Técnicas de ultrasonido para la caracterización de vidrios volcánicos

INTRODUCCIÓN

Las herramientas de piedra constituyen el recurso natural más utilizado en la historia de los grupos humanos para realizar tareas básicas, como cazar, cortar, raspar, desbastar, y organizar refugios, entre otros (Odell, 2004). Desde el momento de la fabricación, uso y descarte de la herramienta, hasta su posterior hallazgo y estudio por la arqueología, la mayoría de las propiedades físicas y químicas de las materias primas se mantienen invariantes a los procesos tafonómicos. El estudio de las materias primas brinda valiosa información para establecer la procedencia geológica de la roca y su abundancia en el paisaje, en algunos casos con un buen grado de certeza. En el caso de la obsidiana, su abastecimiento para la manufactura de herramientas, se dio de distintas maneras, desde su recolección local en los ambientes recurrentemente ocupados por los grupos humanos, hasta la utilización de sistemas complejos de comercio e interacción que implicaban traslados y distancias de cientos de kilómetros entre los yacimientos arqueológicos y sus fuentes naturales. Por esto, la distribución geográfica de las piezas arqueológicas confeccionadas en obsidiana y el estudio actual de su procedencia permiten conocer diferentes formas de movilidad, grados de interacción y comercio entre las poblaciones humanas en el pasado (Odell, 2004; Shackey, 1998).

La obsidiana puede categorizarse como un vidrio natural de origen ígneo y textura vítrea y no cristalina (Tarbuck y Lutgens, 2005). Es un sólido amorfo que se forma cuando el magma altamente viscoso posee alto contenido de silicio y aluminio, se enfría rápidamente, y el proceso de cristalización se ve obstruido (Glascock, 2002). Generalmente su color es negro, gris, marrón o rojizo, con una tonalidad bandeada. Debido a su estructura atómica desordenada, es físicamente amorfa e isotrópica, de fractura concoide. Esta es una de las principales razones por las que sirve de materia prima para hacer herramientas, ya que al carecer de orientaciones privilegiadas para su corte, se puede fragmentar en diferentes direcciones, generando un borde tenaz y cortante. Algunos tipos de obsidiana presentan inclusiones cristalinas que perjudican sus propiedades de fractura produciendo herramientas de baja calidad.

La composición típica de las obsidianas es de 66-75 % SiO₂, 10-15 % Al203, 3-5 % Na₂O, 2-5 % K₂O y 1-5% Fe₂O₃+FeO y elementos traza con concentraciones menores al 1 % (Glascock, 2002). La mayoría de las fuentes de obsidiana son químicamente homogéneas con variaciones del orden del 1 % o menores. Sin embargo, diferentes fuentes tienen distintas composiciones como consecuencia de las rocas madre que fueron fundidas y por cambios particulares de cada caso que se producen en el magma antes de la erupción. Aunque los elementos principales en la obsidiana están restringidos a un rango acotado de composiciones, la abundancia de elementos traza puede diferir en órdenes de magnitud entre distintas fuentes. Si la variación entre fuentes es mayor que la variación dentro de una fuente, la procedencia de la obsidiana utilizada en las piezas puede ser establecida con éxito.

Las técnicas de fluorescencia de rayos X (XRF) y análisis por activación neutrónica (NAA) han sido las más utilizadas por la arqueometría. Para el análisis por activación neutrónica, las principales ventajas residen en que los neutrones térmicos son penetrantes y además permite la medición de alrededor de 30 elementos con buena precisión (<2,5 %). La principal desventaja del método consiste en que una porción de la muestra es destruida, lo cual es indeseable si se trabaja con patrimonio arqueológico. Además, este método requiere un reactor nuclear, por lo que es costoso. La fluorescencia de rayos X tiene la ventaja de que requiere relativamente poca preparación de la muestra, y la destrucción del artefacto es evitada. El análisis es rápido, puede realizarse in situ y el costo es bajo (Glascock, 2002; Salgán, Gil y Neme, 2014; Salgán et al., 2015). Sin embargo, solo se pueden medir en el orden de 10 elementos, la superficie de medición debe ser plana, y puede entregar resultados inconclusos si la muestra es pequeña, delgada o de forma irregular. A su vez, la técnica solo analiza la superficie del material. De esta manera es posible cometer errores al asignar piezas arqueológicas a fuentes líticas.

En este contexto sería de utilidad contar con otras técnicas no destructivas, y de bajo costo que pudieran aportar nuevas variables para disminuir la incertidumbre al asignar fuentes de origen a artefactos arqueológicos de obsidiana. En particular, las ondas elásticas permiten determinar las constantes de rigidez de los sólidos, ya que la velocidad de propagación de aquellas está dada por las propiedades mecánicas. El método ultrasónico de pulso eco se ha utilizado con éxito para estudiar la influencia de la composición química sobre las constantes elásticas dinámicas en vidrio industrial (cuya composición es similar a la obsidiana) observándose buena correlación entre dichas variables (Kilinc, 2016). Por otro lado, el estudio de la atenuación ultrasónica en vidrio ha mostrado picos de absorción cuyas características y posición dependen de la composición del vidrio y la frecuencia de la onda aplicada (Sidkey et al., 1997).

Tsobgou y Dabard (2010) utilizaron la técnica de ultrasonido como parte fundamental del análisis estadístico multivariado para la clasificación de piedras de acuerdo con sus propiedades estructurales y mineralógicas. A partir de esto obtuvieron la distribución regional de la materia prima lítica utilizada por grupos humanos durante el periodo Mesolítico y Neolítico en el macizo Armoricano (Tsobgou, 2009). Además, se evaluó la influencia de los parámetros mecánicos en la selección, fabricación y uso de las herramientas de piedra prehistóricas en busca de información acerca de la elección de los tipos de herramientas, evolución tecnológica y la distribución territorial de grupos humanos (Tsobgou y Dabard, 2010). Se observó que las principales propiedades que se correlacionan con la elección de materiales son la isotropía y la fragilidad, en el caso del Mesolítico, y dureza del cuerpo de la herramienta y del filo, durante el Neolítico.

En otros ejemplos se empleó ultrasonido como método complementario a ensayos de fractomecánica en obsidiana. En particular se estudiaron el comportamiento de microfractura (Husien, 2004), la dureza del filo (McPherron et al., 2014), y la elasticidad e isotropía (Prost y Chatellier, 1986). De esta manera se pudo caracterizar la calidad de las distintas fuentes en función de su capacidad de producir herramientas. Sin embargo, la fractomecánica implica la destrucción de la muestra por lo que es aplicable a la caracterización de fuentes, pero no a piezas arqueológicas.

El ultrasonido también ha sido utilizado por la geofísica y geología para caracterizar obsidianas, ya que este dato es útil para desarrollar modelos de propagación de ondas sísmicas (Woeber, Katz y Ahrens, 1963; Suito, Miyoshi, Sasakura, Fujisawa, 1992; Anderson y Schreiber, 1996; Sato, Ito y Aizawa, 2004). Si bien esta disciplina no aporta conocimiento de carácter antropológico, constituye un punto para comparación de resultados.

En este trabajo se analizó la viabilidad de técnicas ultrasónicas con el fin de aportar nuevas variables para disminuir la incertidumbre al asignar artefactos de obsidiana a las fuentes de origen, ya que son de naturaleza no destructiva y son útiles para caracterizar el comportamiento elástico mecánico de los materiales. Técnicas que no cuentan con antecedentes para la arqueología argentina. Para esto se abordaron ensayos preliminares en muestras de obsidiana y de vidrio común para establecer si el método es lo suficientemente sensible como para distinguir entre dichos materiales.

MARCO TEÓRICO

METODOLOGÍA

Pulso eco

Para determinar la velocidad del sonido se implementó la técnica de pulso-eco que consiste en colocar un transductor piezoeléctrico sobre el material, e introducir una perturbación mecánica que se propaga en forma de onda. Esta onda viaja hasta la cara opuesta de la pieza (caras planas) donde se refleja y vuelve hacia el transductor que lo transforma en señal eléctrica. En la figura 1 se incluye un diagrama de la medición y en la figura 2 se observa un tren de ecos obtenido por esta técnica. Otra técnica viable para este tipo de ensayos es el ultrasonido por transmisión (Quintero Ortiz, Cruz-Hernández y Peña-Santos, 2014).

Figura 1: Esquema de medición de pulso-eco

Fuente: elaboración propia.

Figura 2: Tren de ecos obtenido por pulso-eco

Fuente: elaboración propia.

A partir de la diferencia de tiempo que hay entre dos ecos sucesivos (time of flight) y el espesor de la probeta, se calcula la velocidad como se muestra en la ecuación (8); y a partir del decaimiento relativo se calcula el coeficiente de atenuación representado en la exponencial decreciente de la solución de la ecuación de onda (ver ecuación (9)).

Donde, A₀ es la amplitud inicial, ω es la frecuencia angular, α es el coeficiente de atenuación, t es el tiempo, k es el número de onda y z es la posición.

Más detalles del método utilizado pueden encontrarse en Cowes (2018) y Papadakis (1973).

Preparación de muestras

Se preparó una probeta de obsidiana a partir de un fragmento natural obtenido de la fuente laguna del Maule, ubicada próxima al límite internacional entre Argentina y Chile, en la cordillera de los Andes. Los estudios arqueológicos realizados hasta el momento dan cuenta de que la fuente laguna del Maule fue utilizada en ambos flancos de los Andes, en los últimos ca. 8000 años antes del presente (a.p.) (Giesso et al., 2011; Salgán, Gil y Neme, 2012). Su composición química se fue caracterizada por XRF e NAA como parte de diferentes proyectos de investigación (Seelenfreud et al., 1996; Neme y Gil, 2008; Giesso et al., 2011; Cortegoso et al., 2012). Para llevar adelante el presente ensayo, se realizó un corte con sierra diamantada, y se pulió a caras paralelas mediante un tornillo de pulido para tal fin. Se obtuvo una muestra a caras paralelas con bordes irregulares, pero las dimensiones son tales que la onda no interactúa con dichos bordes. A su vez, se obtuvieron muestras de vidrio común de dos espesores distintos, 6 y 10 mm, para evaluar si la técnica es capaz de diferenciar entre los materiales. El vidrio no fue pulido ya que el acabado superficial y el paralelismo eran suficientemente buenos para los ensayos realizados. Las probetas se muestran en la figura 3.

Figura 3: Probetas. De izquierda a derecha: vidrio delgado, vidrio grueso, obsidiana de laguna del Maule

Fuente: elaboración propia.

En la tabla 1 se incluye la comparación de composición de óxidos entre vidrio común y dos tipos de obsidiana. Estos datos son de referencia ya que la composición de la obsidiana utilizada en este trabajo está expresada en elementos y no resulta idónea para este fin.

Tabla 1: Composición en óxidos de vidrio y obsidianas de referencia

Fuente: elaboración propia.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la tabla 2 se incluyen los resultados de las mediciones. El espesor, el tiempo de vuelo, la masa y el volumen son magnitudes medidas, mientras que la velocidad longitudinal, la densidad y el módulo longitudinal son magnitudes calculadas y se diferencian en negrita. Estas últimas, al ser propiedades intensivas permiten caracterizar al material y pueden ser utilizadas para distinguir entre materiales. Se observa que, dentro de los intervalos de confianza, las magnitudes obtenidas para ambos vidrios se solapan, es decir que son equivalentes. Para todos los parámetros, la muestra delgada presenta mayor incertidumbre que la gruesa, es decir que la última tiene una geometría más favorable para este tipo de ensayos. Por otro lado, la muestra de obsidiana, siendo vidrio de otra composición, presenta valores menores en todos los parámetros intensivos, aun considerando la incertidumbre. A partir de esto se deduce que el método sería útil para distinguir entre tipos de amorfos cuando la variación de composición es considerable. A partir de esto, se evidencian dos líneas de acción para la continuación de este trabajo. En primer lugar, tanto tensiones residuales como anisotropía de solidificación podrían variar las propiedades mecánicas dentro una misma fuente, por lo que se requiere realizar un mayor número de mediciones para establecer la variabilidad de parámetros dentro de una misma fuente. Por otro lado, la variación de composición entre obsidianas de distintas fuentes se estima que es menor que entre vidrio y obsidiana de acuerdo a lo presentado en la tabla 1, por ende, debe repetirse este proceso para distintas fuentes. Si la variabilidad dentro de una fuente es menor que entre fuentes entonces los parámetros medidos podrían ser útiles para determinar la procedencia de artefactos líticos de origen arqueológico. Por otro lado, sería útil incluir mediciones con ondas transversales para aportar un mayor número de parámetros y lograr una mejor caracterización mecánica. Posteriormente los parámetros podrían ser estudiados por análisis de componentes principales con el fin de reducir la dimensionalidad del conjunto de datos (Rueda-Bayonal et al., 2016).

Tabla 2: Resultados de las mediciones

Fuente: elaboración propia.

La atenuación de ondas longitudinales se presenta en la figura 4. En primera instancia se observa que dentro del intervalo de confianza del método (Cowes, 2018) la atenuación para las probetas de vidrio se solaparía, por lo que es indistinta. Por otro lado, en el rango de frecuencias de medición, se observa una mayor atenuación para la obsidiana que para los vidrios, probablemente debido a la presencia de dispersores acústicos constituidos por discontinuidades microestructurales. A su vez la dependencia de la atenuación con la frecuencia es mayor para la obsidiana que para los vidrios y esto puede estar en relación con el tamaño de los dispersores y la longitud de onda utilizada. Este parámetro puede resultar útil para determinar la procedencia de obsidianas, ya que la atenuación dominada por la microestructura puede ser independiente de la composición química, pero aun así característica de una fuente en particular. Sería pertinente contrastar estos resultados con análisis micrográficos de los mineraloides; también, sería viable incluir análisis por elementos finitos para simular la propagación en el sólido (Ramos-Cañón, Prada-Sarmiento y Vega-Posada, 2016).

Figura 4: Atenuación de ondas longitudinales en función de la frecuencia

Fuente: elaboración propia.

CONCLUSIÓN

En el presente trabajo se realizaron mediciones en una muestra natural de obsidiana con el fin de caracterizar su comportamiento mecánico elástico y de aportar variables a los estudios de procedencia de bienes arqueológicos. Se realizaron mediciones de ultrasonido por pulso-eco con ondas longitudinales a partir de las cuales se obtuvieron el tiempo de vuelo y la atenuación. A su vez, se midieron el espesor y la masa de las probetas, y se determinó el volumen por la técnica de picnometría de gases de alta precisión. Todas las mediciones también se realizaron sobre muestras de vidrio para establecer la capacidad del método de distinguir entre estos amorfos con diferente composición química. Se observó que los parámetros obtenidos presentan diferencias significativas entre los diferentes materiales por lo que se concluye que el método logra dicha distinción. Para continuar esta línea de investigación es necesario caracterizar la variabilidad dentro de una misma fuente y posteriormente entre fuentes. Además, se observó que la atenuación para obsidianas resulta mayor que para el vidrio, y se estima que esto responde a características microsetructurales que no son directamente dependientes de la composición química. Por tanto, este parámetro podría aportar información novedosa, no accesible mediante técnicas geoquímicas, y complementaria para los estudios de procedencia arqueológicos o de autenticidad de piezas de museos. Por otro lado, sería útil incluir mediciones con ondas transversales para acceder a un mayor número de parámetros. A su vez, si se corrobora la capacidad del método de distinguir entre fuentes, será necesario adaptarlo para ser aplicado en piezas arqueológicas que, por lo general, no presentan caras paralelas. Esto podría lograrse a través de la focalización del haz u otra técnica análoga.