Η μέθοδος της Ανάλυσης Σταθερών Ισοτόπων C και Ο για την προέλευση του μαρμάρου

Epiroc banner ad

Παρουσιάζουμε σήμερα μια εργασία αναφορικά με τη χρήση των σταθερών ισοτόπων ως μεθόδου αναγνώρισης της προέλευσης και ειδικότερα  το state of the art για τα ελληνικά κυρίως μάρμαρα. Τα μάρμαρα της Μικράς Ασίας (Ανατολίας, Anadolu) αναφέρονται επίσης διότι αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα του αρχαίου ελληνισμού.

Η Γεωχημεία των σταθερών αλλά και ραδιογενών ισοτόπων αποτελεί σήμερα έναν πολύ σημαντικό κλάδο των Γεωεπιστημών. Έχει τεράστιες εφαρμογές σχεδόν σε όλες τις γεωλογικές μελέτες, από την παλαιοοικολογία-παλαιοπεριβάλλον έως τις μελέτες της προέλευσης της Γης και του ηλιακού μας συστήματος. Οι αναλογίες των ισοτόπων ποικίλλουν στα διάφορα φυσικά υλικά κι αυτό είναι από τα χαρακτηριστικά που καθιστούν τα σταθερά ισότοπα διαφόρων στοιχείων χρήσιμα για την ερμηνεία ορισμένων γεωχημικών και βιολογικών διαδικασιών (Misra, Kula C. 2018).

Υπάρχουν πολλά φυσικά σταθερά ισότοπα όμως η γεωχημεία των σταθερών ισοτόπων ασχολείται παραδοσιακά με κάποια ισότοπα από λίγα “ελαφρά” στοιχεία, όπως είναι τα H, C, N, O και το S. Καθένα από αυτά αντιπροσωπεύεται από ένα ελαφρύ ισότοπο, το οποίο είναι και το συχνότερα απαντώμενο, και από ένα ή περισσότερα βαρύτερα και σπανιότερα ισότοπα. Ο άνθρακας αποτελείται από τα ισότοπα 12C και 13C με αναλογία περίπου 98.89% και 1.11% ενώ το οξυγόνο έχει τρία ισότοπα 16Ο,17Ο,18Ο , με αναλογίες 99.76%, 0.037% και 0.204%.

Αντίθετα, η κλασμάτωση των ισοτόπων των στοιχείων που χρησιμοποιούνται στη γεωχημεία ραδιογενών ισοτόπων (π.χ. τα Sr, Nd, Hf, Οs, Pb κ.λπ.) είναι περιορισμένη (Misra, Kula C. 2018 ). Τα ραδιενεργά ισότοπα είναι η βάση πολλών μεθόδων χρονολόγησης (ραδιομετρικής χρονολόγησης) αλλά έχουν περιορισμένες εφαρμογές στην προέλευση των πετρωμάτων, με ορισμένες εξαιρέσεις όπως πχ. του Sr.

Λέγοντας Ισοτοπική Κλασμάτωση εννοούμε την κλασμάτωση (διαχωρισμό) των ισοτόπων ενός χημικού στοιχείου ανάμεσα σε δύο συνυπάρχοντα υλικά, η οποία έχει ως τελικό αποτέλεσμα την εμφάνιση διαφορετικών αναλογιών των ισοτόπων στο κάθε υλικό. Τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν περίπου ταυτόσημη ηλεκτρονική δομή και εξαιτίας αυτού έχουν πολύ όμοιες χημικές ιδιότητες, όμως έχουν διαφορετική μάζα άρα θα διαφέρουν και σε ορισμένες φυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από τη μάζα. Σε αυτές τις ιδιότητες βασίζονται και οι διαχωρισμοί τους. Οι περισσότερες γεωλογικές διεργασίες επάγουν την κλασμάτωση που εξαρτάται από τη μάζα, έτσι μπορούμε να μελετήσουμε τις διεργασίες αυτές χρησιμοποιώντας ως εργαλείο την μεταβολή των ισοτοπικών λόγων.

Η μέτρηση των σταθερών ισοτόπων ανιχνεύει και ποσοτικοποιεί την εκλεκτική κλασμάτωση των σταθερών ισοτόπων, όπως διαμορφώθηκε από τις συνθήκες σχηματισμού του εξεταζόμενου πετρώματος. Αντίθετα, η ανάλυση των ραδιενεργών ισοτόπων δείχνει πως διαφοροποιούνται οι λόγοι των ισοτόπων με το χρόνο, γεγονός που συναρτάται με την ηλικία τους (χρονολόγηση).

Ειδικότερα, για τον χαρακτηρισμό του μαρμάρου και την εύρεση της προέλευσης αρχαίων τεχνουργημάτων χρησιμοποιείται κυρίως η μέτρηση των σταθερών ισοτόπων C, και O και αντιστοίχως ο προσδιορισμός των λόγων 13C/12C, 18O/16O στα κύρια ορυκτά του μαρμάρου, CaCO3 και CaMg(CO3)2 με την τεχνική της Φασματογραφίας μάζας ισοτοπικών λόγων -Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS). Συστηματικές μελέτες που έχουν γίνει από διάφορους ερευνητές τα τελευταία 30-40 χρόνια, έχουν καταδείξει ότι η σχέση των δυο παραπάνω λόγων μπορεί να αποτελέσει σημαντικό διαγνωστικό στοιχείο για την αναγνώρισης της προέλευσης.

Πράγματι, μέχρι το 1972, όταν οι Harmon και Valerie Craig πρότειναν τη χρήση σταθερών ισοτόπων της άνθρακα και οξυγόνο για να διακρίνουν διαφορετικά μάρμαρα, κάθε έρευνα ως προς την προέλευση του μαρμάρου βασιζόταν αποκλειστικά σε πετρογραφικές μελέτες (Craig and Craig 1972). Από την περίοδο αυτή και μετά, δίπλα στις πετρογραφικές μελέτες, η χρήση της μεθόδου ισοτόπων επεκτάθηκε και διευρύνθηκε πανταχόθεν για να αποδειχθεί βασικό εργαλείο για το σκοπό αυτό (Manfra et al 1975).

Τα μεγαλύτερα επιτεύγματα στην συγκεκριμένη έρευνα για τα αρχαία μάρμαρα ανήκουν στον Norman Herz και την ομάδα του, οι οποίοι δημοσίευσαν για πρώτη φορά βάση δεδομένων συμβάλοντας στην καθιέρωση της εργαστηριακής έρευνας και ιδιαίτερα της εφαρμογής των ισοτοπικών αναλύσεων για τη μελέτη των αρχαίων λατομείων και των έργων τέχνης. Μέσω της διαδοχικής επέκτασης της βάσης δεδομένων αυτής, με την προσθήκη περισσότερων αποτελεσμάτων από λατομεία είτε είχαν ήδη μελετηθεί ως ένα βαθμό είτε αποτελούσαν νέες καταχωρήσεις, η ισοτοπική ανάλυση καθιερώθηκε ως πρότυπη μέθοδος για τον προσδιορισμό της προέλευσης και προέλευση μαρμάρων (Herz and Wenner 1981, Herz and Dean 1986, Herz 1987,1992).

Η ευρεία χρήση της μεθόδου σήμερα οφείλεται σε συγκεκριμένα πλεονεκτήματα που έχουν διαχρονικά τεκμηριωθεί: α) πολύ μεγάλη ακρίβεια και αξιοπιστία των αποτελεσμάτων, β) μεγάλη διακριτική ικανότητα, διότι οι διαφορές που προκύπτουν από τη σχέση των λόγων των ισοτόπων του C και του Ο από μάρμαρα διαφορετικών περιοχών είναι σημαντικές/μετρήσιμες και γ) η απλότητα στην χρήση και η εξαιρετικά μικρή ποσότητα που απαιτείται (έως 20 mg), δίνοντας τη δυνατότητα να μην προκαλούνται καταστροφές από την δειγματοληψία στα υπό έρευνα αρχαιολογικά έργα.

 Για να γίνει εφικτή μια αξιόπιστη διερεύνηση προσδιορισμού προέλευσης απαιτείται ποσότητα μαρμάρου (πάνω από 0,25 mg), που δεν έχει υποστεί διάβρωση. Η μικρή αυτή ποσότητα φέρει τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του πετρώματος από το οποίο προέρχεται (συγκέντρωση προσμίξεων ή ατελειών στη δομή), τα οποία εξαρτώνται από το μητρικό ιζηματογενές πέτρωμα και κυρίως από τις συνθήκες σχηματισμού του.

Περισσότερα στη συνημμένη εργασία του Δρ. Π. Τζεφέρη.