UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TORINO
DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA
‘L’Archeologia e il Tempo. Metodi di datazione’’
4-8 Maggio 2009, Peveragno (Cuneo)
CHE ETÀ HA?
Curve di riferimento e datazione
archeomagnetica
Evdokia Tema
Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Torino, Italy
[email protected]
This could be the discovery of the century.
Depending, of course, on how far down it
goes…and how old is it!
Nella ricerca archeologica l’importanza
della cronologia e della datazione è
fondamentale.
L’archeomagnetismo può essere un prezioso metodo di
datazione soprattutto quando gli altri metodi di datazione
non possono essere applicati.
L’archeomagnetismo è un metodo di datazione relativa
L’età archeomagnetica risulta
dal confronto della direzione e/o l’intensità
misurata dal materiale archeologico
le curve di riferimento di variazione
secolare
Uno studio archeomagnetico consiste di:
+
campionatura
misure
datazione archeomagnetica
Equal Area
(Schmidt)
N
Polar
Lower Hem.
D = 2o
I = 64o
α95= 3o
Datazione archeomagnetica:
~ 500 AD
N=9
CURVE DI RIFERIMENTO
Le curve di riferimento descrivono le variazioni secolari del campo
magnetico nel passato
Declinazione
Inclinazione
Curva di riferimento Francese (Bucur, 1994)
CURVE DI RIFERIMENTO
Declinazione
Inclinazione
Intensità
Curve di riferimento per la Bulgaria (Kovacheva et al., 1994)
Le prime osservazioni della declinazione del campo magnetico
sono state riportate dal Cinese Shen Kua in 1088 AD.
Dal 1088 AD fino al 1600 AD esistono soltanto scarse misure
della declinazione del campo magnetico.
In 1600 il scienziato e medico
inglese William Gilbert ha
scritto “De Magnete”, uno
dei primi lavori scientifici sul
magnetismo.
"Magnus magnes ipse est globus
terrestis“
William Gilbert
Raccolta delle prime misure della declinazione (Hellman, 1899)
Dopo la metà del XVI secolo,
la variazione spaziale della
declinazione era ben nota e
molti esploratori e studiosi
misuravano la declinazione,
in gran parte in mare o nei
porti.
La prima misura accurata di inclinazione fu comunque fatta diversi anni
dopo, a Londra nel 1576, da Robert Norman.
Per gli anni 1700 - 1800 AD
esiste un grande numero di
misure magnetiche effetuate
dai navigatori, in diverse zone
geografiche.
Dopo il 1832, grazie a Von Humboldt e Karl Friedrich Gauss, si
realizza una rete di Osservatori sparsi per il mondo e si comincia a
misurare anche l’intensità magnetica.
Jackson et al. (2000) hanno costruito un modello del campo magnetico
terrestre in funzione del tempo per il periodo dal 1590 al 1990 AD, usando
tutti i dati disponibili per questo periodo.
Italia
In Italia, la prima misura di declinazione e inclinazione del campo
magnetico terrestre è stata effettuata nel 1640, a Roma, da
Athanasius Kircher.
• Osservatorio L’Aquila
• Osservatorio Pola
• Catalogo
geomagnetico storico
italiano
• Modello di Jackson et
al., 2000
Viterbo
Lanza, R., Melloni, A., Tema, E., (2004)
Come si può costruire una curva di variazione secolare che
risalga indietro nel tempo per millioni di anni se le prime misure
sono state effettuate solo 400 anni fa?
Per construire una curva di riferimento è necessario avere molti dati
archeomagnetici di età nota che possono fornire informazioni per il
campo magnetico terrestre nel passato
Campionare materiale
archeologico da siti
di età conosciuta
Misurare D, I
Per esempio…
200 AD
400 AD
580 AD
800 AD
Years AD
Aggiungere punti
per la costruzione
della curva di
riferimento
950 AD
Years AD
Curva di riferimento per la Bulgaria
1100 AD
…
La direzione e l’intensità del
campo magnetico variano lungo
la superficie terrestre
Per questo motivo le curve di
riferimento non possono essere
globali ma è necessario costruire
curve di variazione secolare per
ogni paese
Francia
Austria
Inghilterra
Ungheria
Bulgaria
Germania
ITALIA
CURVA DI RIFERIMENTO ITALIANA
I dati archeomagnetici italiani sono limitati, ma comunque permettono
la costruzione di una curva di riferimento preliminare.
Catalogo di dati
archeomagnetici
italiani di età nota
65 dati provinienti
da tutta l’Italia
Come dati di riferimento per la ricostruzione della variazione
secolare del campo magnetico terrestre nel passato, possono essere
usati anche i dati paleomagnetici provenienti da rocce vulcaniche.
Comunque:
È difficile identificare sul terreno le colate
corrispondenti
-- scarse informazioni geografiche
-- difficoltà ad ottenere dati di datazioni da
altri metodi
Spesso risultati ottenuti da
diversi ricercatori sulle stesse
colate sono molto diversi
Confronto delle direzioni archeomagnetiche provenienti dalle rocce
volcaniche di Etna e Vesuvio e le misure storiche
Etna
Il confronto dimostra che a
parte un accordo generale
notevoli
discrepanze
si
verificano per entrambi i
vulcani
Vesuvius
I
dati archeomagnetici
provenienti
da
rocce
vulcaniche devono essere
considerati con cautela.
Direzioni paleomagnetiche da eruzioni di età certa:
Ischia 1302AD (Mount Arso)
Pollena 472AD
Pompei 79AD (Mount Vesuvius)
Per poter usare i dati di
declinazione ed inclinazione
per la costruzione di una
curva
di
riferimento
è
necessario ricollocarli ad un
medesimo punto
Viterbo Station
Viterbo Station
Per questo punto, l’errore
di ricollocazione è meno di
1o sia per la D sia per la I,
per
quasiasi
punto
originale.
50
40
Declinazione
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
800
1200
1600
2000
80
Inclinazione
Inclination (o)
70
60
50
● Dati archeomagnetici
♦ Dati vulcanici
40
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
800
1200
1600
2000
Dati storici
Diversi metodi possono essere usati per disegnare una curva
di riferimento
Disegnare una curva con il metodo ‘free-hand’
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
Soggettiva
-400
0
400
age (years)
800
1200
1600
Non ripetibile
2000
AD 600-1975
Freehand
Clark et al., 1988
Elaborazione dei dati di riferimento con un metodo statistico
Moving window technique
Si
sceglie
una
‘finestra’ di tempo
(per esempio 50 o
100 o 150 anni) e si
calcola il valore
medio
dei
dati
contenuti
dentro
questa finestra
Moving window technique
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
L’intervallo del tempo può variare
800
1200
1600
2000
Grande ‘time window’
curva più regolare
Moving window technique
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
L’intervallo del tempo può variare
800
1200
1600
2000
Breve ‘time window’
Moving window technique
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
800
1200
1600
2000
E’ possibile scegliere diversi ‘time windows’ per diversi periodi
Moving window technique
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
800
1200
E’ possibile sovrapporre i ‘time windows’
1600
2000
Costruzione della curva di riferimento per la Grecia
Moving average
windows
∆t=150 yrs
± 75 yrs
Tutti i dati sono stati
rilocati ad Atene
(37.97 N, 23.72 E)
De Marco, 2007
Bivariate moving window technique
Le Goff et al., 1992
Si calcola la
direzione media
di un gruppo di
vettori che si
trovano dentro
l’intervallo
del
tempo scelto.
Curva di riferimento francese (Bivariate Fisher statistics), Le Goff et al., 2002
Statistica di Fisher (1953)
Statistica Bayesiana
Durante gli ultimi 5 anni, la sofisticata statistica Bayesiana è stata
applicata in archeomagnetismo
Principi di base della
statistica Bayesiana
Ogni punto di riferimento è
accompagnato
dal suo errore di misura
e di età
Informazioni “a priori’’
Il campo magnetico terrestre varia
nel tempo in modo continuo e regolare
Statistica Bayesiana
50
40
Declination (o)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-1600
-1200
-800
-400
0
400
age (years)
800
1200
1600
2000
Secondo la procedura della statistica Bayesiana, la ‘finestra’ di tempo si aggiusta
automaticamente secondo la densità dei dati e ogni punto di riferimento si muove
dentro il suo errore di misura e di età (Lanos, 2004).
Per costruire una curva di riferimento usando i principi della statistica
Bayesiana, e’ possibile usare il sofware REN-CURVE, sviluppato da Ph.
Lanos.
‘S’ Spline spherique
All parameters Æ
Bayesian
Iter.= 1000
Una curva continua e piu’ regolare possibile che
interpoli
al meglio tutti i dati di riferimento
Reference:
Lanos, Ph., 2004: Bayesian inference of calibration curves: application to archaeomagnetism. In: Buck, C.
&Millard A. (eds.), Tools for constructing chronologies: crossing disciplinary boundaries, Springer-Verlag,
London, Vol. 177, pp.43-82
40
40
I dati archeomagnetici italiani
sono stati elaborati con il
procedimento della statistica
Bayesiana
30
30
Declination (oo)
20
20
10
10
00
-10
-10
-20
-20
-30
-30
-40
-40
-1400-1200-1000
-1400-1200-1000 -800
-800 -600
-600 -400
-400 -200
-200
00
200
200 400
400 600
600 800
800 1000
1000 1200
1200 1400
1400 1600
1600 1800
1800 2000
2000
Age
Age (years)
(years)
85
85
Per ottenere una curva liscia
e continua
80
80
o
Inclination
Inclination ((o))
75
75
70
70
Più dati precisi a
disposizione
65
65
60
60
55
55
50
50
45
45
-1400-1200-1000-800
-800 -600
-600 -400
-400 -200
-200 00
-1400-1200-1000
200 400
400 600
600 800
800 1000
10001200
12001400
14001600
16001800
18002000
2000
200
Age(years)
(years)
Age
Tema et al., 2006
Più precisa e
affidabile la curva di
riferimento
50
Inclination in degrees
858 dati di riferimento:
-
238 dati storici (Malin & Bullard
1981)
- 620 dati archeomagnetici da:
Æ Pubblicazioni
70 Æ Tesi di dottorato
Æ English Heritage: Relazioni di
scavo
60
80
-30
-20
-10
0
10
20
30
Declination in degrees
40
50
REN-CURVE
Statistica Bayesiana
50
DEC
30
10
-10
-30
-2000
-1000
0
Time (yrs)
Zananiri et al., 2006
1000
2000
Le curve di riferimento assomiglano ad ‘un organismo vivo’ ed
devono essere aggiornate in continuazione
Una volta definita la curva della variazione secolare per una
regione geografica, questa può essere utilizzata come
riferimento per datare reperti di età sconosciuta.
Il confronto tra la direzione archeomagnetica misurata dal materiale
archeologico e le curve di riferimento, può avvenire con diversi
metodi:
Proiezione della direzione
ottenuta dal materiale
archeologico sulle curve
di riferimento
D = 357o
I = 60o
Si calcola la distanza angolare tra la direzione misurata e la direzione
della curva del riferimento piu’ vicina.
95%
1075 ± 40
1075 ± 40
5%
Le Goff et al., 1992
Statistica Bayesiana
Per confrontare la declinazione e l’inclinazione ottenute dalle misure
con le curve di riferimento si può usare il programma REN-DATE, che
si basa sul principio della statistica Bayesiana
REN-DATE usa la statistica Bayesiana per
calcolare l’età più probabile separatamente per la
declinazione e l’inclinazione e successivamente
l’età finale risulta dalla combinazione delle le due
probabilità
L’età archeomagetica si calcola
a diversi livelli di probabilità
http://dourbes.meteo.be/aarch.net/frameset_en.html
Statistica Bayesiana
Declinazione
45
40
35
30
25
20
15
10
D = 0.6 o
I = 58.7o
α95 = 2.3o
5
0 -.6
-5
-10
-15
-20
-25
-30
D = 0.6o
Dal valore della declinazione
risultano due intervalli di tempo:
374 BC- 770 AD
95%
-800 -600 -400 -200
BC
0
200 400
years
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
AD
1619 - 1689 AD
Statistica Bayesiana
Inclinazione
D = 0.6 o
75
I = 58.7o
70
α95 = 2.3o
65
60
58.7
I = 58.7o
55
Dal valore dell’inclinazione
risultano due intervalli di tempo:
138 - 307 AD
95%
-800 -600 -400 -200
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800
1098 - 1497 AD
Statistica Bayesiana
45
40
35
30
25
20
15
10
Declinazione
5
0 -.6
-5
-10
-15
-20
-25
-30
95%
-800 -600 -400 -200
0
200 400
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
+
Inclinazione
75
70
65
60
58.7
55
118 - 374 AD
95%
-800 -600 -400 -200
95%
-800 -600 -400 -200
0
200
400
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Alcuni esempi di datazione
archeomagnetica
Sito di campionatura
Sito archeologico:
San Cesario sul Panaro
Bazzano
Circa 30km da Bologna
IL FORNO:
È stato ritrovato
dentro una cava di
ghiaia
Sarà distrutto a
causa dei lavori
della cava
Non ci sono
ritrovate altre
strutture nella
zona fino ad
oggi
Secondo le scarse informazioni archeologiche il
forno era in uso all’inizio del 3o secolo AD
Campionatura:
Usato per la
produzione di
calce
Caratteristica
forma circolare
Sono stati
campionati
12 campioni
a mano
Misure:
Diagrammi Zijderveld
Mineralogia magnetica
B9f
300
200
40
IR M (A \m )
IRM component (A/m)
IRM-B5e
50
100
30
20
10
0
0
0
0
200
400
Temperature (oC)
600
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600 1800
B(mT)
Direzione archeomagnetica
Equal Area
(Schmidt)
N
n = 12
D = 0.40
I = 60.60
Alpha-95 = 3.10
K = 197
Polar
Lower Hem.
N = 12
Età archeomagnetica
Per confrontare la declinazione e l’inclinazione ottenute dalle
misure è stato usato il programma REN-DATE
Declinazione
40
35
30
25
20
15
10
5
.5
0
-5
-10
-15
-20
-25
Inclinazione
80
75
70
65
60 58.8
55
Bazzano
50
95%
95%
-1000 -800 -600 -400 -200
(BC)
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Years
(AD)
-1000 -800 -600 -400 -200
(BC)
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Years
(AD)
Combinando la densità di probabilità per l’Inclinazione e per la
declinazione risulta che….
Inclinazione
Declinazione
68%
95%
-1000 -800 -600 -400 -200
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
[-112; 666]
95% probabilità
-1000 -800 -600 -400 -200
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
[-3; 147] [292; 594]
68% probabilità
L’età dell’ ultimo uso della fornace a Bazzano è
tra 292-594 AD con 68% di probabilità
Campionatura di una focolare
20 campioni
D = 6.2o
Sito archeologico Néon-sur-Creuse
I = 69o
α95 = 2.3o
Declinazione
Inclinazione
792 – 866 AD
Sito archeologico Goranovtzi
D = 1.5o
I = 57.8o
F = 66.9 ± 5 µT
α95 = 3.5o
530 – 600 AD
Limiti e precisione del metodo:
La precisione della datazione dipende da:
errore nella campionatura e nelle misure
(angolo α95)
errore della curva di riferimento
il ritmo della variazione secolare nel periodo di
interesse
L’archeomagnetismo può essere uno
strumento di datazione importante e
efficiente
La datazione
archeomagnetica si
riferisce al momento
dell’ultimo riscaldamento
della struttura
Time (years AD)