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Kupferisotopenanalyse

Anwendung

Die Isotopenverhältnisse von chemischen Elementen in natürlichen Gesteinen und kulturhistorischen Objekten können variieren. Ursache hierfür sind zum einen der radioaktive Zerfall von instabilen Isotopen, zum Beispiel von Rubidium, Uran oder Rhenium, der zu variablen Isotopenzusammensetzungen von Strontium, Blei oder Osmium führt. Zum anderen werden auch stabile Isotope auf Grund ihrer Massenunterschiede im Verlauf von physikalischen (Diffusion, Verdampfung), chemischen (Verhüttung, Oxidation, Reduktion) und biologischen Prozessen voneinander getrennt. Solche Prozesse sind sowohl bei der Herstellung von kulturhistorischen Objekten (Metallen, Legierungen, Schlacken, Keramik, Glas) als auch während der Bildung von deren Ausgangsmaterialien (Erze, Minerale) von großer Bedeutung.

Sie verleihen den Reaktionsprodukten einen jeweils spezifischen isotopischen Fingerabdruck. Dieser enthält möglicherweise zwei Informationen: zum Einem über die Beschaffenheit der Elementquelle und zum Zweiten über den Transferprozess von der Quelle zum Reaktionsprodukt. Mit Hilfe des isotopischen Fingerabdrucks in den jeweiligen Materialien, können dann Fragen hinsichtlich Herkunft, Herstellungstechnik oder Echtheit beantworten werden.

Die Messung der Verhältnisse stabiler Isotope zur Beantwortung archäologische Fragestellungen steht in den Anfängen, und Details der Isotopensystematiken müssen noch erforscht werden. Für die Herkunftsbestimmung liefert ein einzelnes Isotopensystem oft keinen eindeutigen Fingerabdruck, da Lagerstätten selbst große Variationen in den Isotopenzusammensetzungen aufweisen können. Durch die Integration zusätzlicher Daten von anderen Isotopensystemen, weitere geochemischen Methoden oder auch aus den Geschichtswissenschaften können Hypothesen überprüft werden. Der CEZA stehen hierfür eine „state of the art“ analytische Ausrüstung, umfangreiche Datenbanken und Naturwissenschaftler zur Beratung und Interpretation der Analysedaten zur Verfügung.

Grundlagen

Kupfer hat lediglich zwei Isotope und die untersuchten Materialien werden über das Isotopenverhältnis 65Cu/63Cu charakterisiert. Das Verhalten dieses Elementes wird von seinen siderophilen und chalkophilen Eigenschaften kontrolliert sowohl im geologischen als auch im archäometrischen Kontext. Für die Archäologie ist die Verwendung von Kupfer schon seit dem Neolithikum bekannt, wo es zunächst gediegen, d.h. als natürlich vorkommendes Metall (Naturkupfer), verarbeitet wurde. Seit dem Chalkolithikum werden Kupfererze auch verhüttet und zur Herstellung von Kupferlegierungen wie Arsen- oder Zinnbronzen verwendet. Mit Hilfe des isotopischen Fingerabdrucks in den jeweiligen Materialien, können dann Fragen hinsichtlich Herkunft oder Herstellungstechnik beantworten werden.

Das Element kann mehrere Oxidationsstufen einnehmen mit der Folge, dass seine Mineralogie und Isotopenzusammensetzung sehr komplex ist und von den Prozessen und den Umweltbedingungen sehr stark abhängt. Kupferlagerstätten bilden sich über einen weiten Temperaturbereich von magmatisch, hydrothermal bis sedimentär und unter reduzierenden bis oxidierenden Bedingungen. Diese Komplexität spiegelt sich in einer großen Variabilität der Isotopenzusammensetzung in Kupferlagerstätten wider. Einzelne Lagerstätten lassen sich daher nicht immer signifikant unterscheiden und das Kupferisotopenverhältnis kann oft nicht als alleiniges Kriterium für die Herkunftsbestimmung verwendet werden.

Es sind jedoch deutlich messbare Unterschiede in der Kupferisotopenzusammensetzung verschiedener archäologischer Objekte zu erkennen. Diese weisen auf die Verwendung von unterschiedlichen Rohstoffquellen hin. Mit Hilfe der isotopischen Fingerabdrücke kann dann die Zusammengehörigkeit einzelner Objekte oder Objektgruppen belegt oder ausgeschlossen werden, was wiederum helfen würde kulturelle Beziehungen zu deuten. Weiterhin ist es möglich, in Kombination mit der Elementanalytik intentionelle und zufällige Legierungen zu unterscheiden oder Mischungen verschiedener Metallsorten zu erkennen.

Die CEZA bietet an, die Isotopenverhältnisse von Kupfer in Mineralen, Kupfererzen und Verhüttungsprodukten wie Kupfermetall, Bronzen und Schlacken zu bestimmen.

Probenbeschaffenheit

Die Probengröße hängt von den Elementkonzentrationen in der Probe ab, die allerdings sehr variabel sein kann! Bei Metallproben (Bronzen, Silber, Gold, Zinn) oder bei Kassiteriten empfehlen wir eine Probenmenge von 50 mg. Rein technisch betrachtet können 1 mg oder weniger ausreichen. Allerdings stellt sich bei dieser geringen Menge die Frage, inwieweit sie repräsentativ für die Gesamtprobe ist und die Analysenergebnisse sinnvoll zu interpretieren sind. Repräsentative Probenmengen von Kupfer-, Zinn- und Silbererzen sollten mindestens 0,5 g betragen, da solche Materialien von Natur aus sehr heterogen sind.

Forschungsschwerpunkte

Materialien