Universität zu Köln

Strebler, David ORCID: 0000-0001-7724-1572 (2023). Dating the Stones: Developing Software Solutions for Thermoluminescence Dating and Improving Age Estimation of Heated Flint Samples. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Establishing a robust chronology is key to improving our understanding of the past. It requires not only reliable absolute dating methods but also a proper assessment of the connection between the events of interest and the dated events. There is evidence that the dispersal of anatomically modern humans (AMH), who had evolved around 300 ka to 200 ka in East Africa, occurred in several advances across the Levant, finally reaching central Europe around 45 ka cal BP. Luminescence dating is one of the few absolute dating methods capable of covering the full time range of these migrations. While optically stimulated luminescence (OSL) is more suitable for sediment dating because of faster signal resetting, thermoluminescence (TL) remains the method of choice when dating heated or burnt materials. In prehistoric settings, most sedimentary deposits are not directly related to anthropogenic activity but are rather the result of natural processes. Heated lithics, and especially heated flint, are common in most human occupation layers, sometimes even ubiquitous. The burning or heating of these artefacts is quite systematically the direct consequence of human activities. Therefore, the dating of these heated flint samples by thermoluminescence provides age estimates for well-defined anthropogenic events. TL dating of heated flint samples can be challenging. In particular, the lack of user-optimised analysis software for TL data has exacerbated the decline of TL dating in comparison to OSL dating. In this thesis, two new software solutions specifically designed to improve and facilitate TL dating are presented. Initially developed for the dating of heated flint samples, these two software solutions were designed to be easily updated and enhanced. The tools they provide can be used or adapted to most of the settings where TL dating is the method of choice. LumReader is an R package designed to simulate both the detection properties of luminescence readers and the emission properties of materials. It allows the optimisation of the experimental detection window for a given filter and detector combination through comparison of the detection window, the stimulation signal and the luminescence emission of the studied material. TLdating is an R package specifically dedicated to thermoluminescence dating. It allows the processing of all the data needed to estimate an age using thermoluminescence, from the estimation of the equivalent dose (Dₑ) based on the thermoluminescence curve signals provided by a semi-automated TL/OSL reader to the estimation of the annual dose rate (Ḋ) using radionuclide concentrations or in-situ dose rate measurements. This thesis presents several case studies. It also provides new luminescence ages for four archaeological sites: From the archaeological site of Taibeh 3, Jordan, a series of heated flint samples were collected. The LumReader package is used to identify the best filter combination to maximise the luminescence signal and minimise the signal-to-noise ratio. It allows to optimize the signal from the fine grain aliquots that are used to estimate a specific α-efficiency (a-value) for each heated flint sample. The TLdating package was used to estimate the equivalent dose, the a-value and the dose rate. It provides an age estimate for five of these heated flint samples. These age estimates were mostly consistent with the radiocarbon ages of charcoal samples coming from the same occupation layers. From the archaeological sites of Ansab 1 and 2, Jordan, a series of heated flint and sediment samples were collected. OSL age estimates are provided for the sediment samples using the Luminescence package. They complete the current chronology of these two open-air sites. The TLdating package was used to estimate an equivalent dose for two of the heated flint samples. No final age estimates are proposed due to the lack of reliable dose rate estimates for these samples. However, this fieldwork provides an opportunity to explore the limitations of heated flint dating. Finally, this study presents an improved sample preparation protocol. In Bergisch Gladbach, Germany, four samples of sediment and one of architectural ceramics were collected. The newly developed TLdating package is used to assess an equivalent dose estimation for each of these samples using thermoluminescence. In addition, the equivalent dose values are estimated for each of these samples using post-infrared, infrared stimulated luminescence. The different equivalent dose estimates are largely in agreement with each other and the resulting age estimates agree with the expected chronology.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Etablierung einer soliden Chronologie ist essentiell für ein besseres Verständnis der Geschichte. Dafür braucht es nicht nur verlässliche Datierungsmethoden, sondern auch die korrekte Einschätzung des Zusammenhangs zwischen bereits datierten Vorkommnissen und den zu untersuchenden. Es gibt Hinweise darauf, dass die Ausbreitung des anatomisch modernen Menschen (AMH), der sich etwa 300 ka bis 200 ka in Ostafrika entwickelt hatte, in mehreren Vorstößen über die Levante erfolgte und schließlich Mitteleuropa um 45 ka cal BP erreichte. Die Lumineszenzdatierung ist eine der wenigen existierenden Methoden, die den gesamten Zeitraum des AMH abdecken kann. Für die Datierung von Sedimenten eignet sich optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) wegen der schnelleren Signal-Rücksetzung besser, aber für erhitzte und gebrannte Materialien ist Thermolumineszenz (TL) die Methode der Wahl. Prähistorische Sedimentablagerungen wurden nur selten von Menschen verursacht, sondern vielmehr durch natürliche Umstände. Im Gegensatz dazu ist erhitztes und gebranntes Material, vor allem Feuerstein/Flint, eine Folge menschlicher Aktivitäten und in entsprechenden Sedimentschichten weit verbreitet zu finden. Die Datierung erhitzter Feuersteine mittels Thermolumineszenz ermöglicht damit die zeitliche Einordnung derartiger anthropogener Ereignisse. Eine Problematik der Thermolumineszenz-Datierung ist der Mangel an benutzerfreundlicher Analyse-Software - ein Grund, weshalb immer weniger Gebrauch von TL gegenüber OSL gemacht wird, um Altersabschätzungen zu erhalten. In dieser Dissertation werden zwei Software-Lösungen präsentiert, die entwickelt wurden, um die Datierung mittels TL zu verbessern. Entwickelt für die Feuerstein-Datierung sind die Softare-Pakete leicht zu erweitern und zu aktualisieren. Die damit verfügbaren Tools eignen sich für die Nutzung und Anpassung an die meisten Settings, in denen die TL-Datierung angewandt wird. LumReader ist ein R Package, entwickelt für die Simulation der Detektoreigenschaften von Lumineszenz-Readern und den Emissionseigenschaften von Materialien. Es ermöglicht die Optimierung des experimentellen Nachweisfensters für eine bestimmte Filter- und Detektorkombination durch Vergleich des Nachweisfensters, des Stimulationssignals und der Lumineszenzemission des untersuchten Materials. TLdating ist ein speziell für die Thermolumineszenz-Datierung entwickeltes R Package. Es ermöglicht die Verarbeitung aller Daten, die für die Abschätzung eines Alters mittels Thermolumineszenz erforderlich sind, von der Abschätzung der Äquivalentdosis (Dₑ) auf Grundlage der von einem halbautomatischen TL/OSL-Reader gelieferten Thermolumineszenzkurvensignale bis zur Abschätzung der jährlichen Dosisleistung (Ḋ) anhand von Radionuklidkonzentrationen oder in-situ Messungen der Dosisleistung. In der vorliegenden Dissertation werden mehrere Fallstudien und neue Lumineszenz-Alter für vier archäologische Stätten präsentiert: Für die archäologische Stätte Taibeh 3 in Jordanien konnte für eine Reihe von erhitzten Feuersteinen mit dem LumReader Package die beste Filterkombination identifiziert werden, um das Lumineszenz-Signal zu maximieren und das Verhältnis von Signal und Hintergrundrauschen zu minimieren. Das ermöglichte die Signaloptimierung der Feinkorn-Aliquots zur Einschätzung der spezifischen α-Effizienz der jeweiligen Feuersteinprobe. Mit dem TLdating Package wurden Äquivalenzdosis, α-Effizienz und Dosisrate ermittelt. Die fünf untersuchten Feuersteinproben zeigten TL-Alter, die recht gut mit den $^{14}$C-Altern von Holzkohlen aus denselben Kulturschichten übereinstimmten. Aus den archäologischen Stätten Ansab 1 und 2 in Jordanien wurde eine Reihe von erhitzten Feuersteinen und Sedimentproben entnommen. Für die Sedimentproben wurden OSL-Altersabschätzungen unter Verwendung des vorhandenen Luminescence Package erstellt. Sie vervollständigen die aktuelle Chronologie dieser beiden Freilandstandorte. Das TLdating Package wurde verwendet, um die Äquivalentdosis (Dₑ) für zwei der erhitzten Feuersteinproben zu berechnen. Aufgrund des Mangels an zuverlässigen Abschätzungen der Dosisleistung für diese Proben werden keine Alter vorgeschlagen. Diese Arbeit bietet dennoch die Möglichkeit, die Grenzen der Datierung mit erhitztem Feuerstein zu erkunden. Außerdem wird ein verbessertes Protokoll zur Aufbereitung von Feuersteinproben vorgeschlagen. In Bergisch Gladbach, Deutschland, wurden vier Proben von verbranntem Sediment und eine Probe von Baukeramik gesammelt. Auch hier wurde das TLdating Pakage verwendet, um eine Abschätzung der Äquivalenzdosis (Dₑ) für jede dieser Proben mittels Thermolumineszenz vorzunehmen. Darüber hinaus wurden die Dₑ-Werte für jede dieser Proben mittels post-Infrared IRSL (infrarot-stimulierte Lumineszenz) bestimmt. Diese verschiedenen Bestimmungen der Äquivalenzdosis passen weitgehend zueinander, und die daraus resultierenden Alter stimmen mit der erwarteten Chronologie überein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Strebler, David david.strebler@outlook.com orcid.org/0000-0001-7724-1572 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-717808
Date:	2023
Place of Publication:	Köln
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Ehemalige Fakultäten, Institute, Seminare > Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics Earth sciences Geography and history History of ancient world
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language luminescence, thermoluminescence, TL, dating, thermoluminescence dating, Taibeh, Ansab, flint, silex, R, LumReader, TLdating, archaeology English Datierung, Thermolumineszenz-Datierung, Thermolumineszenz, lumineszenz, Feuersteinen, Bergisch Gladbach German silex, datation, luminescence, thermoluminescence, archéologie French
Date of oral exam:	31 January 2022
Referee:	Name Academic Title Brückner, Helmut Prof. Dr.
Projects:	Collaborative Research Centre (CRC) 806 ”OurWay to Europe; Culture-Environment Interaction and Human Mobility in the Late Quaternary"
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/71780