Arheometalurgija

Arheometalurgija je disciplina unutar arheometrije (grana arheologije koja se bavi primenom prirodnih nauka u arheologiji) i bavi se proučavanjem korišćenja metala tokom razvoja ljudske vrste. Ona čita priču koja je utisnuta u mikrostrukturu predmeta. Sama arheometrija, poznatija kao arheološka nauka je poddisciplina u arheologiji i podrazumeva primenu prirodnih nauka u arheologiji, ali to ne znači da je arheologija prirodna nauka, kao što i čovek sa drvenom nogom nije drvo.

Primena prirodnih nauka se u arheologiji pojavljuje 60-ih godina 20. veka nakon prve promene arheološke paradigme, gde je arheologija pokušala da pređe iz društvenih u prirodne nauke. Pre 1960-te glavna arheološka škola je bila tzv. kulturno-istorijska arheologija koja je opisivala predmete ne baveći se mnogo kako su oni nastali već koliko su privlačni oku. Promene u dizajnu predmeta su objašnjavali prilivom novih ljudi na neku teritoriju ili kulturnim uticajem napredne civilizacije. Od 1960. nastaje nova škola tzv. procesna arheologija koja zagovara da se svi ljudski procesi mogu objasniti prirodnim zakonima. Glavna vodilja koja je započela čitavo istraživanje je zapravo želja za boljim razumevanjem tehnologije korišćene da proizvede predmete kakve ih arheolozi kasnije nalaze. Od rudarenja i pribavljanja sirovine, proizvodnje metala i/ili legure i prerade materijala u konačan oblik su tehnologije koje se danas otkrivaju na osnovu poznavanja hemijske, termalne i mehaničke istorije predmeta. Ona se bazira na osnovu interpretaciji mikrostrukture predmeta (putem svetlosne optičke analize i elektronske metalografije), kao i hemijske analize i mikroanalize.

Najčešći proizvod arheometalurških istraživanja je podizanje svesti o istoriji tehnologije. Podršku za validnost arheometalurških analiza je dobijena tokom korišćenja replikativnih eksperimenata u kojima su tehnologije, koje su otkrivene na osnovu analiza, rekonstruisane i reprodukovane eksperimentalno ne bi li napravili predmete koje poseduju osobine slične iskopanim predmetima. Uprkos tome što razumevanje tehnološkog razvoja kroz vreme može biti korisno i zanimljivo, njegov najveži značaj je doprinos boljem razumevanju kako su ljudi živeli u prošlosti. Za svaki metalni predmet koji je proučavan arheometalurškim metodama trebalo bi da se razmišlja o uslovima u kojim je taj predmet nastao i kako se koristio do trenutka kada je postao deo arheološkog konteksta. Ali još važnije je da se razmatra o tome šta bi se moglo saznati o životu ljudi koji su bili na bilo koji način u vezi sa tim predmetom, uključujuči i rudare, topioničare, kovače, trgovce rudnim sirovinama i gotovim objektima, a takođe i vlasnike predmeta, čuvare i njegove korisnike, a zatim njihovu familiju, njihovu zajednicu, kao i kulturu. Ko su bili ti ljudi, u kakvom su društvu živeli, čime su se bavili, da li ih je zaposlila država ili su bili individualni radnici, da li su to bile porodične aktivnosti ili aktivnosti njihovog staleža, kojeg su roda i pola bile te osobe i kako je taj predmet uticao na to, da li su tehnologije koje su koristili bile preskriptivne ili holističke. To su samo neka od mnogih pitanja čiji odgovor je naprosto mnogo teži od pukog otkrivanja detalja tehnološkog procesa u prošlosti. Često je nemoguće dobiti odgovor na ova pitanja, ali u suprotnom potencijalne nagrade su ogromne. Većina istraživačkih metoda arheometalurgije su invazivne ali je mnogo efektivnije ako se uzorak iseče da bi se otkrila mikrostruktura ispod površine predmeta. Površinsko ispitivanje mikrostrukture može često da odvede ispitivača na pogrešan put, jer mikrostruktura površine može da se razlikuje od unutrašnjosti. Štaviše, oštećenje koje pravi korozija se najjače pojavljuje upravo na površini i upravo zato treba da se ima rezerva prema tim tehnikama ispitivanja. Tehnike mikrouzorkovanja su dosta prihvatljivije među istraživačima „ starateljeljima“ tog predmeta, ali lokacija za ispitivanje mora pažljivo da se bira, pošto uzorkovanje može da ošteti uzorak. Ako dođe do oštećenja, neophodno je da o tome postoji zapis u dokumentima, da ne bi naredni istraživaći pomislili da je to oštećenje deo originalnog uzorka. Neophodno je iskazati da se ovakve studije najbolje rade u saradnji arheologa sa antropolozima, hemičarima, fizičarima i drugim stručnjacima tako da se rezultati mogu pravilno pročitati.

Primena arheometalurgije

O važnosti rudarstva uopšte nije bitno zboriti i svaka rasprava je besmislena ako znamo da čitava doba su nazivana po materijalu koji je najviše korišćen. Stoga apsolutno nema sumnje da je metal izuzetno važan za čovečanstvo. Ipak treba imati na umu da je arheolog Kristijan Tomsen podelio praistoriju na kameno, bronzano i gvozdeno doba, a pre njega starogrčki pesnik Hesiod na gvozdeno, bakarno, srebrno i zlatno doba, gde je zlatno bilo herojsko doba, dok je on živeo u poslednjem i po njemu najgorem gvozdenom dobu. Arheometalurgija je zapravo počela sa istraživanjem lokaliteta gde je, kako se nekad mislilo, počelo rudarstvo. Tu se prvenstveno misli na Feynan i Timnu u Levantu koji su istraživani multidisciplinarnim putem. Postanku arheometalurgije su potpomogli i različiti interdisciplinarni radovi iz arheologije, metalurgije, mineralogije, hemije itd. Arheometalurgija danas se bavi sa svim aspektima produkcije metala, njegovom difuzijom i korišćenjem tokom istorije čovečanstva. Današnje akademsko usavršavanje, gde je potrebno imati usko specijalizovano znanje određene oblasti je u potpunom kontrastu sa arheometalurškim inerpretacijom jer je za nju neophodno enciklopedijsko znanje rekognisciranja, iskopavanja, istorijske pirotehnike, keramike, geologije, nauke o ležištima mineralnih sirovina, visoko tempreaturne mineralogije i petrologije, nauke o metalima, hemije, antropologije i istorije. Samo veliki interdisciplinarni timovi mogu doći do pravih arheometalurških interpretacija koje, iako zahtevne, dosta mogu da nam kažu o prošlim vremenima. Zbog manjka interakcije i slabe saradnje arheologa sa ostalim naučnicima najviše gubi arheometalurgija, pogotovo kada se radi o geomineraloškim saznanjima, tehnikama rudarenja, geohemijskim i izotopskim tragovima, topioničkim pirotehnologijama, legurama, patinanaciji i površinskom oblaganju, difuziji i trgovačkoj mreži, korišćenju i nošnji, neprocenjivoj vrednosti predmeta, arheološkom kontekstu, vezi između tipologije i hemije, degradaciji i koroziji, konzervaciji itd.

Osnovne osobine metala

Metali su elementi, legure i jedinjena gde atomi gube elektrone da bi postali pozitivni joni. Joni u kristalnoj rešetki formiraju unutaratomsku metaličnu vezu. Pokretljivost elektrona unutar rešetke je razlog postojanja elektrohemijskih osobina metala poput velike električne i toplotne provodljivosti, velike gustine, apsorpcija svetlosti i tzv. metalična sjajnost koja se vidi na površini. Metali takođe usled naprezanja mogu da se deformišu bez cepanja, već umesto toga formiraju unutrašnja iščašenja zbog relativnog pomeranja nivoa u rešetki, a veze između nivoa se reformišu. Na fizičke i hemijske osobine takođe utiče i mikrokristalna struktura metala. Izliveni metalni predmeti su mekši i lakši za obradu, dok su kovani predmeti čvršći. Sve to utiče na teksturu metala is toga arheometalurzi često proučavaju strukturu metala ne bi li odgonetnuli proces pravljenja. Sastav metala takođe utiče na njegove fizičke osobine. Zato ljudi često metale stapaju sa drugim metalima i stvaraju legure. Legure su zapravo dve ili više metalnih komponenti koje se mešaju i stvaraju čvrst rastvor.

Korozija

Korozija je elektrohemijska reakcija metala sa okolinom koje sadrži vodu. Metalni joni na anodi vrše oksidaciju od koje nastaje oksidni sloj ili se rastvaraju u vodenom rastvoru. Zbog male energije da je pokrene oksidacija se teško zaustavlja. Analize korozije mogu pokazati originalnu prirodu i strukturu artefakta, da pokažu da li je korozija nastala prirodnim putem ili veštačkim ne bi li predmet izgledao starije, kao i da potpomogne pronalaženju najbolje strategije za konzervaciju. Kada je metal stabilan, korozije nema. Kada je oksid stabilan, obično nastaje jedan sloj patine, tzv. pasivni sloj, koji štiti unutrašnjost i usporava oksidaciju. Pasivni sloj mora biti u kontaktu sa metalom i ne sme da bude pora i pukotina gde bi tečnost mogla da se kreće. Hlor je izuzetno važan i opasan element jer on izuzetno pojačava lokalizovanu koroziju. Od izuzetne je važnosti da se uklone hloridi tokom čišćenja artefakta inače će metal ponovo početi da korodira nakon konzervacije pošto će vlaga i kiseonik ponovo reagovati. Aktivnost mikroorganizama je naročito bitna. To se najviše ogleda u legurama sa sumporom gde bakterije koje razgrađuju sulfate vrše biohemijske reakcije posle kojih nastaje tanki biofilm koji može da sačuva metal od raspadanja u morskoj vodi, kao i u zemljištu. Ako su sulfidi rastvorljivi, korozija će se nastaviti, u suprotnom biofilm deluje kao zaštita. Problemi oko korozije su raznovrsni. Osim što može da ošteti artefakt, ona otežava pronalaženje originalnih patina i aliteracija na metalu. Da bi se problem rešio trebalo bi da se istraži originalna struktura i sastav metala, evolucija površine metala kroz vreme uključujući i mikrostrukturne osobine nasleđene tokom procesa proizvodnje artefakta ili pridodate patine zbog estetskog izgleda i naravno potrebno je znanje o sadašnjem stanju metala uključujući i procese čišćenja, stabilizacije i konzervacije.

Rudarenje i prerada

Rudarstvo je proces dobijanje mineralnih sirovina iz nalazišta, tj. mineralnih ležišta i poznato je još iz praistorijskih vremena. Metalurške aktivnosti su za sobom u prošlosti su za sobom ostavile tragove poput rudnika, topionica, tehničke opreme, rudne šljake, peći i metal kao sirovinu. Te aktivnosti nose veliki broj informacija, ali se vrlo često ne nalaze na istoj lokaciji, već se moraju skupljati da bi se upotpunila slagalica. Da bi se ispričala čitava priča treba locirati mineralna ležišta koja su bila eksploatisana u prošlosti, povezati rudu sa lokacijom obrade i topioničarskom zgurom, posedovati znanje o obradi rude, rekonstruisati pirotehnološke operacije i u tu čitavu priču ubaciti socio-ekonomsku i kulturnu pozadinu. Sama ruda odmah nakon vađenja nije pogodna za korišćenje jer često poseduje nekorisne primese i zbog toga ona mora da prođe kroz proces razdvajanja. U prošlim vremenima to se obavljalo tako što se ruda ubaci u peć u koju se indukuje vazduh koji povišava temperaturu. Usled visoke temperature ruda se odvaja od šljake i često se pretapa u poluge. Najviše šljake je nađeno od bakra, gvožđa i olova. Petrografske analize šljake govore koja je vrsta metala korišćena, koji je proces korišćen, koje je naelekrisanje metala (iz čega se zaklučuje da li je ruda oksid ili sulfid), maksimalna temperatura, redoks osobine i brzina hlađenja. Sve ove informacije potpomažu rekonrukciji metalurškog procesa. Bakar se može rudariti iz oksidnih i sulfidnih ruda. On je bio jedan od najranijih metala koji se koristio. U početku je korišćen čist bakar, a potom su počele da se dodaju razne primese poput arsenika i kalaja od čega je nastala bronza. Bakar se topi na 1083 °C i relativno je lak za obradu. Vrlo često je ubacivan u kalupe. Nešto kasnije razvitkom tehnologije ljudska vrsta je počela da koristi gvožđe, koje je zahtevnije za obradu. Da bi se gvožđe istopilo za preradu neophodno je dostići temperature od 1054 stepena, što nije bilo moguće dok nisu otkrili sofisticiranije peći za topljenje. Nakon topljenja i oblikovanja gvožđe se kovalo da bi bilo čvršće. Olovo je prolazilo kroz zanimljiv proces i ono se topilo da bi se od njega odvajale korisne supstance. Galenit, najčešća ruda olova, sadrži primese srebra i stoga je nakon topljenja prolazio kroz takozvani proces kupeliranja gde se srebro odvoji od galenita i bude nezaprljano.

Tehnike ispitivanja

Sama arheometalurgija kao disciplina koristi veliki broj tehnika koje joj potpomažu da dođe do odgovora. Ona koristi multidisciplinarni pristup i služi se raznim fizičko-hemijskim metodama ne bi li potvrdila ili opovrgnula hipotezu. Ona, kao i većina arheometrijskih subdisciplina poseduje invazivne i neinvazivne tehnike ispitivanja. Ukoliko poznajemo hemijski sastav metala, možemo utvrditi gde je vađena ruda, što pomaže arheolozima da vide širu sliku.

Metalografski pregled

Metalografski pregled je jedna od najkorisnijih tehnika prilikom istraživanja rane metalurgije. On se vrši tako što se polirani deo artefakta iseče, potom hemijski tretira da bi mu se videla struktura i stavi pod svetlosni mikroskop. Pošto ne mogu da se naprave poluprovidni delovi, neophodno je uperiti svetlost direktno na površinu predmeta. Mikroskopski pregled može razlikovati glavne faze u pravljenju predmeta, kao i detekciju suptilnijih procesa. U slučaju bakra moguće je prepoznati kada je predmet bio napravljen od samorodnog bakra. Takođe može se odrediti da li je bakar obrađivan hladnom tehnikom ili žarenjem. U slučaju gvožđa ili čelika takođe ova metoda može dosta da kaže. Može se prepoznati da li je gvožđe kovano i da li je grejano u uglju. Tamna, tvrda i crna ivica se lako prepozna u odnosu na belu, mekanu unutrašnjost.

Difrakcija x-zraka

Difrakcija (pojava skretanja svetlosnih zraka sa pravolinijske putanje pri nailasku na prepreke malih dimenzija) x-zraka je primenljiva u različitim strukama, kao i u arheometalurgiji. Elektroni iz atoma su izbačeni delovanjem x-zraka. Nestabilni jonizovani atom se vraća u primarno stanje pošto su izbačeni elektroni napravili praznine, a te praznine popunjuju elektroni sa viših nivoa tako što se spustaju na niži. Jonizacija je proces u kome atom gubi elektron iz svojeg poslednjeg nivoa. Tokom spuštanja elektrona atomi emituju fluorescentnu svetlost. Ta fluorescentna emisija, poznata kao sekundarni x-zraci, predstavlja karakteristični spektar atoma preko kojeg može da se utvrdi i izmeri količina nekog hemijskog elementa. Raspon elemenata koji mogu da se prepoznaju zavisi od energije primarnih x-zraka. Za određeni deo periodnog sistema elemenata koriste se različite anode, koje emituju x-zrake. Anoda je provodljivi material koji je uronjen u rastvor sa jonima i pozitivno je naekektrisana. Svaka anoda proizvodi različite x-zrake i različitu energiju. Da bi se bolje razumelo kako fizičko-hemijske tehnike funkcionišu treba imati znanje kako se atom po kvantnoj fizici ponaša. Atom se sastoji od jezgra i elektrona koji su postavljeni na sedam nivoa. Svaki elektron teži da bude na nivou koji ima što manju energiju. Ukoliko usled spoljnjeg dejstva neki elektron iskoči, a neki drugi elektron je na nepovoljnijem nivou, on će skočiti na mesto iskočenog. Tokom skoka dolazi do emisije radioaktivnog zračenja i gama zraka u zavisnosti od reakcije.

Optička emisiona spetroskopija

Optička emisiona spektroskopija je spektroskopska tehnika koja ispituje talasnu dužinu fotona (elektromagetni energetski paket određene frekvencije) koja se emituje kada dolazi do premeštanja elektrona sa ekscitovanog nivoa na nivo sa manjom energijom. Svaki elemenat ispušta unikatnu talasnu dužinu koja je u vezi sa njegovim rasporedom elektrona. Ova tehnika omogućava kvalitativne i kvantitativne informacije hemijskog sastava ispitivanog uzorka. Okidač koji se koristi za pokretanje ekscitacije u ovoj metodi je plazma tj. Visoko jonizovani gas.

Difrakcija elektrona

Elektroni su elementarne čestice koje se ponašaju kao talasi. Oni difraktuju zbog periodične kristalne rešetke poput x-zraka. Difrakcija elektrona se vrši sa transmisionim elektronskim mikroskopom gde elektroni prolaze kroz tanki sloj materijala. Difrakcioni obrazac se potom fotografiše i prikazuje na fluorescentom ekranu. Fluorescentni ekran je zaklon načinjen od kartona premazanog rastvorom soli teških metala koje fluoresciraju kad su obasjane rendgenskim zracima. Elektronskom difrakcijom se takođe utvrđuje hemijski sastav uzorka.

Atomska apsorbciona sprektroskopija

Atomska apsorbciona spektroskopija je kvantitativna hemijska analiza bazirana na optičkim osobinama uzorka. Optičke osobine predstavljaju boju metala, boju ogreba metala, sjaj i providnost. Zasniva se na upijanju specifičnih talasnih dužina u optičkom spektru i koncentraciji elemenata u gasovitom stanju. Instrument se sastoji od atomizera koji transformiše atome iz kondenzovanog stanja u gasno stanje koristeći razne procese poput elektronskog pražnjenja, laserske radijacije, bombardovanje elektronima ili indukovanom plazmom. Tehnika je invazivna pošto uzorak mora da se rastvori, pretvori u gas i odvoji u izolovane atome da bi bio analizovan. Svetlosni snop ispituje gasoviti uzorak i obično mu je izvor lampa koja radi na principu katode ili elektronsko pražnjenje. Lampa mora da sadrži isti elemenat kao onaj koji se ispituje u uzorku tako da ekscitovani atomi u lampi emituju njihov karakteristični spektar, koji je neophodan da bi se aktivirao apsorbcioni proces u atomima gasa. Karakteristične linije elementa si raspršene i izolovane od emisije spektra koji izlazi iz komore gde se nalazi uzorak. Potom se intenzitet spektra beleži na detektoru.

Termoluminscencija

Termoluminscencija je tehnika koja se koristi za analizu kristala, najčešće pečene gline. Arheometalurzi je koriste za utvrđivanje starosti metalurških peći i topionica. Glina, kao i sve na ovoj planeti, neprestano je izložena kosmičkoj radijaciji. U strukturi kristala gline postoje defekti koji se ponašaju poput zamke i zarobljavaju elektrone koje radijacija proizvodi. Duboke zamke, tek kada dospeju do 300o C počinju da oslobađaju elektrone. Prvo se meri količina svetlosti koja se oslobađa tokom zagrevanja uzorka na 5000 C i beleži se na grafikonu tzv. prirodna svetlosna kriva. Potom se istovetan uzorak izloži određenoj količini radijacije u laboratorijskim uslovima da bi se dobila tzv. veštačka kriva. Odnos dveju krivulja govori o količini energije koja se akumulirala od poslednjeg zagrevanja uzorka (palodeoza). Potom se meri godišnja doza radioaktivne primese i radioaktivnost tla u kome je uzorak nađen. Starost se računa kao količnik palodeoze i godišnje doze primanja radijacije.

Neutronska aktivaciona analiza

Ovo je jedna od najstarijih analiza koju arheometalurzi koriste. Uzorak se izlaže radijaciji putem snopa neutrona. Referento kalibraciono telo se zajedno sa uzorkom umeće u oblast radijacije, da bi primilo istu radijaciju kao i uzorak. Jezgro elementa u uzorku zarobljava neutron i pretvara ga u metastabilni izotop sa karakterističnim vremenom poluraspada. Metastabilni izotop iliti izomer sa istim brojem protona i neutrona kao i normalan element, ali su im protoni i neutroni smešteni u pobuđenim (metastabilnim) kratkoživećim stanjima i u prirodi se često ne održe dugo. Taj metastabilni izotop emituje kvante u rangu radioaktivnih gama zraka. Kvant je najmanja količina energije koja se javlja u elementarnim procesima. Ako se koriste termalni neutroni unutar snopa, gama zraci se usporavaju. Posle izlaganja radijacije mere se usporeni gama traci koji izlaze iz uzorka i beleže se na grafiku. Na grafiku energija gama zraka pik predstavlja specifični element, dok oblast oko pika je povezana sa koncentracijom elementa. Broj početnih jezgara se očitava, merenjem poprelnog preseka, dužinom ozračenosti uzorka i dužinom merenja uzorka.

X-zračenje indukovano protonima

Tehnika x-zračenja indukovanog protonima se koristi za određivanje sastava uzorka. Jonski snop se cilja na površinu uzorka, dok detektor x-zraka analizira emitovani fluorescentni signal. Za proizvodnju jonskog snopa neophodan je ubrzavač čestica tzv. akcelator, koji ne poseduje mnogo laboratorija na svetu. Ova tehnika je dobra jer nije invazivna i ima visoku osetljivost koja joj omogućava da lako pronađe tragove elemenata. Uprkos tome, ona ima lošu interpretaciju podataka, što joj je glavna mana. Rezultati koji se dobijaju prikazuju prisustvo svih elemenata, ali ne i njihovo hemijsko stanje.

Kristalografska analiza teksture

Kristalografska analiza teksture je tehnika koja se bazira na osnovu merenja i interpretacije difraktovanog signala svakog pojedinačnog kristalnog zrna u ispitanom materijalu. Ispitivanje metala stoga zahteva prodiranje snopa koji je obično neutronski, sa jednim ili više detektora merenja intenziteta difrakcije. Svaki kristalit u okviru metala definisan je kao poseban deo uzorka koji difraktuje koherentno, ima specifičan oblik, veličinu i orijentaciju u prostoru. Sve te osobine potiču iz vremena kristalizacije. Difrakcija nije istovetna u svakom uglu, što omogućava merenje zapremine frakcije kristalita koji proizvode difrakciju. Veličina, oblik i orijentacija kristalita određuju teksturu uzorka. Kristalografska analiza materijala se koristi za određivanje strukturnih svojstava kristalita. Osobine tektsure posle služe arheometalurzima da bi rekonstruisali termalni proces i proces obrađivanja materijala.

Elektronska digrakciona analiza povratnih signala

Elektronska difrakciona analiza povratnih signala analizira difraktovani signal indukovan snopom elektrona na maloj površinskoj zapremini uzorka. Kristalografske površi u kristalnoj strukturi zrna se prikazuju na mapama tzv. Kikučijevim linijama. Mapiranje teksture elektronskom difrakcijom povratnih signala proizvodi mape sa izo-orijentisanim tačkama koje predstavljaju kristalite.

Literatura

• Artioli G. 2010. Scientific Methods and Cultural Heritage. New York: Oxford University Press Inc.
• Grin K. 2003. Uvod u arheologiju. Beograd: Clio.
• Janjić S., Ristić P. 1995. Mineralogija. Beograd: Naučna knjiga.
• Palavestra A. 2011. Kulturni konteksti arheologije. Beograd: Filozofski fakultet.
• Renfrew C., Bahn P. 2012. Archaeology - Theories, Methods and Practice. London: Thames & Hudson.
• Trajković S. at all 2010. Osnovi rudarstva. Beograd: Rudarsko-geološki fakultet.
• Urošević V., Krmpotić Đ. 1980. Primenjena fizika. Beograd: Naučna knjiga.
• Wayman M. 2000. Archaeometallurgical contributions to a better understanding the past. Materials characterization, XLV: 259.
• Zacharias N. at all 2006. Fine-grain TL dating of archaeometallurgical furnace walls. Journal of Cultural Heritage, VII: 23.