Hintergrund
Die Herkunftsrekonstruktion von Rohmaterialien für die Produktion archäologischer Metallobjekte erfolgt üblicherweise mit Hilfe von isotopengeochemischen Methoden, die auf dem chemischen Verhalten von Atomen des gleichen Elements mit unterschiedlichen Massen basieren. Die Grundvoraussetzung hierfür ist ein chemisch und physikalisch identisches Verhalten sämtlicher Isotope eines Elementes, insbesondere während der Verhüttung der Erze. Bei stabilen Kupferisotopen deuten frühere Laborexperimente und Literaturdaten darauf hin, dass diese Voraussetzung nicht erfüllt sein könnte und die Isotope fraktionieren. Bislang steht eine Überprüfung noch aus, obwohl solch ein Verhalten weitreichende Konsequenzen für die Nutzung von stabilen Kupferisotopen in der Archäometallurgie hätte.
Ziele und Aufbau
Das DFG-finanzierte Projekt von Prof. Dr. Sabine Klein und mir vom Deutschen Bergbau-Museum Bochum ist der erste systematische Versuch, um die Kupferisotopenfraktionierung während der Verhüttung zu erfassen. Das Projekt besteht aus drei Teilen.
Im ersten Teil werden zusammen mit Dr. Michael Herdick und Erica Hanning vom RGZM und einer internationalen Gruppe von freiwilligen Kupferverhüttungsexperimente mit Malachit und sulfidischen Erzen durchgeführt. Die Experimente werden am Labor für Experimentelle Archäologie in Mayen, Teil des RGZM-Kompetenzbereichs “Experimentelle Archäologie”, durchgeführt. Die Verhüttung sulfidischer Erze erfolgt nach der für die Bronzezeit der Mitterberg-Region (Ostalpen, Österreich) rekonstruierten Verhüttungstechnologie. Zusätzlich wird Malachit mit Tiegeln in einer Feuergrube zu Kupfer reduziert.
Im zweiten Teil werden von sämtlichen Ausgangsmaterialien und während der Experimente erzeugten Materialien die Kupferisotopie sowie die chemischen und mineralogische Zusammensetzung bestimmt.
In der dritten und letzten Phase des Projektes werden die Beobachtungen während der Experimente sowie die analytischen Daten in ein Massenbilanzmodell eingespeist. Dieses Modell erlaubt nicht nur die Quantifizierung des Kupferflusses und der Kupferisotopenfraktionierung sondern auch die Identifikation von Prozessen, welche besonders anfällig für eine Kupferisotopenfraktionierung sind. Diese Ergebnisse schließlich erlauben eine Abschätzung über das Potential der Kupferisotope in der archäometallurgischen Forschung..
Results
Die Verhüttungsexperimente (siehe unser Blog) haben erfolgreich Materialien aus mehreren Versuchsserien erbracht, deren bildungsbedingungen sehr detailliert erfasst wurden. Sie sind damit perfekte Referenzserien für künftige Forschungen.
Von den vier Verhüttungsexperimenten wurden zwei vollständig beprobt, was in etwa 100 Isotopenanalysen und eine große Mengen an Daten von anderen Analysentechniken erbrachte. Mit Hilfe dieser Daten konnten wir zeigen, dass Kupferisotope nicht signifikant zwischen Erz und Metall fraktionieren. Allerdings wird die Isotopensignatur des Erzes während der Verhüttung verändert durch die Zugabe von anderen Materialien (Brennstoff, Zuschläge) und wenn die Schlacke eine hohe Kupferkonzentration aufweist. Letzteres schließt auch die damit verbundene eventuelle mechanische Abtrennung von Kupfertropfen aus der Schlacke mit ein. Die Kupferisotopensignatur des Metalls kann auch dann von der des Erzes entkoppelt werden, wenn solche Schlacken wieder aufgearbeitet werden.
Beteiligte Institutionen
Gefördert durch
Publikationen
- Rose T, Hanning EK, Klein S (2019) DBM @ RGZM: Experimente zur prähistorischen Kupferverhüttung im Labor für Experimentelle Archäologie. Archäologie Schweiz 42:44–45.
- Rose T, Hanning EK, Klein S (2019) Verhüttungsexperimente mit Chalkopyrit-Erz nach Vorbildern aus dem bronzezeitlichen Ostalpenraum und Nepal. Experimentelle Archäologie in Europa 18:47–60. https://doi.org/10.23689/fidgeo-3706
- Klein S, Rose T (2020) Evaluating copper isotope fractionation in the metallurgical operational chain: An experimental approach. Archaeometry 62:134–155. https://doi.org/10.1111/arcm.12564
- Rose T, Klein S, Hanning EK (2020) Copper isotope fractionation during prehistoric smelting of copper sulfides: experimental and analytical data. GFZ Data Services. https://doi.org/10.5880/fidgeo.2020.013
- Rose T, Hanning EK, Klein S (2020) Smelting Experiments with Chalcopyrite Ore based on Evidence from the Eastern Alps. Metalla 25:77–100.
Präsentationen
- Rose T, Hanning EK, Herdick M, Klein S (2018) Archaeological Smelting Experiments for Evaluating Copper Isotope Fractionation During Smelting. Young Researchers in Archaeometry 2, Berlin.
- Rose T, Hanning EK, Herdick M, Klein S (2018) Archaeological smelting experiments as a foundation for the development of stable metal isotope applications in archaeology. EXAR-Tagung 2018, Unteruhldingen.
- Hanning EK, Rose T, Klein S (2019) Reconstruction and Innovation: Experimental Archaeology in Interpreting Copper Smelting Processes. Experimental Archaeology Conference 11, Trento.
- Rose T, Klein S, Hanning EK (2019) Evaluation of copper isotope fractionation during chalcopyrite smelting. Archaeometallurgy in Europe, Miskolc.
- Rose T, Klein S, Hanning EK (2019) Copper isotopes in prehistoric copper smelting: Linking experimental and analytical approaches. Young Researchers in Archaeometry 3, Nanterre.
- Rose T, Klein S (2020) Copper isotope fractionation during prehistoric copper smelting: Evidence from archaeological smelting experiments. 26th Annual Meeting of the European Association of the Archaeologists (EAA), online.
- Hanning EK, Rose T, Klein S (2021) Reconstruction of Copper Smelting Processes: Possibilities and Limitations: (Abstract published in Geo.Alp 17, 2020, 41-42). International Workshop Alpenkupfer im Vinschgau / Alpine Copper in the Vinschgau, online.