL curves showed best results for five components in most cases. Pulse annealing experiments and the varying heating rate method, however, attested only the best bleachable component sufficient thermal stability. Successful dose recovery tests and OSL ages in agreement to TL ages of the same samples validate the general applicability of this OSL component for dating. However, since not all silex varieties show an optical signal at all, this approach may be regarded as complementary to TL and reassuring for important samples. In the applied part of this thesis, several sets of heated artefacts from Middle and Upper Paleolithic sites in Portugal, Spain, Romania and Egypt were TL and OSL dated. Gravettian samples from Vale Boi (Portugal) were submitted for dating after termination of the excavation, so that environmental radiation could not be determined accurately. This is very likely the reason for the significant deviation between radiocarbon dates of the same layer and TL ages, because SAR and multiple-aliquot additive-dose (MAAD) ages of the same sample agree and other influencing variables such as the α-efficiency or the moisture content have too little impact on the calculated age as to explain the observed discrepancies. The SAR approach allowed dating the relatively small silex samples from the cave site Las Palomas (Spain). Here, successful dose recovery tests indicated the suitability of the measurement procedure, and in-situ measurements of γ-radiation provided more accurate dose rate information. As a result, TL ages between ~51 and ~84 ka allow a first chronometric assessment of the formerly undated archeological remains. Artefacts from the Aurignacian site Româneşti-Dumbrăviţa I (Romania) proved to be more problematic, as part of them had to be discarded due to poor dose reproducibility. SAR measurements, dose recovery tests and their detailed analyses suggested internal non-uniformities of most samples, so that only rigorous data filtering allowed extraction of reliable age estimates. Due to the luminescence behavior of dated samples, the occupation of the site could, however, not be narrowed down to a range smaller than ~39-45 ka, giving a weighted average age of 40.6 ± 1.5 ka for the Aurignacian find layer. Furthermore, two TL emissions (blue and red) and two protocols (SAR and MAAD) were applied to heated silex from Sodmein Cave (Egypt). Dose recovery tests showed uncorrectable sensitivity changes of the TL signal, rendering the TL SAR sequence inaccurate for these samples. Consequently, age estimates are based on TL MAAD and OSL SAR data; for the smallest sample only a TL SAR maximum age can be given. Coming from different depths of a huge hearth, TL ages of dated samples indicate a large time span to be condensed in the archeological deposits, probably reaching from MIS 5e to MIS 5a.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    Thermolumineszenz (TL) erhitzter Silex-Artefakte stellt eine bedeutende Datierungsmethode für Mittel- und Jungpaläolithische Fundsituationen dar. Da die Erhitzung der Werkzeuge mit großer Sicherheit menschlichem Handeln zuzuschreiben ist, liefert diese Methode direkte Alter für die prähistorische Besiedlung. In Relation zu anderen Datierungsmethoden weisen TL-Alter jedoch eine vergleichsweise geringe Präzision auf, und die vielfach beobachtete Altersdivergenz von Funden aus der gleichen Schicht deutet auf zusätzliche, bisher wenig beachtete Fehlerquellen hin. Die vorliegende Arbeit untersucht mögliche Ursachen verringerter Genauigkeit und Präzision von TL-Altern an erhitztem Silex sowie das Potential alternativer Ansätze zur methodischen Weiterentwicklung. Neben dem Einfluss von Lumineszenz-Störsignalen von Probenträgern auf die bestimmte Dosis einer Probe stehen vor allem die Untersuchung der Stärke und Homogenität der internen Dosisleistung von Silex sowie entsprechende Auswirkungen auf das berechnete Alter im Mittelpunkt. Als zeitlich konstante Größe kann die „Selbstbestrahlung“ einer Probe entweder den Einfluss der oft schwer fassbaren und veränderlichen externen Dosisleistung verringern (im Falle von homogener Radionuklidverteilung in der Probe) oder aber zu systematischen Fehlern und verringerter Präzision führen, falls die Strahlung in „Hot Spots“ konzentriert ist. Mit α- und β-Autoradiographie und laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) dienten sowohl quantitative als auch qualitative Methoden dazu, detaillierten Einblick in Anzahl und Verteilung von Hot Spots sowie assoziierten mineralogischen Unreinheiten in über 20 Silex-Proben zu gewinnen. Während die geringe β-Aktivität der meisten Proben auf den Autoradiographien kaum sichtbar war, zeigte die Verteilung der α-Spuren Zonen von deutlich erhöhtem Th- und U-Gehalt. Der Vergleich von Autoradiographien und den Probenoberflächen weist einen klaren Zusammenhang zwischen Spurdichte und mineralogischen Unreinheiten nach. Bestätigt werden diese Befunde durch LA-ICP-MS, wonach reiner Silex sehr geringe Radioaktivität aufweist, die meisten Unreinheiten aber mit erhöhter Strahlung einhergehen. Berücksichtigt man dies nicht im Datierungsprozess, können mikrodosimetrische Effekte zu systematischen und zufälligen Fehlern bei der Altersberechnung führen. Weiterhin wurde das Potential von TL single-aliquot regenerative-dose (SAR) Messprotokollen zur Datierung kleiner Silex-Proben und zum Nachweis ungleichmäßiger Dosisverteilung im Inneren einer Probe getestet. Sowohl für die blaue (~475 nm) als auch für die rote (~630 nm) TL-Emission hängt der Grad erfolgreicher Sensitivitätskorrektur mittels Testdosismessungen sehr stark von individuellen Probeneigenschaften ab. Für die meisten Proben jedoch konnten applizierte Labordosen innerhalb der Messunsicherheit reproduziert werden. Der Vergleich von De-Verteilungen natürlicher Dosismessungen und von „dose recovery tests“ sowie der Wertebereich der sensitivitätskorrigierten Lumineszenzsignale (Ln/Tn) erlauben eine Einschätzung der Probenhomogenität bzw. der Änderung der Dosissensitivität zu Beginn des SAR-Zyklus. Im Gegensatz zur TL ist nur wenig bekannt über optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) von Silex. Die Beprobung spezieller, optisch sensitiver Elektronenfallenpopulationen (z.B. slow-Komponenten) und geringere thermische Einwirkungen während regenerativer Messungen könnten zum einen den Vorteil höherer Sättigungsdosen bringen (und damit den datierbaren Zeitraum verlängern), zum anderen systematische Fehler im Zuge der Sensitivitätskorrektur verringern. Deshalb wurden grundlegende Eigenschaften der OSL von Silex, wie etwa die Zusammensetzung des Signals und dessen thermische Langzeitstabilität, untersucht und die Anwendbarkeit von OSL zur Silex-Datierung getestet. Kurvenanpassung (Kinetik erster Ordnung) von „linearly modulated“ (LM-) OSL-Daten zeigte für fünf Signalkomponenten die besten Ergebnisse. „Pulse annealing“-Experimente und die Methode variabler Heizraten attestierten jedoch nur der optisch sensitivsten Komponente ausreichende thermische Stabilität. Erfolgreiche „dose recovery tests“ und übereinstimmende OSL- und TL-Alter der gleichen Probe bestätigen die generelle Anwendbarkeit dieser Signalkomponente für die Datierung. Da jedoch nicht alle Silex-Varietäten ein OSL-Signal zeigen, muss diese Methode als komplementär zur TL und als Rückversicherung für wichtige Proben angesehen werden. Als anwendungsbezogener Teil dieser Arbeit wurden mehrere Proben-Serien erhitzter Artefakte aus Mittel- und Jungpaläolithischen Fundplätzen in Portugal, Spanien, Rumänien und Ägypten mittels TL und OSL datiert. Für Gravettian-zeitliche Proben aus Vale Boi (Portugal) konnte wegen der erfolgten Abtragung des originären Fundkontextes die externe Dosisleistung nur unzureichend bestimmt werden. Dies ist sehr wahrscheinlich der Grund für die signifikante Abweichung zwischen 14C-Altern der Fundschicht und den TL-Altern, da SAR-Alter und multiple-aliquot additive-dose (MAAD)-Alter derselben Probe übereinstimmen und andere Einussgrößen wie der Feuchtigkeitsgehalt oder die α-Sensitivität zu geringen Einfluss auf das Alter haben, um die Unterschiede erklären zu können. Die SAR-Methode erlaubte weiterhin die Datierung kleiner Artefakte aus der Höhlenfundstelle Las Palomas (Spanien). Gute Dosisreproduzierbarkeit bestätigte die Eignung des Protokolls für die Proben; vor-Ort Messungen ermöglichten zudem eine genauere Quantifizierung der γ-Dosisleistung. Resultierende TL-Alter zwischen ~51 und ~84 ka geben eine erste chronometrische Einschätzung der vormals undatierten archäologischen Ablagerungen. Artefakte der Aurignacian-Fundstelle Româneşti-Dumbrăviţa I (Rumänien) stellten sich als problematischer heraus, da ein erheblicher Teil der Stücke wegen schlechter Dosisreproduzierbarkeit verworfen werden musste. SAR-Messungen, „dose recovery tests“ sowie deren detaillierte Analysen deuteten auf heterogene Dosisleistungsverteilung hin, so dass nur striktes Filtern der Daten zu zuverlässigen Altern führte. Aufgrund der Lumineszenzeigenschaften der Proben konnte die Zeit der Besiedlung nicht näher als ~39-45 ka eingegrenzt werden, wobei sich rechnerisch ein gewichtetes Mittel von 40,6 ± 1,5 ka für die Aurignacian-Fundschicht ergibt. Weiterhin wurden Silex-Fundstücke aus der Sodmein-Höhle (Ägypten) mit zwei Messprotokollen (SAR und MAAD) und zwei verschiedenen TL-Emissionen (blau und rot) datiert. Dose recovery tests zeigten unkorrigierbare Sensitivitätsänderungen, so dass die SAR-Daten als ungenau zu betrachten sind. Deshalb basieren die berechneten Alter auf TL-MAAD- und OSL-SAR-Daten; für die kleinste Probe konnte jedoch nur ein SAR-Maximalalter angegeben werden. Die Alter der Proben, die aus unterschiedlichen Schichten einer großen Feuerstelle stammen, weisen auf eine chronologische Tiefe der archäologischen Ablagerungen hin, die wahrscheinlich vom MIS 5e zum MIS 5a reicht.German
    Schmidt, Christophschmidtla2@web.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-51099
    Subjects: Earth sciences
    History of ancient world
    Uncontrolled Keywords:
    luminescence, TL, OSL, dating, silex, flint, chronology, PaleolithicEnglish
    Lumineszenz, TL, OSL, Datierung, Silex, Feuerstein, Flint, Chronologie, PaläolithikumGerman
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Geographisches Institut
    Language: English
    Date: 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 09 October 2012
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 24 May 2013 12:00:12
    NameAcademic Title
    Radtke, UlrichProf. Dr.
    Zöller, LudwigProf. Dr.
    Grunert, JörgProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5109

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