Hydratation en obsidienne - une technique de rencontre peu coûteuse mais problématique

Rencontres d'hydratation en obsidienne (ou OHD) est une technique de datation scientifique, qui utilise la compréhension de la nature géochimique du verre volcanique (un silicate) appelé obsidienne pour fournir des dates relatives et absolues sur les artefacts. L'obsidienne affleure partout dans le monde et était utilisée de préférence par les fabricants d'outils en pierre car elle est très facile à travailler, elle est très nette lorsqu'elle est cassée et elle est disponible dans une variété de couleurs vives, noir, orange, rouge, vert et clair.

Faits en bref: Rencontres d'hydratation en obsidienne

• La datation à l'hydratation en obsidienne (OHD) est une technique de datation scientifique utilisant la nature géochimique unique des verres volcaniques. 
• La méthode repose sur la croissance mesurée et prévisible d'une croûte qui se forme sur le verre lors de sa première exposition à l'atmosphère. 
• Les problèmes sont que la croissance de la croûte dépend de trois facteurs: la température ambiante, la pression de vapeur d'eau et la chimie du verre volcanique lui-même. 
• Les améliorations récentes des mesures et des progrès analytiques en matière d'absorption d'eau promettent de résoudre certains des problèmes. 

Comment et pourquoi la datation d'hydratation d'obsidienne fonctionne

L'obsidienne contient de l'eau emprisonnée pendant sa formation. Dans son état naturel, il a une croûte épaisse formée par la diffusion de l'eau dans l'atmosphère lors de son premier refroidissement - le terme technique est «couche hydratée». Lorsqu'une surface fraîche d'obsidienne est exposée à l'atmosphère, comme lorsqu'elle est cassée pour fabriquer un outil en pierre, plus d'eau est absorbée et la croûte recommence à croître. Cette nouvelle croûte est visible et peut être mesurée sous un grossissement à haute puissance (40-80x).

Les écorces préhistoriques peuvent varier de moins de 1 micron (µm) à plus de 50 µm, selon la durée de l'exposition. En mesurant l'épaisseur, on peut facilement déterminer si un artefact particulier est plus ancien qu'un autre (âge relatif). Si la vitesse à laquelle l'eau diffuse dans le verre pour ce morceau particulier d'obsidienne est connue (c'est la partie délicate), vous pouvez utiliser OHD pour déterminer l'âge absolu des objets. La relation est d'une simplicité désarmante: Age = DX2, où l'âge est en années, D est une constante et X est l'épaisseur de la croûte d'hydratation en microns.

Définition de la constante

Obsidienne, verre volcanique naturel présentant l'écorce, Montgomery Pass, Mineral County, Nevada. John Cancalosi / Oxford Scientific / Getty Images

C'est presque un pari sûr que tous ceux qui ont déjà fabriqué des outils en pierre et connaissaient l'obsidienne et où le trouver, l'ont utilisé: comme un verre, il se brise de manière prévisible et crée des arêtes extrêmement tranchantes. La fabrication d'outils en pierre à partir d'obsidienne brute brise la croûte et commence le comptage de l'horloge d'obsidienne. La mesure de la croissance de la croûte depuis la rupture peut se faire avec un équipement qui existe probablement déjà dans la plupart des laboratoires. Cela semble parfait n'est-ce pas?

Le problème est que la constante (ce D sournois là-haut) doit combiner au moins trois autres facteurs connus pour affecter le taux de croissance de la croûte: la température, la pression de vapeur d'eau et la chimie du verre.

La température locale fluctue quotidiennement, de façon saisonnière et sur des échelles de temps plus longues dans chaque région de la planète. Les archéologues le reconnaissent et ont commencé à créer un modèle de température d'hydratation efficace (EHT) pour suivre et tenir compte des effets de la température sur l'hydratation, en fonction de la température moyenne annuelle, de la plage de température annuelle et de la plage de température diurne. Parfois, les chercheurs ajoutent un facteur de correction de la profondeur pour tenir compte de la température des objets enterrés, en supposant que les conditions souterraines sont significativement différentes de celles de la surface, mais les effets n'ont pas encore été trop recherchés.

Vapeur d'eau et chimie

Les effets de la variation de la pression de vapeur d'eau dans le climat où un artefact d'obsidienne a été trouvé n'ont pas été étudiés aussi intensivement que les effets de la température. En général, la vapeur d'eau varie avec l'altitude, vous pouvez donc généralement supposer que la vapeur d'eau est constante au sein d'un site ou d'une région. Mais OHD est gênant dans des régions comme les Andes d'Amérique du Sud, où les gens ont amené leurs artefacts d'obsidienne à travers d'énormes changements d'altitude, des régions côtières du niveau de la mer aux hautes montagnes de 4000 mètres (12000 pieds) et plus.

La chimie différentielle du verre chez les obsidiennes est encore plus difficile à expliquer. Certaines obsidiennes s'hydratent plus rapidement que d'autres, même dans le même environnement de dépôt. Vous pouvez rechercher l'obsidienne (c'est-à-dire identifier l'affleurement naturel où un morceau d'obsidienne a été trouvé), et ainsi vous pouvez corriger cette variation en mesurant les taux dans la source et en les utilisant pour créer des courbes d'hydratation spécifiques à la source. Mais, puisque la quantité d'eau dans l'obsidienne peut varier même au sein des nodules d'obsidienne provenant d'une seule source, ce contenu peut affecter de manière significative les estimations d'âge.

Recherche sur la structure de l'eau

La méthodologie pour ajuster les étalonnages de la variabilité du climat est une technologie émergente au 21e siècle. De nouvelles méthodes évaluent de manière critique les profils de profondeur de l'hydrogène sur les surfaces hydratées en utilisant la spectrométrie de masse ionique secondaire (SIMS) ou la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. La structure interne de la teneur en eau de l'obsidienne a été identifiée comme une variable très influente qui contrôle le taux de diffusion de l'eau à température ambiante. Il a également été constaté que de telles structures, comme la teneur en eau, varient au sein des sources de carrière reconnues.  

Associée à une méthodologie de mesure plus précise, la technique a le potentiel d'augmenter la fiabilité de l'OHD et de fournir une fenêtre sur l'évaluation des conditions climatiques locales, en particulier les régimes de paléo-température. 

Histoire de l'obsidienne

Le taux mesurable de croissance de l'écorce de l'obsidienne est reconnu depuis les années 1960. En 1966, les géologues Irving Friedman, Robert L. Smith et William D. Long ont publié la première étude, les résultats de l'hydratation expérimentale de l'obsidienne des montagnes Valles du Nouveau-Mexique.

Depuis lors, des progrès importants ont été réalisés dans les impacts reconnus de la vapeur d'eau, de la température et de la chimie du verre, identifiant et expliquant une grande partie de la variation, créant des techniques de résolution plus élevée pour mesurer l'écorce et définir le profil de diffusion, et inventer et améliorer de nouveaux modèles pour EFH et études sur le mécanisme de diffusion. Malgré ses limites, les dates d'hydratation de l'obsidienne sont beaucoup moins chères que le radiocarbone, et c'est une pratique de datation standard dans de nombreuses régions du monde aujourd'hui.

Sources

• Liritzis, Ioannis et Nikolaos Laskaris. "Cinquante ans de datation d'hydratation d'obsidienne en archéologie." Journal des solides non cristallins 357.10 (2011): 2011-23. Impression.
• Nakazawa, Yuichi. "L'importance de la datation à l'hydratation en obsidienne dans l'évaluation de l'intégrité de l'Holocène Midden, Hokkaido, Nord du Japon." Quaternaire International 397 (2016): 474-83. Impression.
• Nakazawa, Yuichi et al. "Une comparaison systématique des mesures d'hydratation en obsidienne: la première application de la micro-image avec spectrométrie de masse à ions secondaires à l'obsidienne préhistorique." Quaternaire International (2018). Impression.
• Rogers, Alexander K. et Daron Duke. "Unreliability of the Induced Obsidian Hydration Method with Abbreviated Hot-Soak Protocols." Journal of Archaeological Science 52 (2014): 428-35. Impression.
• Rogers, Alexander K. et Christopher M. Stevenson. "Protocoles pour l'hydratation en laboratoire de l'obsidienne, et leur effet sur la précision du taux d'hydratation: une étude de simulation de Monte Carlo." Journal of Archaeological Science: Rapports 16 (2017): 117-26. Impression.
• Stevenson, Christopher M., Alexander K. Rogers et Michael D. Glascock. "Variabilité de la teneur en eau structurale en obsidienne et son importance dans la datation d'hydratation des artefacts culturels." Journal of Archaeological Science: Rapports 23 (2019): 231-42. Impression.
• Tripcevich, Nicholas, Jelmer W. Eerkens et Tim R. Carpenter. "Hydratation d'obsidienne à haute altitude: carrière archaïque à la source de Chivay, sud du Pérou." Journal of Archaeological Science 39,5 (2012): 1360-67. Impression.