Arqueomagnetismo y magnetismo de las rocas en registros de fuegos arqueológicos holocenos

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Ángel Carrancho Alonso

2011-A
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Resumen

TÍTULO: “ARQUEOMAGNETISMO Y MAGNETISMO DE LAS ROCAS EN REGISTROS DE FUEGOS ARQUEOLÓGICOS HOLOCENOS. APLICACIÓN A SEDIMENTOS 

KÁRSTICOS (YACIMIENTOS DE LA SIERRA DE ATAPUERCA Y CUEVA DE EL MIRÓN) Y RECREACIONES EXPERIMENTALES”.



Esta Tesis Doctoral es un estudio paleomagnético y del magnetismo de las rocas sobre fuegos y materiales arqueológicos quemados de diversa edad y naturaleza. Ha sido realizada durante 4 años en el Laboratorio de Paleomagnetismo (Dpto. de Física) de la Universidad de Burgos, bajo la dirección del Dr. Juan José Villalaín (Univ. Burgos) y el Dr. Josep Vallverdú (Univ. Rovira i Virgili, Tarragona). El contenido, planteamiento y originalidad del estudio, el carácter inédito de los materiales analizados, las novedosas propuestas de muestreo y análisis diseñadas y la versatilidad de aplicaciones que ofrece el estudio, avalan su relevancia tanto desde el punto de vista metodológico como en los resultados obtenidos. 

Por primera vez se han obtenido datos en un tipo de material arqueológico nunca antes trabajado en Arqueomagnetismo, especialmente relevantes por su antigüedad. Se trata de los datos arqueomagnéticos más antiguos actualmente existentes en Europa Occidental y abren la posibilidad de extender la aplicación del Arqueomagnetismo como método de datación a cronologías más antiguas. Por otra parte se han establecido criterios magnéticos de identificación y caracterización de fuegos antrópicos de extraordinario interés en otros campos como es la Arqueología.

1. Introducción y antecedentes

El Arqueomagnetismo es una rama interdisciplinar de la Geofísica que estudia las variaciones en la dirección (declinación, D e Inclinación, I), e intensidad (F) del campo geomagnético mediante el análisis del registro magnético en materiales arqueológicos. Su aplicación más conocida es la datación de estructuras de combustión arqueológicas, pero el estudio de las propiedades magnéticas tiene también aplicaciones muy útiles en la caracterización de materiales arqueológicos calentados. 

Así por ejemplo, es posible determinar paleotemperaturas o evaluar potenciales procesos sin- y/o postdeposicionales en un yacimiento arqueológico. Esta Tesis explora estos aspectos desde una perspectiva tanto geofísica como arqueológica.


En la última década, los estudios arqueomagnéticos en Europa han experimentado un importante impulso en el marco del proyecto AARCH (Archaeomagnetic Applications for the Rescue of the Cultural Heritage), financiado por la Unión Europea. Cientos de datos arqueomagnéticos, principalmente direccionales y también de arqueointensidad, han permitido elaborar curvas regionales de referencia de Variación Secular (VS) para los últimos milenios haciendo posible la datación arqueomagnética. Actualmente existen curvas regionales de VS para Austria (Schnepp y Lanos 2006), Bulgaria (Kovacheva et al. 2009), Francia (Gallet et al. 2002), Alemania (Schnepp y Lanos 2005), Grecia (de Marco et al. 2008), Hungría (Márton y Ferencz 2006), Iberia (Gómez-Paccard et al. 2006), Italia (Tema et al. 2006) y Reino Unido (Zananiri et al. 2007). De todas ellas destaca especialmente Bulgaria, que incluye datos tanto direccionales como de intensidad, cubriendo los últimos 8 milenios. 

Representa el registro más largo, continuo y sistemático del mundo y recientemente ha sido actualizado (Kovacheva et al. 2009).

Fig. 1 (a-b). Distribución espacio-temporal de datos arqueomagnéticos (direccionales) en Europa para el período comprendido entre el 6000 y el 2000 años B.C. Los datos están representados según los colores indicados. Apréciese la carencia de datos en Europa Occidental. (Figura de: Carrancho, 2010).

Con la excepción de Bulgaria, los registros europeos de VS no exceden los últimos 2-3 milenios y la distribución de datos arqueomagnéticos no es homogénea ni espacial ni temporalmente. El número de estudios arqueomagnéticos para períodos anteriores al 300 a.C. es considerablemente mayor en Europa Oriental que en Europa Occidental y los únicos registros direccionales anteriores al 1.000 a.C son datos sedimentarios procedentes de secuencias lacustres. El inconveniente de los registros sedimentarios es que introducen un efecto de suavizado debido a que su mecanismo de magnetización es diferente al de los materiales arqueomagnéticos cuya termoremanencia -TRM en inglés-, representa un registro momentáneo y estable del campo magnético terrestre. Si se observa la distribución espacio-temporal de datos arqueomagnéticos en Europa para el período entre el 6.000 – 2.000 a.C (Fig. 1a-b) se aprecia la ausencia de datos procedentes de materiales arqueológicos quemados en Europa Occidental. Los únicos datos disponibles para estas edades se concentran en Europa del Este. 

Con la idea de extender la aplicación de los métodos magnéticos a materiales arqueológicos más antiguos e incorporar nuevos datos de VS, esta Tesis explora un tipo de material absolutamente inédito en el ámbito del Arqueomagnetismo. Se trata de sedimentos antrópicos quemados en cueva conocidos en la literatura arqueológica como “fumiers” (Brochier 1983). Estos materiales están presentes en la estratigrafía holocena de cuevas y conforman secuencias que comprenden una sucesión de episodios de combustión -cenizas sobre facies rubefactadas- bien conservados y muy bien datados por C14. Su origen reside en la quema periódica de excrementos generados por la estabulación de ganado doméstico desde el Neolítico. Son materiales relativamente comunes en el área Mediterránea (Fig. 2) pero hasta donde sabemos, nunca antes habían sido estudiados con fines arqueomagnéticos. En particular, se han estudiado fumiers de las Cuevas de “El Mirador” y “El Portalón de Cueva Mayor”

(Sierra de Atapuerca, Burgos) y la Cueva de “El Mirón” (Ramales de la Victoria, Cantabria). La edad de los materiales está comprendida aproximadamente entre los ~ 5.500 – 2.000 años cal. a.C. y por lo tanto abarcan un período donde hay una absoluta carencia de datos arqueomagnéticos en Europa Occidental.

Figura 2 (Izquierda) Localización de los principales yacimientos con secuencias de fumier potencialmente interesantes para estudios arqueomagnéticos. (Derecha) Sección Este del sondeo de 6m2 de la Cueva de El Mirador (Sierra de Atapuerca, Burgos, España), mostrando los niveles Holocenos con diferentes episodios de combustión (modificado de Carrancho 2010). 

2. Objetivos

Los objetivos específicos de la Tesis son:

-Explorar nuevas técnicas de muestreo arqueomagnético en materiales no litificados con suficiente precisión. 

-Evaluar la idoneidad de las facies quemadas (fumiers) como potenciales registros arqueomagnéticos y tratar de recopilar datos que permitan ampliar temporalmente el registro de VS actualmente existente en la Península Ibérica.

-Estudiar las propiedades magnéticas de estos materiales para identificar la mineralogía magnética y relacionar esta información con su comportamiento paleomagnético y el mecanismo de adquisición de la magnetización. 

-Reconstruir los procesos de formación y enterramiento y evaluar potenciales procesos diagenéticos en estas secuencias de fumiers.

-Obtener información arqueológica como: reconstruir las condiciones tecnológicas (temperaturas) y ambientales (tipo de atmósfera) existentes en la producción de estos fuegos.

-Establecer criterios magnéticos para identificar y caracterizar superficies calentadas en contextos arqueológicos donde su detección no es evidente.

-Estudiar las transformaciones en la mineralogía magnética por efecto del calentamiento mediante la recreación experimental de un fuego prehistórico bajo condiciones controladas de temperatura en superficie y profundidad, así como de mineralogía magnética previa, número de quemas y tipo de combustible. 

3. Materiales y métodos

La metodología empleada es la propia de cualquier estudio paleomagnético y ha comprendido los siguientes aspectos:

1) Muestreo: Recogida de muestra orientada de todas las facies en la secuencia de El Mirador (la más completa), incluyendo tanto las facies quemadas como las no quemadas, mediante un método de muestreo de diseño propio. Se pretendía abordar un estudio piloto que permitiese caracterizar y seleccionar las facies más adecuadas para fines arqueomagnéticos. Estos resultados nos marcaron la estrategia a seguir en los otros dos yacimientos. Se recogieron más de 700 muestras orientadas sólo en los fumiers arqueológicos de los tres yacimientos.

2) Estudio paleomagnético: Desmagnetización progresiva por campos alternos y térmica de la magnetización remanente natural (NRM). La desmagnetización térmica se realizó empleando un método propio de cubos de escayolas específicamente diseñados para estos materiales. Se midió la susceptibilidad magnética tras cada paso de calentamiento para controlar las alteraciones mineralógicas. 

3) Análisis de los resultados paleomagnéticos: Identificación de las componentes magnéticas que contribuyen a la NRM en las facies quemadas (cenizas y rubefacciones). Identificación de la magnetización característica o primaria (ChRM) y cálculo de la dirección media para cada estructura estudiada bajo criterios de selección de calidad previamente establecidos.

4) Análisis del magnetismo de las rocas: Medida de la susceptibilidad magnética a bajo campo y a dos frecuencias, anisotropía de la susceptibilidad magnética (ASM), adquisición y desmagnetización progresiva de la magnetización remanente isoterma (IRM), análisis de espectro de coercitividades, medida de la magnetización remanente anhisterética, dependencia de la magnetización y la susceptibilidad con la temperatura (curvas termomagnéticas), determinación de los parámetros de histéresis, diagramas FORC (First-Order-Reversal-curves) y experimentos de viscosidad magnética.

 4. Resultados

Se detallan los resultados para cada uno de los tres bloques temáticos en los que se articula la Tesis:

4.1. Estudio de propiedades magnéticas de sedimentos antrópicos quemados en cueva (fumiers)

Las facies más quemadas (cenizas y rubefacciones), presentan respecto a las facies no quemadas una mayor concentración de minerales magnéticos producto del calentamiento, reflejando un incremento magnético característico. Los parámetros magnéticos dependientes de la concentración mineral (susceptibilidad magnética, NRM, IRM, etc.) y el índice que Koenisgberger (Qn ratio) son muy efectivos para identificar facies quemadas. Todos los niveles están dominados por minerales ferromagnéticos de baja coercitividad (magnetita y/o maghemita) en estado PSD o pseudo-dominio (Carrancho et al. 2009). 

Es llamativa la homogeneidad en la composición y distribución de tamaño de grano magnético de todas las facies quemadas en los tres yacimientos, lo que sugiere una fuente de combustible común y/o condiciones de combustión similares.

En lo relativo al mecanismo de magnetización, en aquellos fumiers donde se creó magnetita por calentamiento a altas temperaturas, ésta registró la dirección del campo geomagnético mediante una termo-remanencia (TRM). La identificación ocasional de maghemita se interpreta como portadora de una magnetización remanente termoquímica (TCRM). Esta maghemita se formó probablemente por oxidación a temperatura baja-intermedia durante el enfriamiento e indica un origen mineralógico secundario. Dado que la TCRM se adquiere durante el enfriamiento, el registro direccional de la magnetización es representativo del campo magnético, pero no así la paleointensidad.

Fig. 3. Diagramas de desimanación térmica de la magnetización remanente natural o NRM de: (1) una rubefacción -facies quemada-, (2) cerámica y (3) otra rubefacción. El cambio en la dirección magnética indicado por la temperatura con un círculo rojo, refleja la temperatura máxima de combustión que sufrieron estos materiales por la presencia de termo-remanencias parciales 

(p-TRM).

Una aplicación arqueológica muy útil de los métodos magnéticos que hemos explorado aquí es la determinación de temperaturas de calentamiento. Se han observado termo-remanencias parciales (p-TRM) en las rubefacciones con máximas temperaturas de desbloqueo sistemáticamente comprendidas entre 350 – 450 ºC. Esta información indica la máxima temperatura de calentamiento que experimentó esta facies (Fig. 3). 

El análisis de la anisotropía de la susceptibilidad magnética (ASM) ha permitido descartar la presencia de flujos de agua que afectasen a las cenizas en los fumiers estudiados. Esta información, combinada con el análisis de las direcciones arqueomagnéticas y de otras propiedades magnéticas es un método efectivo para evaluar procesos post-deposicionales de carácter físico en fuegos arqueológicos (Carrancho et al., enviado a Quaternary Internat.). 

4.2  Estudio arqueomagnético de sedimentos antrópicos quemados en cueva (fumiers). 

El método diseñado para recoger muestra orientada con precisión en materiales blandos ha resultado ser muy adecuado. Asimismo, la propuesta metodológica diseñada para poder realizar la desmagnetización térmica de la NRM en estos materiales ha funcionado adecuadamente (Carrancho et al. 2006). Esto es importante porque nadie había podido recoger muestra orientada previamente en estos materiales. 

Las cenizas y rubefacciones presentan una componente paleomagnética intensa y estable de polaridad normal que ha registrado la dirección del campo magnético terrestre. Se han establecido criterios independientes de selección de calidad que estos materiales deben cumplir para obtener buenos datos arqueomagnéticos. Entre los tres yacimientos se han obtenido 26 direcciones arqueomagnéticas inéditas comprendidas entre el ~ 5.500 y el 2.000 cal a.C (Fig. 3). Por primera vez se demuestra que es posible obtener datos arqueomagnéticos direccionales en este tipo de materiales. Estos datos representan los registros arqueomagnéticos más antiguos obtenidos en toda Europa Occidental y los únicos existentes hasta el momento para el intervalo cronológico comprendido entre el 5.500 y el 4.000 a.C.

Las direcciones arqueomagnéticas obtenidas presentan un ajuste aceptable al ser comparadas con los modelos globlales y regionales de Variación Secular existentes para estas edades. La comparación de estos datos con los procedentes de Europa Oriental muestra una tendencia coincidente en la inclinación magnética -recuadro discontinuo en la Fig. 3b y d-, lo que indica que realmente reproducen las variaciones direccionales del campo geomagnético.

Fig. 4 (a-b). Representación de los datos arqueomagnéticos obtenidos por Carrancho (2010) de estudiar los fumiers de las tres cuevas indicadas, juntos con los modelos de VS disponibles para estas cronologías según la leyenda. (c-d) Comparación de los datos arqueomagnéticos existentes en Europa de Este (Bulgaria y Hungría) entre el 6.000 y 2.000 a.C, con el modelo global y regional de VS que se indica en la leyenda. Apréciese la tendencia similar en el mínimo de inclinación entre los datos coetáneos de los fumiers (b) y los de Europa Oriental (d). 

4.3. Estudio arqueomagnético y de propiedades magnéticas de fuegos experimentales 

Una parte muy importante de esta Tesis ha sido la reproducción experimental bajo condiciones controladas de un fuego prehistórico para su estudio arqueomagnético. Los factores controlados fueron las temperaturas en superficie y profundidad, la mineralogía magnética previa, el número de quemas y el tipo de combustible. El calentamiento intenso del sustrato arcilloso ha generado la creación de magnetita en toda la superficie del hogar, provocando un incremento magnético distintivo.

Debido a las diferentes temperaturas alcanzadas en el centro (> 600º C) y la periferia (~ 300 ºC) de la superficie del hogar,  se han registrado dos mecanismos de magnetización diferentes. Las muestras del centro portan una termoremanencia (TRM) y las muestras periféricas una magnetización termoquímica (TCRM). Esta información es muy útil para pre-seleccionar muestras para análisis de paleointensidad en contextos similares. El estudio de paleointensidad realizado con dos técnicas distintas sobre muestras del centro del hogar es coincidente con el campo imanador conocido (Calvo-Rathert, Carrancho et al. enviado a Quaternary Research). 

El estudio también emplea un método para determinar temperaturas de calentamiento estudiando la reversibilidad termomagnética de las muestras y concuerda con los datos de campo. Este estudio explora diversas aplicaciones arqueológicas como la identificación de fuegos, estimar temperaturas, evaluar si un material está in situ y reconstruir el tipo de atmósfera dominante. Estos resultados serán referencia para la interpretación futura de registros arqueológicos y magnéticos (Carrancho y Villalaín, enviado a Earth Planet. Sci. Letters) y fueron galardonados por la IAGA con el 1er premio en el Congreso Internacional “11th Castle Meeting, Paleo-Rock and Enviromental Magnetism”, Bojnice Castlle, Slovakia, 22-28 Junio 2008 (IAGA Young Scientist Presentation Award). 

5. Conclusiones

Las conclusiones del trabajo están desglosadas en los resultados para cada línea de trabajo estudiada. Muy sintéticamente se pueden reducir en (i) conclusiones de interés estrictamente geofísico y (ii) conclusiones derivadas de la aplicación de métodos magnéticos a la Arqueología:

(i) Se ha descubierto un nuevo tipo de material de interés arqueomagnético nunca antes trabajado (fumiers). Se han obtenido 26 direcciones arqueomagnéticas inéditas que representan los datos más antiguos existentes en Europa Occidental y los únicos comprendidos en el período entre el 5.500 – 4.000 a.C. Se han establecido pautas para su muestreo y análisis, determinado criterios de selección de calidad en estos materiales y comparado los resultados con modelos regionales y globales de Variación Secular probando su idoneidad. Esta información mejorará los modelos de Variación Secular existentes y consecuentemente la datación arqueomagnética en Europa Occidental.

(ii) Se han propuesto y probado con éxito diversas aplicaciones de los métodos magnéticos al estudio de fuegos arqueológicos como: estimar paleotemperaturas, determinar si un material está in situ, reconstruir procesos de formación y enterramiento o evaluar procesos post-deposicionales, entre otros.

6. Transferencia de conocimientos y publicación de resultados

El carácter multidisciplinar de esta Tesis combinando información geofísica y arqueológica está permitiendo publicar los resultados en revistas de impacto internacional de ambas disciplinas. Por el momento se han publicado, enviado o en proceso de revisión los siguientes artículos: i) Propiedades magnéticas de los fumiers de El Mirador (Carrancho et al. 2009); ii) Estudio arqueomagnético de la Cueva de El Mirón (Carrancho y Villalaín en prensa); iii) Estudio arqueomagnético y de propiedades magnéticas de los fuegos experimentales (Carrancho y Villalaín, enviado a EPSL); iv) estudio de arqueointensidad de los fuegos experimentales (Calvo-Rathert, Carrancho et al., enviado a Quat. Research); v) Aplicación de los métodos magnéticos para identificar procesos post-deposicionales en fuegos arqueológicos (Carrancho et al., enviado a Quat. 

International). Durante esta anualidad se pretende enviar a publicar otros 3 artículos internacionales: vi) Datos arqueomagnéticos de la Cueva de El Mirador y comparación con modelos de variación secular; vii) Estudio comparativo de propiedades magnéticas de los fuegos de los tres yacimientos estudiados y viii) Nueva base de datos arqueomagnética para Europa Occidental integrando los datos arqueomagnéticos ya existentes con los obtenidos en la Tesis y presentando la extensión cronológica de la curva de Variación Secular en Iberia.

Parte de los análisis de esta Tesis fueron realizados durante 8 semanas en el prestigioso laboratorio de Paleomagnetismo de la Universidad de Utrecht. Además de las publicaciones indicadas, hasta la actualidad los resultados de esta Tesis han sido presentados mediante comunicaciones orales o pósters en 7 congresos nacionales y 9 internacionales, siendo alguno de ellos premiados como se indica en el apartado 4.3 (IAGA Young Scientist Presentation Award). En definitiva, esta Tesis ha abierto una nueva y prometedora línea de investigación para los próximos años tanto en el ámbito del Arqueomagnetismo como en la aplicación de métodos magnéticos a la Arqueología. 

7. Referencias

Brochier, J.E. (1983). Combustion et parcage des herbivores domestiques. Le point de vue du sédimentologue, Bulletin de la Societé Préhistorique Française, 80 (5), 143–145.

Calvo-Rathert, M., Carrancho, Á., Stark, F., Villalaín, J.J. & Hill, M. (enviado). Are burnt sediments reliable recorders of geomagnetic field strength? A comparison of Thellier-type and microwave paleointensity results. Enviado a Quaternary Research, 4 pp. (Actualmente under review) Carrancho, Á. (2010). Arqueomagnetismo y magnetismo de las rocas en registros de fuegos arqueológicos holocenos. Aplicación a sedimentos kársticos (yacimientos de la Sierra de Atapuerca y Cueva de El Mirón) y recreaciones experimentales. Tesis doctoral. Dpto. Física. Universidad de Burgos. 282 pp. Carrancho, Á., Villalaín, J. J. y Soto, R. (2006). Nuevas estrategias de muestreo arqueomagnético en sedimentos blandos de cuevas. MAGIBER IV: (Paleomagnetismo en la Península Ibérica). Vigo, 27-29 Sept. 2006. Pg. 15.

Carrancho, Á., Villalaín, J. J., Angelucci, D.E., Dekkers, M.J., Vallverdú, J. & Vergès, J.Mª. (2009). Rock-magnetic analyses as a tool to investigate archaeological fired sediments. A case study of Mirador cave (Sierra de Atapuerca, Spain). 

Geophysical Journal International, 179, 79–96. Carrancho, Á. & Villalaín, J.J. (en prensa). Preliminary archaeomagnetic and rock-magnetic results from the Holocene fire lenses in El Mirón Cave (Ramales de la Victoria, Spain). In: El Mirón Cave. Volume I: Background, Stratigraphy, Sedimentology & the Post-Paleolithic Levels (L.G. Straus and R.M. González-Morales, Eds.). New Mexico University Press, USA, 17 pp.

Carrancho, Á. & Villalaín, J.J. (enviado). Different mechanisms of magnetization recorded in experimental fires: archaeomagnetic implications. Enviado a Earth and Planetary Science Letters, 13 pp. (Actualmente under review). 

Carrancho, Á., Villalaín, J.J., Vergès, J.M. & Vallverdú, J. (enviado). Assessing post-depositional processes in archaeological cave fires through the analysis of archaeomagnetic vectors. Enviado a Quaternary International, 12 pp. 

(Actualmente under review)

De Marco, E., Spatharas, V., Gómez-Paccard, M., Chauvin, A. & Kondopoulou, D. (2008). New archaeointensity results from archaeological sites and variation of the geomagnetic field intensity for the last 7 millennia in Greece. Phys. Chem. Earth, 33 (6-7), 578-595. 

Gallet, Y., Genevey, A. and Le Goff, M. (2002). Three millennia of directional variations of the Earth’s magnetic field in western Europe as revealed by archaeological artefacts. Phys. Earth Planet. Inter. 131, 81 – 89.

Gomez-Paccard, M.; Lanos, Ph., Chauvin, A.; McIntosh, G., Osete, M.L.; Catanzariti, G.; Ruiz-Martínez, V.C.; Núñez, J.I. 

(2006). The first Archaeomagnetic secular variation curve for the Iberian Peninsula. Comparison with other data from Western Europe and with global geomagnetic field models. Geochemistry, Geophysics, Geosystem, 7, Q12001, 2006.DOI: 10.1029/2006GC001476.

Korte, M., A. Genevey, C.-G. Constable, U. Frank & E. Schnepp (2005). Continuous geomagnetic field models for the past 7 millennia: 1. A new global data compilation. Geochem. Geophys. Geosyst., 6, Q02H15, doi:10.1029/2004GC000800.

Kovacheva, M., Y. Boyadziev, M. Kostadinova, N. Jordanova, and F. Donadini (2009), Updated archeomagnetic data set of the past 8 millennia from the Sofia laboratory, Bulgaria. Geochem. Geophys. Geosyst., 10, Q05002, doi:10.1029/2008GC002347.

Márton, P., & Ferencz, E. (2006). Hierarchical versus stratification statistical analysis of archaeomagnetic directions: The secular variation curve for Hungary. Geophys. J. Int., 164, 484–489. 

Márton, P. (2009). Prehistorical archaeomagnetic directions from Hungary in comparison with those from south-eastern Europe.

 Earth Planets Space, 61, 1351–1356. 

Schnepp, E. & Lanos, P. (2005). Archaeomagnetic secular variation in Germany during the past 2500 years. Geophysical Journal International, 163, 479–90. 

Schnepp, E. & Lanos, P. (2006). A preliminary secular variation reference curve for archaeomagnetic dating in Austria. 

Geophysical Journal International, 166, 91–6. 

Tema, E., Hedley, I., & Lanos, P. (2006). Archaeomagnetism in Italy: a compilation of data including new results and a preliminary Italian secular variation curve. Geophys. J. Int., 167, 1160–71. 

Zananiri, I., Batt, C. M., Lanos, P., Tarling, D. H., & Linford, P. (2007). Archaeomagnetic secular variation in the UK during the past 4000 years and its application to archaeomagnetic dating. Phys. Earth Planet. Inter., 160, 97–107. 

 


 
Abstract

Esta Tesis Doctoral es un estudio paleomagnético y del magnetismo de las rocas sobre fuegos y materiales arqueológicos quemados de diversa edad y naturaleza. Ha sido realizada durante 4 años en el Laboratorio de Paleomagnetismo (Dpto. de Física) de la Universidad de Burgos, bajo la dirección del Dr. Juan José Villalaín (Univ. Burgos) y el Dr. Josep Vallverdú (Univ. Rovira i Virgili, Tarragona). El contenido, planteamiento y originalidad del estudio, el carácter inédito de los materiales analizados, las novedosas propuestas de muestreo y análisis diseñadas y la versatilidad de aplicaciones que ofrece el estudio, avalan su relevancia tanto desde el punto de vista metodológico como en los resultados obtenidos. 

Por primera vez se han obtenido datos en un tipo de material arqueológico nunca antes trabajado en Arqueomagnetismo (sedimentos antrópicos quemados en cueva o fumiers). Los materiales estudiados proceden de las Cuevas de El Mirador y El Portalón (Sierra de Atapuerca, Burgos) y la Cueva de El Mirón (Cantabria) y su edad abarca aproximadamente entre el 5.500 al 1.000 a.C. Se trata de los datos arqueomagnéticos más antiguos actualmente existentes en Europa Occidental y los únicos disponibles para el período entre el 5.500 – 4.000 a.C. Además de cubrir un vacío cronológico y geográfico considerable, abren la posibilidad de extender la aplicación del Arqueomagnetismo como método de datación a cronologías más antiguas. 

Se han establecido pautas para el muestreo y análisis de estos materiales, determinado criterios de selección de calidad y comparado con los modelos globales y regionales de Variación Secular disponibles probando su idoneidad. Por otra parte se han propuesto y probado con éxito diversas aplicaciones del arqueomagnetismo y el magnetismo de las rocas al estudio de fuegos arqueológicos: estimar paleotemperaturas, determinar si un material está in situ, reconstruir procesos de formación y enterramiento o evaluar procesos post-deposicionales. Esta Tesis, que combina el análisis de materiales arqueológicos y experimentales, ha abierto una línea de investigación de extraordinario interés para los próximos años tanto en el ámbito del Arqueomagnetismo como en la aplicación de los métodos magnéticos a la Arqueología. 

 

 
Índice

CAPÍTULO I. Introducción y objetivos  3

1. Introducción general  3

 

CAPÍTULO II. Fundamentos teóricos11

2.1. El Campo Magnético Terrestre11

2.2. La descripción del CMT mediante modelos13

2.3. Variaciones temporales del campo magnético principal14

2.3.1. Las inversiones de polaridad15

2.3.2. Las excursiones geomagnéticas16

2.3.3. La variación secular17

2.4. Propiedades magnéticas de la materia. Diamagnetismo, paramagnetismo y ferromagnetismo20

2.5. La histéresis magnética24

2.6. Introducción a la teoría de Néel. Granos monodominio (SD)25

2.7. Dominios magnéticos29

2.8. Principales minerales ferromagnéticos30

2.8.1. Magnetita (Fe3O4)32

2.8.2. Maghemita (?-Fe2O3)32

2.8.3. Hematites (?-Fe2O3)34

2.8.4. Goethita (?-FeOOH)35

2.8.5. Sulfuros de hierro36

2.9. Mecanismos de registro de la magnetización remanente natural36

2.9.1. Magnetización termoremanente (TRM)37

2.9.2. Magnetización remanente química (CRM)39

2.9.3. Magnetización remanente termo-química (TCRM)40

   2.9.4. Magnetización remanente deposicional (DRM) y 

        post-deposicional (p-DRM)41

2.9.5. Magnetización remanente viscosa (VRM)42

 

 

CAPÍTULO III. Metodología47

PARTE 1 Técnicas de muestreo47

3.1. Introducción47

3.2. Técnica de muestreo empleada para materiales blandos49

3.3. Propuesta de muestreo para tratamientos térmicos de laboratorio51

 

PARTE 2. Medida de la Magnetización Remanente Natural (NRM)55

3.4. Técnicas de desimanación de la NRM55

3.4.1. Desmagnetización por campos alternos decrecientes55

3.4.2. Desmagnetización térmica57

3.5. Representación gráfica de los datos paleomagnéticos58

3.5.1. Diagramas ortogonales de desmagnetización de la NRM. 58

3.5.2. Proyecciones de igual área60

3.6. Tratamiento estadístico de los datos paleomagnéticos62

3.6. Paleointensidad64

 

PARTE 3. Magnetismo de las rocas. Técnicas y Aplicaciones66

3.8 Introducción66

3.9. Susceptibilidad magnética67

3.10. Susceptibilidad magnética a dos frecuencias69

3.11. Anisotropía de la Susceptibilidad magnética70

3.12. Índice de Koënigsberger (cociente Q)72

3.13. Magnetización remanente isoterma (IRM) 73

3.14. Descomposición de componentes de coercitividad de curvas 

de adquisición de IRM 75

3.15. Desimanación térmica de la IRM en tres ejes ortogonales 78

3.16. Magnetización remanente anhisterética 79

3.17. Curvas termomagnéticas 80

3.18. Parámetros de los ciclos de histéresis83

3.19. Diagramas FORC 86

 

 

CAPÍTULO IV. Contexto geoarqueológico. Materiales de estudio 93

4.1. Fumiers: sedimentos antrópicos holocenos en cuevas. Principales rasgos y 

consideraciones metodológicas 93

4.2. La cueva de “El Mirador” 98

4.2.1. La secuencia Holocena de El Mirador. Consideraciones metodológicas 

y secuencia estratigráfica100

4.2.2. Las facies104

4.2.3. Cronología del depósito106

4.2.4. Materiales muestreados107

4.3. El Portalón de Cueva Mayor111

4.3.1. Secuencia estratigráfica114

4.3.2. Marco cronológico117

4.3.3. Materiales muestreados119

4.4. La cueva de El Mirón121

4.4.1. Secuencia estratigráfica123

4.4.2. Marco cronológico126

4.4.3. Materiales muestreados127

 

 

CAPÍTULO V. Propiedades magnéticas de fumiers 

holocenos en cuevas133

5.1. Introducción133

5.2. Métodos magnéticos135

5.3. Resultados experimentales137

5.3.1. NRM y susceptibilidad magnética137

5.3.2. Estabilidad direccional de la NRM140

5.3.3. Anisotropía de la susceptibilidad magnética142

5.3.4. Curvas termomagnéticas143

5.3.4.1. Variaciones de la susceptibilidad magnética con la temperatura143

5.3.4.2. Variaciones de la magnetización con la temperatura145

5.3.5. Desimanación térmica de la IRM en tres ejes ortogonales146

5.3.6. Ciclos de histéresis148

5.3.7. Diagramas FORC151

5.3.8. Análisis de la descomposición de componentes de coercitividad

 de la IRM153

5.3.9. ARM vs ?lf y susceptibilidad a dos frecuencias (?fd%)159

5.3.10. Experimentos de viscosidad magnética160

5.4. Discusión163

5.4.1. Caracterización magnética de los niveles de estabulación estudiados163

5.4.2. Origen de los minerales magnéticos – el papel del fuego166

5.4.3. Condiciones de enterramiento y diagénesis167

5.5. Conclusiones168

 

 

CAPÍTULO VI. Primeros datos arqueomagnéticos obtenidos en 

secuencias de fumiers en Europa Occidental173

6.1. Introducción173

6.2. Desmagnetización de la NRM178

6.2.1. Cenizas178

6.2.2. Rubefacciones179

6.3. Criterios de selección de calidad182

6.4. Marco cronológico184

6.5. Resultados. Direcciones arqueomagnéticas185

6.5.1. Direcciones arqueomagnéticas de la Cueva de El Mirón188

6.5.2. Direcciones arqueomagnéticas de la Cueva de El Mirador191

6.5.3. Direcciones arqueomagnéticas de El Portalón de Cueva Mayor194

6.6. Comparación con modelos de Variación Secular195

6.7. Conclusiones200

 

 

CAPÍTULO VII. Transformaciones en la mineralogía magnética en fuegos experimentales. 

Implicaciones arqueomagnéticas y arqueológicas205

7.1. Introducción205

7.2. Materiales y métodos. Fuegos experimentales207

7.3. Resultados210

7.3.1. Registros de temperaturas210

7.3.2. Propiedades magnéticas211

7.3.2.1. Distribución de valores de la susceptibilidad magnética211

7.3.2.2. Propiedades magnéticas. Prequema vs. Postquema213

7.3.2.2.1. Prequema213

7.3.2.2.2. Postquema216

7.3.2.3. Propiedades magnéticas en superficie (centro vs. periferia) y 

       Profundidad217

7.3.2.3.1. Curvas de adquisición de IRM218

7.3.2.3.2. S-ratio y SIRM1T – IRM0.2 T221

7.3.2.3.3. Desimanación térmica de la IRM

        en tres ejes ortogonales223

7.3.2.3.4. Curvas termomagnéticas225

7.3.2.3.5. Reversibilidad de las curvas termomagnéticas228

7.3.2.3.6. Ciclos termomagnéticos parciales de 

calentamiento / enfriamiento229

7.3.2.3.7. Diagramas FORC230

7.3.3. Estabilidad  de la NRM231

7.3.3.1. Prequema vs. Postquema231

7.3.4. Paleointensidad234

7.4. Discusión239

7.4.1 Aplicaciones e implicaciones arqueológicas244

7.5. Conclusiones246

 

 

CAPÍTULO VIII. Conclusiones generales287

8.1. Conclusiones sobre propiedades magnéticas251

8.1. Conclusiones arqueomagnéticas252

8.1. Conclusiones arqueológicas254

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS259

 


 
Conclusiones

Se presentan las conclusiones según el tipo de estudio realizado distinguiendo tres apartados: i) conclusiones sobre propiedades magnéticas; ii) conclusiones arqueomagnéticas y iii) conclusiones arqueológicas.

1. CONCLUSIONES SOBRE PROPIEDADES MAGNÉTICAS

• El estudio de propiedades magnéticas sobre las facies quemadas y no quemadas realizado en la Cueva de El Mirador, ha permitido determinar que las cenizas y en determinados condiciones las rubefacciones, son adecuadas para estudios arqueomagnéticos. En los tres yacimientos estudiados, todas las facies quemadas están dominadas por minerales ferromagnéticos de baja coercitividad (magnetita -escasamente sustituida- y/o magnetita parcialmente maghemitizada) en estado pseudo-monodominio (PSD). 

• Las cenizas y rubefacciones han registrado un incremento magnético característico producto de las actividades de quema, respecto a las facies no quemadas. La principal diferencia es que la concentración de minerales magnéticos en cenizas y rubefacciones es mayor que en las facies no quemadas. Los parámetros magnéticos dependientes de la concentración mineral como la susceptibilidad magnética, intensidad de la NRM, IRM, etc., son muy efectivos para distinguir qué facies han sufrido calentamiento.

• Las variaciones en el cociente de Koenigsberger (Qn ratio) es un criterio muy diagnóstico para identificar superficies calentadas y susceptibles de haber registrado una termo-remanencia (TRM). Los mayores valores en el Qn ratio se encuentran en las cenizas seguidas de las rubefacciones, oscilando entre 1 y 10. En las facies no quemadas es menor de 1.

• En aquellos fumiers donde se creó magnetita por calentamiento a altas temperaturas, ésta registró la dirección del campo magnético mediante una termo-remanencia (TRM). La identificación de maghemita (o magnetita parcialmente maghemitizada) la interpretamos como portadora de una magnetización remanente termo-química (TCRM). Esta maghemita se forma probablemente por oxidación a baja-intermedia temperatura durante el enfriamiento. Dado que la TCRM se adquiere durante el enfriamiento inicial, el registro direccional de la magnetización es representativo del campo magnético ambiental, pero no así la paleointensidad.

• El análisis de la anisotropía de la susceptibilidad magnética (AMS) en varios fumiers estudiados de El Mirador, nos ha permitido descartar la presencia de flujos de agua que afectasen a las cenizas. 

2. CONCLUSIONES ARQUEOMAGNÉTICAS

• Se ha diseñado una estrategia de muestreo que permite extraer muestras orientadas en materiales blandos (Ej.: cenizas) con suficiente precisión para su uso en Arqueomagnetismo. Realizamos también una propuesta metodológica para la recogida de muestra orientada de cara a realizar la desmagnetización térmica de la NRM aplicada a este tipo de materiales.

• Las cenizas y rubefacciones presentan una componente paleomagnética estable de polaridad normal que ha registrado la dirección del Campo Magnético Terrestre. La NRM de las cenizas está definida por una única componente paleomagnética estable y de alta intensidad. Las rubefacciones presentan o bien una componente o bien varias parcialmente solapadas. 

Las rubefacciones desmagnetizadas térmicamente ocasionalmente presentan termo-remanencias parciales (p-TRMs) con máximas temperaturas de desbloqueo comprendidas entre 300 – 450 ºC. 

• Este estudio ha permitido establecer criterios independientes de selección de calidad que estos materiales deben cumplir para obtener buenos datos arqueomagnéticos: i) valores del cociente de Koenigsberger (Qn ratio) elevados o al menos mayores de 1; ii) presencia de todas las facies en la estructura de combustión (cenizas sobre rubefacciones subyacentes); iii) ausencia de evidencias de alteraciones mecánicas del sedimento y iv) mayor espesor posible en las cenizas. 

• Entre los tres yacimientos estudiados, se han obtenido 26 direcciones arqueomagnéticas inéditas comprendidas entre ~ 5500 y 2000 cal. años B.C. Por primera vez se demuestra que es posible obtener datos arqueomagnéticos direccionales en este tipo de facies quemadas en cueva (fumiers). Estos datos representan los registros arqueomagnéticos (direccionales) más antiguos obtenidos en toda Europa Occidental y los únicos existentes hasta el momento para el intervalo cronológico comprendido entre 5500 y 4000 años B.C.

• Las direcciones arqueomagnéticas obtenidas presentan un ajuste aceptable al ser comparadas con los modelos globales y regionales de variación secular existentes para estas edades. Hemos observado una tendencia a disminuir la inclinación en el período comprendido entre el 4200 – 4600 BC. Esta tendencia también se observa en los únicos datos arqueomagnéticos disponibles para estas cronologías procedentes del Este de Europa y probablemente representan un rasgo del Campo Magnético Terrestre no identificado por los modelos.

• Este estudio abre nuevas perspectivas metodológicas para obtener datos de variación secular sobre materiales inéditos y más antiguos que los que tradicionalmente se suelen trabajar en Arqueomagnetismo. Además, demuestra que es posible ampliar temporalmente los registros de variación secular que en un futuro próximo permitan aplicar la datación arqueomagnética en yacimientos arqueológicos prehistóricos. 

• En lo referente al estudio del hogar prehistórico experimental se han extraído las siguientes conclusiones:

i) El calentamiento intenso de un sustrato arcilloso ha generado la creación de magnetita en toda la superficie del hogar muy probablemente, a partir de minerales paramagnéticos.

ii) En el centro del hogar (calentado > 600 ºC), la magnetita neoformada ha registrado el campo magnético mediante una termo-remanencia (TRM). Esta magnetita presenta un estado mono-dominio (SD), lo que como se ha comprobado permite obtener determinaciones de paleointensidad. 

iii) En la periferia del hogar (< 400 ºC) la magnetita neoformada ha registrado el campo magnético mediante una magnetización remanente termo-química (TCRM).

iv) El calentamiento de sustratos arcillosos permite registrar de forma fidedigna la intensidad del campo magnético ambiental. Esto sucede en el centro del hogar donde se cumplen los requisitos metodológicos necesarios. Esta paleointensidad puede determinarse al menos mediante los métodos tradicionales de tipo Thellier.

3. CONCLUSIONES ARQUEOLÓGICAS

• Los análisis magnéticos tienen una aplicación arqueológica directa a la identificación y caracterización de superficies y materiales arqueológicos calentados. Tanto en el estudio de las secuencias de fumiers como en el hogar experimental, el calentamiento genera transformaciones mineralógicas y propiedades magnéticas distintivas respecto al contexto circundante no quemado. Si las condiciones de conservación de un yacimiento son aceptables, esta signatura magnética puede ser identifica da combinando el análisis de la desmagnetización de la NRM con el estudio de las propiedades magnéticas del material.

• La homogeneidad en la composición mineral y distribución de tamaños de granos magnéticos entre las facies quemadas de los tres yacimientos es destacable. Esta uniformidad en las propiedades magnéticas sugiere el uso de combustibles similares y condiciones de combustión parecidas en los fumiers estudiados de los tres yacimientos.

• Los métodos magnéticos tienen también otras aplicaciones que hemos empleado en este trabajo como la reconstrucción de procesos de formación y enterramiento de un material, evaluar procesos diagenéticos, determinar el carácter in situ de una estructura de combustión analizando sus direcciones paleomagnéticas y determinar paleotemperaturas de combustión.

• Hemos aplicado dos técnicas para determinar temperaturas de combustión en materiales arqueológicos quemados: 

i) La identificación de termo-remanencias parciales (p-TRMs). La máxima temperatura de desbloqueo (TUB) de las p-TRMs observada en las rubefacciones oscila entre 300 – 450 ºC e indica la máxima temperatura que alcanzaron estas facies. 

ii) Someter a una muestra a ciclos termomagnéticos de calentamiento y enfriamiento a temperaturas progresivamente mayores para estudiar su reversibilidad. Hemos probado con éxito esta técnica en materiales arqueológicos y también en los fuegos experimentales, donde controlamos previamente la temperatura. Las cenizas arqueológicas son reversibles hasta los 700 ºC lo que indica que fueron calentadas como mínimo a esa temperatura. Las rubefacciones son irreversibles a temperaturas intermedias (300 – 450 ºC). 

• La penetración del calor en profundidad en un fuego arqueológico, al menos en lo referente a modificar sus propiedades magnéticas, es tan sólo efectivo en los primeros 2 cm. En aquellos contextos arqueológicos donde se tengan indicios de una superficie calentada, aconsejamos a los arqueólogos recoger muestra suelta en una malla densa (cada pocos cm) de la superficie potencialmente quemada y de su contexto circundante. Esto permitirá estudiar sus propiedades magnéticas y determinar si ha habido calentamiento. En la medida de lo posible, es muy deseable recoger muestra orientada para estudiar la estabilidad direccional de la NRM.