A radiokarbonos kormeghatározás a régészet szolgálatában

Ki és mikor alkotta meg a radiokarbonos kormeghatározás technikáját? Pontosan mit is jelent? Napjainkban milyen eszközöket használnak a vizsgálatok során? Melyek lehetnek a céljai az ilyen vizsgálatoknak? Milyen mértékben tudja segíteni a régészetet a kutatásai során? Milyen konkrét példák vannak a szénizotópos vizsgálatokra? Ezeknek a kérdéseknek igyekeztem utánajárni ebben az írásban.

Egy kis témamegalapozás…

Willard Frank Libby amerikai vegyész 1908. december 17-én született Grand Valley-ben – Colorado állam, Amerikai Egyesült Államok. Ő volt az, aki megalkotta a ¹⁴C-es izotópon (vagyis a tizennégyes tömegszámú szénizotópon – szerk. megj.) alapuló radiokarbonos kormeghatározás módszerét. Napjainkban ez rendkívül értékes eszközévé vált a régészetnek, antropológiának és a földtudományoknak. 1960-ban kémiai Nobel-díjat kapott érte.¹

Willard Frank Libby a Kaliforniai Egyetemen tanult, ahol 1931-ben főiskolai diplomát, 1933-ra pedig doktorátust szerzett. 1938-ra egyetemi adjunktus lett. 1940-ben feleségül vette Leonor Hickey-t. 1941-ben Libby guggenheimi ösztöndíjat kapott, hogy a New Jersey-i Princeton Egyetemen dolgozzon, de munkáját félbeszakította az Egyesült Államok belépése a II. világháborúba. Szabadságra küldték a New York-i Columbia Egyetemre, a Columbiai War Research Divisionbe, ahol a kémiai Nobel-díjas tudóssal, Harold Clayton Urey-vel dolgozott együtt. A Manhattan-projekthez (1941–1945) kapcsolódóan Libby segített kifejleszteni egy módszert az uránizotópok gázdiffúzióval történő szétválasztására, ami az atombomba létrehozásának alapvető lépése. 1945-re egyetemi docensként dolgozott. 1946-ban rájött, hogy a felső légkörben lévő kozmikus sugarak a trícium, a hidrogén legnehezebb izotópjának nyomait termelik, amely a légköri víz nyomaként használható. A tríciumkoncentráció mérésével kifejlesztett egy módszert a kútvíz és a bor korának meghatározására, valamint a víz keringési mintáinak és az óceánok vizei keveredésének mérésére. Libby a Nukleáris Tanulmányok Intézetének (ma Enrico Fermi Institute for Nuclear Studies) és a Chicagói Egyetem kémia tanszékének (1945–1959) kémiaprofesszora lett. 1959-től Libby a kaliforniai Los Angeles-i egyetem kémiaprofesszora volt. 1962-től haláláig a Geofizikai és Bolygófizikai Intézet igazgatója volt.²

1947. március 4-én Libby és tanítványai a ¹⁴C-es kormeghatározási technikával alkották meg az első életkor-meghatározást. Libby és tanítványai felfedezték, hogy a ¹⁴C-atomok a bomlás során béta-részecskéket szabadítanak fel, a kibocsátásokat egy Geiger-számlálóval sikerült megszámolniuk. Ez bizonyult a hagyományos módszer alapjainak, amelyet számos radiokarbon-laboratóriumban a mai napig használnak. Ezek alapján Libby-nek sikerült egy egységes rendszert létrehoznia, amely régészeti lelőhelyeken gyűjtött szerves anyagok mintáján alapul, így például faszén, fa, magvak és egyéb növényi maradványok, valamint emberi és állati csontok.³ Elmondható, hogy Libby 1947-es tevékenysége tekinthető a radiokarbonos kormeg­határozás születésének.

Willard Frank Libby 1980. szeptember 8-án hunyt el Los Angelesben (Kalifornia állam, Amerikai Egyesült Államok).⁴

A radiokarbonos kormeghatározás

A radiokarbonos (vagy szénizotópos) kormeghatározás az abszolút kormeg­határozási módszerek közé tartozik, amelyben a szén instabil izotópját használják az adott szerves anyagok datálására. Az abszolút keltezéshez sorolják például a dendrokronológiát vagy a naptár és a történeti időrend általi kormeghatározási módszereket. A szénizotópos kormeghatározás egy olyan kormeghatározási eljárás, amely segítségével a természetben előforduló ¹⁴C-izotóp felhasználásával a széntartalmú anyagok korát állapíthatjuk meg. De pontosan mire is jó ez a kormeghatározás?

A radiokarbonos (vagy szénizotópos) kormeghatározás a növényekben, az állati és/vagy emberi szervezetben felhalmozódott szénatomok mennyiségét vizsgálja. Az élő szervezet folyamatosan szént vesz fel a környezetéből, a halál beállta után viszont megszűnik a szénfelvétel, ettől a pillanattól kezdve a ¹⁴C-izotóp bomlani kezd. A bomlásának egyenlőtlenségét és gyorsaságát az atomfizikusok pontosan megfigyelték: kb. 5500 év kell ahhoz, hogy a ¹⁴C-izotóp mennyisége a felére csökkenjen. Mondhatni ez az eljárás nem is tűnik olyan nehéznek, csak egy erre alkalmas laborban meg kell számolni egy faszéndarabka, egy szenült mag vagy csont anyagában megmaradt ¹⁴C-izotópokat, és így máris megtudhatjuk az adott anyag abszolút korát.⁵ Napjainkban elmondható, hogy a szén­izotópos vizsgálatoknál a szén felezési ideje 5730 év.

A radiokarbonos kormeghatározásnak a célja, hogy a szén instabil izotópjának a segítségével a kutatók meghatározzák a szenet tartalmazó leletek korát.

A felhasznált eszközök

Mint minden kutatásnál, a szénizotópos kormeghatározásnál is vannak nagyon fontos eszközök, amelyek segítségével kutathatjuk a szénatomokat. Olyan eszközökről beszélhetünk, amelyeknek a segítségével ki lehet mutatni a ¹⁴C-es izotópot a szerves anyagokban. Molnár Mihály és Svingor Éva a Radiokarbon kormeghatározás című munkájukban a ¹⁴C-es izotóp kimutatására több lehetőséget is felsorolnak, mint például: meg lehet mérni a minta aktivitását hagyományos aktivitásmérésen alapuló technikákkal (folyadékszcintillációs vagy gáztöltésű proporcionális számlálókkal), vagy mérni lehet közvetlenül a ¹⁴C/¹²C-izotóparányt speciálisan erre a célra kifejlesztett tömegspektrométerrel (Accelerator Mass Spectrometry, AMS-módszer).⁶ A folyadékszcintillációs proporcionális számlálóknál a trícium és ¹⁴C-anyagokat használják fel, hogy megvizsgálják a folyadékok széntartalmát. A gáztöltésű proporcionális számláló a szén-dioxidban vizsgálja a szénatomok számát. A folyadékszcintillációs vagy gáztöltésű proporcionális számlálóknál sokkal nagyobb anyagmintával kell dolgozni, és az elemzés is sokkal hosszabb ideig eltart, mint a tömegspektrométeres vizsgálatoknál. Míg a folyadékszcintillációs vagy gáztöltésű proporcionális számlálóknál 5–10 gramm szénre is szükség lehet, és az elemzés is több napot vesz igénybe, addig a tömegspektrométeres vizsgálatoknál elég 0,5 gramm szén, és nagyon hamar meglesz az eredmény. Meglátásom szerint a tömegspektrométeres vizsgálatok jobbak, hiszen ugyanazt az eredményt képesek kimutatni, mint a folyadékszcintillációs vagy gáztöltésű proporcionális számlálók, kevesebb anyagfelhasználással, és sokkal rövidebb idő alatt.

Alkalmazása a régészetben

A radiokarbonos kormeghatározás a régészet egyik segédtudománya, amely nagyban megkönnyíti az ásatásból származó leletek korának abszolút értékét.

Az ásatásokon a figyelem főként a leletanyagra irányul. A Müller Róbert által szerkesztett Régészeti Kézikönyv szerint az ásatás leletanyagát két jól elkülönülő csoportra lehetne osztani: melyeken lehet, és melyeken nem lehet szénizotópos kormeghatározást végezni. Az első csoportba azok a leletek tartoznak, amelyeken lehet radiokarbonos datálást végezni, idetartoznak például a fa-, faszénmaradványok, a magvak, levelek, a vászon, tőzeg, humusz, csont, szarv, haj, kagyló, csiga, karbonátos üledékek (cseppkő) és a talajok is. Mindenképpen olyan leletek tartoznak ide, amelyekben mérhető a biológiai eredetű szén jelenléte. Ezzel szemben a másik csoportba azok a leletanyagok tartoznak, amelyeken nem lehet radiokarbonos datálást végezni. Általában ezek az anyagok nem dátumozhatók, mivel nem adnak reális kort, ilyenek például a vakolat, a habarcs vagy a kerámiában maradt szerves anyagok. Ezek mellett különleges technikát igényelnek a festmények, a barlangrajzok és a vaseszközökben lévő szén datálása.⁷

A régészet munkáját a kormeghatározás tekintetében nagyban elő tudja segíteni az OxCal program használata. Az OxCal egy számítógépes program, amely lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy sokféle elemzést végezzen a ¹⁴C-es izotóp-dátumokon, az egyszerű kalibrálástól kezdve a teljes régészeti lelőhelyek elemzéséig, ideértve a statigráfiát és egyéb datálási módszereket. A program hasznos lehet a régészek és a ¹⁴C-laboratóriumok számára, mind a datálási programok tervezésében, mind a régészeti lelőhelyekről származó datálási bizonyítékok elemzésében.⁸

Románia területén talán az egyik legjobb példa az ásatásból származó leletek korának beazonosítására az, amit az újvári ásatás során láthattunk. Az Újvár (Uivar) a Temes völgyében fekszik, a Bánát-síkságon. Ez az egyik neolitikum kori település a sok közül, amelyet megtaláltak a Kárpát-medencében az időszámításunk előtti hatodik évezredből. Az újvári felfedezés neolitikum kori házakat foglal magában. 1998-tól 2009-ig tartott a román–német csapatok közös kutatása. Az együttműködésük által a vizsgált terület mintegy három hektárt foglal magába. A terület elemzése nemcsak a felszínen található háromhektáros területből állt, hanem egyben egy négyméteres, függőleges irányítású rétegződés vizsgálatából is. Ezek mellett több geofizikai felmérést is végeztek. A felmérés során előkerült a lakóházak körül egy védőárok is, amelynek külső része 350 × 200 méteres ellipszist képez a házak körül, és így összesen mintegy 12 hektárnyi területtel rendelkezik a tell (ez a régészeti szakkifejezés régi városokat rejtő törmelékhalmot, településdombot jelöl – szerk. megj.) neolitikum kori település. A geofizikai felmérés nem csak a tell tetejét vizsgálta meg. A vizsgálat során számos, szorosan egymás mellé állított, többé-kevésbé szabályos, koncentrikus elrendezésben levő épülettel és talán üres központi térrel rendelkező települést találtak, és arra következtetésre jutottak, hogy sok épület leégett. Ezt a geofizikai felmérésből állapították meg, mivel a méréskor az anomáliák ezt a lehetőséget mutatták a neolitikumi házak megsemmisítésével kapcsolatban. A felmérésekből az is kiderült, hogy az egymást követő szintek nagyjából ugyanazt a tájolást és térközt követik. Az épületek téglalap alakúak voltak. Az akár 12 méter hosszú és 6 méter széles házakat általában két vagy három helyiségre osztották fel. Egyes épületek kétszintesek voltak – vagy teljes hosszukban, vagy csak egy részük.⁹ Meglátásom szerint ezekből az adatokból azt a tényt lehet kikövetkeztetni, hogy az újvári neolitikumi népcsoport nagyon is fejlett volt az építkezés szempontjából.

A kutatás során a geofizikai mérések mellett az ásatások során mintavételezés is történt radiokarbonos kormeghatározásra. Összesen 182 ilyen kormeg­határozást végeztek el az újvári tellen található házak maradványain. Sokkal pontosabb adatokat lehetett így nyerni arról, hogy mikor keletkeztek, meddig használták és mikor szűntek meg létezni ezek a házak, mint hogyha más kormeghatározási módszert alkalmaztak volna. Egyes épületeknél sajnos ehhez nem állt rendelkezésre elegendő anyag, ezért a kutatók egy becsült értéket állapítottak meg, amelyet később az elemzésnél felhasználtak. A kutatások arra is fényt derítettek, hogy az egykori település stabil, és egyben egyszerű szerkezettel rendelkezett. Tell rétegjeiből az is kiderült, hogy a házak átlagos élettartama 36 év volt, de a vizsgálatok során nem szabad figyelmen kívül hagyni a tell-település életéből az esetleges, véletlenszerű leégéseket. Ezek mellett az is kiderült, hogy a házak építése között időbeli eltolódások, különbségek vannak, amiket a kutatók a neolitikum kori társadalmi és gazdasági változásokkal hoztak összefüggésbe.¹⁰ Meglátásom szerint az újvári neolitikumi házak felfedezése igazi ritkaságnak számít.

Egy másik régészeti eset, amikor a radiokarbonos kormeghatározást alkalmazták, az albániai Hekalhoz kapcsolódik. Ebben a kutatásban a hangsúly a csontok vizsgálatának és korának a megállapítása volt. Az emberi és állati régészeti maradványok (csont, fog, elefántcsont és agancs) nagyon komplex anyagoknak minősülnek, amelyeknél a radiokarbonos kormeghatározási technikát alkalmazni tudják. A csontokat alapvetően egy szerves kollagén (aminosavak, például glicin, proline, hidroxiprolin stb.) és egy szervetlen ásványi anyag (kalcium-foszfátot tartalmazó strukturális karbonát) építi fel. Az ásványi frakcióból származó szén alkalmas lehet ¹⁴C-es kormeghatározásra. A szerves kollagénnek a csontokból való kivonása a legkedveltebb módszer. A friss csont körülbelül 20 milligramm kollagént tartalmaz. A legkorábbi ¹⁴C-es dátumokat egész csontok vizsgálatakor kapták. Napjainkban is alkalmazzák ezt a ¹⁴C-es laboratóriumokban. Ennél a vizsgálati formánál a legelterjedtebb eljárás az ultraszűrés, amely elválasztja a nagy molekulatömegű kollagénvegyületeket más anyagoktól. A csontokból kivont kollagént egy zselés anyaggá alakítják ultratiszta vízzel. A zselatinfilteres (részleges) tisztítása után következik az ultratisztítás (teljes tisztítás). Ezek után egy fagyasztási és szárítási folyamat kezdődik. Később elégetik a kiszárított zseléket, és az így keletkezett szén-dioxidot az AMS műszer (tömegspektrométer) segítségével kielemzik (¹³C/¹⁴C vagy a ¹⁴N/¹⁵N arányát – az N a nitrogén vegyjele, szerk. megj.). Van, amikor a szén-dioxid-mintákat grafitrészecskékké alakítják, és utána alkalmazzák az AMS-elemzést. A vizsgálatoknál az elsődleges minták (vakminták) eredményeit korrigálni kell a szennyezettség behatása miatt. A szennyezettség miatt a korrelációkor az elsődleges eredmény nem kis mértékben tud megváltozni, amíg kialakulnak a végleges eredmények (a modern csontoknál). A laboratóriumban feldolgozott csontminták többsége neolitikumi vagy fiatalabb korú, így a vakkorrekció csak kis mértékben változtatja meg az eredményeket, de ezek a kis változások nagyobb jelentőséget kaphatnak a paleolitikumi korszakban. A szennyezettség a csontminták elemzésének az eredményeit öregíteni vagy fiatalítani tudja.¹¹ Összességében elmondható, hogy a fent említett eljárás nagyon hasznos tud lenni a régészek és antropológusok számára a csontanyagok korának a meghatározásában.

Ha a csontok elemzéséről beszélünk, akkor elengedhetetlen azt pontosítani, hogy elemzés előtt milyen lényeges szempontoknak kell megfeleljenek a csontok ahhoz, hogy alkalmasak legyenek radiokarbonos kormeghatározásra. Ezt a tényt úgy lehet a legkönnyebben eldönteni, hogy megvizsgáljuk a csontokat. Az elemzésre alkalmas csontok színe sárgásfehér, barnásfehér vagy barnássárga, az anyaga pedig kemény (még a csontszilánkokat is nagyon nehéz tovább törni). Ezzel szemben az elemzésre alkalmatlan csontok színe szürkésfehér, fehér, már-már ,,betegesen sápadt” és az anyagát tekintve rideg, törhető, morzsolható, porlad. A különbség a kollagén meglétében keresendő. Az emberi csontok közül külön kiemelendők az üreges csontok (azok a legjobbak), de ezek mellett nagyon jó forrást tudnak képezni a bordák, a kéz- és a lábcsontok is. Az AMS-mérésre a legalkalmasabb csonttípusok: a szarv, tülök, koponya, fogak, lapos csontok.¹²

Összegzés

Összegezve a fentieket, elmondható, hogy a radiokarbonos kormeghatározás a régészeti és/vagy antropológiai kutatásokban nagyon is hasznos. Ennek a kormeghatározási módszernek rengeteg fontos felhasználási módja és területe van a tudomány oltárán. A szén­izotópos kormeghatározás az egyik leghasznosabb kormeghatározási módszer, hiszen egy abszolút értéket tud adni a vizsgált lelet korával kapcsolatban, ami nagy segítség nyújt a régészeti és/vagy antropológiai kutatások során.

Felhasznált irodalom:

Bánffy 2003 Bánffy E.: Keltezési módszerek. In: Visy Zs. (szerk.): Magyar régészet az ezredfordulón. Budapest, 2003. 44–48.

Drașovean et. al. 2017 Drașovean, F. – Schier, W. – Bayliss, A. – Gaydarska, B. – Whittle, A.: The Lives of Houses: Duration, Context, and History at Neolithic Uivar, Romania. European Journal of Archaeology 20/4. 2017. 636–662.

Kauffman Kauffman, G. B.: Willard Frank Libby. In: Britannica.

Major et. al. 2009 https://www.britannica.com/biography/Willard-Libby, (megtekintve: 2020. december 27.) Major István et al.: Assessment and development of bone preparation for radiocarbon dating at Hekal. Radiocarbon 61/5, 2019. 1551–1561.

Molnár–Svingor 2011 Molnár M. – Svingor É.: Radiokarbon kormeghatározás. In: Müller Róbert (főszerk.): Régészeti kézikönyv.. Budapest, 2011, 532–544.

Ramsey 1995 Ramsey, C. B.: Radiocarbon Calibration and Analysis of Stratigraphy: The Oxcal Program. Radiocarbon 37/2, 1995, 425–430

Renfrew 1999 Renfrew, C.: Régészet. Elmélet, módszer, gyakorlat. Budapest, 1999. 132.

Jegyzetek

1 Kauffman

2 Kauffman

3 Renfrew 1999, 132.

4 Kauffman

5 Bánffy 2003, 46.

6 Molnár–Svingor 2011, 533.

7 Molnár–Svingor 2011, 534.

8 Ramsey 1995, 430.

9 Drașovean et. al. 2017, 637–643.

10 Drașovean et. al. 2017, 643–653.

11 Major et. al. 2009, 1551—1562.

12 Molnár–Svingor 2011, 535–538.