黒曜石の水和年代測定

黒曜石水和年代測定法( OHD ) は、黒曜石で作られた遺物の絶対的または相対的な年代を決定する地球化学的手法です。

黒曜石は火山ガラスで、先史時代の人々が石器（尖頭器、ナイフ、その他の切削工具など）の製造に、圧力剥離などの制御された方法で割って破片を砕くことによって原料として使用していました。

黒曜石は鉱物水和特性に従い、空気にさらされると、明確な速度で水を吸収します。加工されていない黒曜石の塊が最初に破砕されたとき、通常、水分は 1% 未満しか存在しません。時間が経つにつれて、水はゆっくりと遺物に浸透し、狭い「帯」、「縁」、「外皮」を形成します。これは、40～80 倍の倍率の高倍率顕微鏡、SIMS (二次イオン質量分析法) による深度プロファイリング、IR-PAS (赤外線光音響分光法) など、さまざまな技術で確認および測定できます。^{[1] [2]黒曜石の水和を絶対年代測定に使用するには、サンプルがさらされた条件とその起源を理解するか、既知の年代のサンプルと比較する必要があります (例: 関連物質の}放射性炭素年代測定の結果)。^{[3] [4]}

黒曜石の水和年代測定は、1960年に米国地質調査所のアーヴィング・フリードマンとロバート・スミスによって導入されました。^[5]彼らの最初の研究は、北アメリカ西部の考古学遺跡からの黒曜石に焦点を当てていました。

二次イオン質量分析法（SIMS）を用いた黒曜石の水和年代測定は、2002年に2つの独立した研究チームによって導入されました。^{[6] [7]}

現在、この技術は考古学者によってカリフォルニア^[8] や北アメリカのグレートベースンにある先史時代の遺跡や先史時代の遺跡の年代測定に広く応用されています。また、南アメリカ、中東、ニュージーランドを含む太平洋諸島、地中海盆地でも応用されています。

水和帯を測定するには、通常、遺物から小さな断片を切り取ります。このサンプルは、約 30 マイクロメートルの厚さに削り取られ、岩石スライド (薄片と呼ばれます) に載せられます。次に、水和帯は、通常 10 分の 1 マイクロメートル単位で距離を測定する何らかの方法を備えた高倍率顕微鏡で測定されます。技術者は、砕いたばかりの表面に吸収された微量の水を測定します。黒曜石の水和年代測定の原理は単純です。遺物の表面が露出している時間が長いほど、水和帯は厚くなります。

二次イオン質量分析法の深さプロファイリング機能を使用して水和リムを測定する場合、サンプルは準備や切断をせずにホルダーに取り付けられます。この測定方法は非破壊です。一般的な SIMS モードには、一次イオン電流密度に応じて静的モードと動的モードの 2 つがあり、質量分析計には、磁気セクター、四重極、飛行時間 (TOF) の 3 種類があります。どの質量分析計も、静的モード (非常に低いイオン電流、最上部の単原子層分析) と動的モード (高いイオン電流密度、詳細な分析) で動作できます。

比較的まれではあるが、黒曜石の表面調査におけるSIMSの使用は、OHD年代測定に大きな進歩をもたらした。SIMSは一般に、その動作によって静的、動的、四重極、飛行時間型（TOF）の4つの機器カテゴリを指す。本質的には、これは本質的に非破壊的な方法で、多数の化学元素と分子構造に対して大きな解像度を持つ技術である。まったく新しい理論的根拠によるOHDへのアプローチは、その正確さと精度の両方を向上させ、信頼性の高い年代順データを生成することで潜在的に有用性を拡大する方法で技術を改良することが可能であることを示唆している。Anovitzら^[9]は、SIMSによって取得されたH +プロファイルを詳述する数値解（有限差分（FD）または有限要素）に従って、組成に依存する拡散のみに依存するモデルを提示した。Riciputiらは、メキシコのチャルコにあるマウント65の結果を使用して、モデルのテストを行った。^[10]この技術は、数値計算を使用して、拡散プロファイル全体の形成を時間の関数としてモデル化し、導出された曲線を水素プロファイルに当てはめました。FD方程式は、ガラスに拡散する水の挙動とSIMS H+拡散プロファイルの特徴点に関するいくつかの仮定に基づいています。

ギリシャのロードス島では、イオアニス・リリッツィスの指導と発明により、^[11] 年代測定法は、フィックの拡散法則に従い、SIMS による S 型水素プロファイルのモデル化と表面飽和層の理解に基づいています (図を参照)。実際、表面の飽和層は、水分子の拡散メカニズムの速度論、黒曜石の特定の化学構造、拡散に影響を与える外部条件 (温度、相対湿度、圧力) などの要因に応じて、特定の深さまで形成されます。^{[12]これらの要因が組み合わさって、外部表面層にほぼ一定の境界濃度値が形成されます。拡散の最終生成物を使用して、特定の初期条件と境界条件、および適切な物理化学的メカニズムに基づいて、H} ₂ O 濃度対深さプロファイルを拡散/時間方程式として 表す現象論モデルが開発されました。

この最新の進歩である新しい二次イオン質量分析法-表面飽和（SIMS-SS）は、表面の水素濃度プロファイルを深さに対してモデル化するものであり、年齢の決定は拡散プロセスを記述する方程式によって行われ、地形効果は原子間力顕微鏡によって確認および監視されています。^{[13] [14] [15] [16]}

いくつかの要因が、黒曜石の水和帯の厚さと絶対年代との単純な相関を複雑にしている。温度は水和プロセスを加速することが知られている。したがって、例えば標高が低い場所など、高温にさらされた遺物は、より速く水和すると思われる。また、黒曜石の化学的性質、つまり固有の水分含有量も、水和速度に影響すると思われる。考古学者が黒曜石の地球化学的特徴（例えば「出所」）と温度（通常は「有効水和温度」または EHT 係数を使用して概算）を制御できるようになれば、黒曜石水和技術を使用して遺物の年代を測定できる可能性がある。水蒸気圧も黒曜石の水和速度に影響を与える可能性がある。^[9]

フリードマンの経験的年代方程式 ( x²=kt、ここでxは水和縁の厚さ、kは拡散係数、tは時間) に基づく方法の信頼性は、手順とアプリケーションに関するいくつかの成功した試みの一環として、温度依存性、時間の平方根、およびサンプルごとおよびサイトごとの拡散速度の決定に関するいくつかの理由から疑問視されています。 SIMS-SS 年代計算手順は、2 つの主要なステップに分かれています。最初のステップは、SIMS プロファイルの 3 次フィッティング多項式の計算です (式 1)。2 番目のステージは、飽和層、つまりその深さと濃度の決定に関するものです。計算処理全体は、グラフィカル ユーザー インターフェイスを備え、Windows XP で実行可能な Matlab (バージョン 7.0.1) ソフトウェア パッケージで作成されたスタンドアロン ソフトウェアに組み込まれています。したがって、現在より前の年の SIMS-SS 年代方程式は、式 2 で与えられます。

${\displaystyle c=e^{a+bx+cx^{2}+dx^{3}}}$
式1 SIMSプロファイルのフィッティング多項式

${\displaystyle T={\frac {(C_{1}-C_{2})^{2}\left({\frac {1.128}{1-{\frac {0.177kC_{1}}{C_{2}}}}}\right)^{2}}{4Dse\!f\!\!f\left(\left.{\frac {\mathrm {d} C}{\mathrm {d} x}}\right|_{x=0}\right)^{2}}}}$
式2 SIMS-SS年齢式（現在より前の年）

ここで、Ci は水の固有濃度、Cs は飽和濃度、dC/dx は深さ x=0 の拡散係数、k はクランクの理論的拡散曲線の族から導出され、適合多項式の逆勾配を適切に年代測定されたサンプルに関連付ける有効拡散係数 (式 3) です。 ${\displaystyle Ds,eff}$

D _s,eff = aD _s + b/ (10 ²² D _s ) = 8.051e ⁻⁶ D _s +0.999/(1022D _s )、式3

ここでDs = (1/(dC/dx))10 ^−11は 一定のフラックスを仮定し、1としている。式(2)と1の仮定については、今後の検討課題である。^[17]

いくつかの商業企業と大学の研究室が黒曜石の水和サービスを提供しています。

• 年代測定法（考古学）

• Ambrose, W.; Novak, SW; Abdelrehim, I. (2004). 「水和速度と現場温度測定の測定に用いる粉末黒曜石」地中海考古学と考古測定学4 ( 2): 17–31.
• Liritzis (2006). 「SIMS-SS 新しい黒曜石水和年代測定法: 分析と理論的原理」.考古学. 48 (3): 533–547. doi :10.1111/j.1475-4754.2006.00271.x.
• Rogers, AK (2008)。「黒曜石の有効水和温度を計算するアルゴリズムのフィールドデータ検証」。考古学科学ジャーナル。35 (2): 441–447。Bibcode :2008JArSc..35..441R。doi :10.1016/j.jas.2007.04.009 。
• Eerkens, JW; Vaughn, KJ; Carpenter, TR; Conlee, CA; Linares Grados, Moises; Schreiber, K (2008). 「ペルー南海岸における黒曜石の水和年代測定」Journal of Archaeological Science . 35 (8): 2231–2239. Bibcode :2008JArSc..35.2231E. doi :10.1016/j.jas.2008.02.009.
• Liritzis, I; Laskaris, N (2009). 「二次イオン質量分析法による黒曜石の水和年代測定の進歩: 世界の例」.核物理学研究セクション B における核計測および方法. 267 (1): 144–150. Bibcode :2009NIMPB.267..144L. doi :10.1016/j.nimb.2008.10.092.

• 黒曜石の水分補給について説明している国立公園局のページ