Neue Werkstoffe: Metalle

Vor 10 000 Jahren begannen die Menschen im Vorderen Orient gediegenes Kupfer zu benutzen. Vor 7 000 Jahren verhütteten sie die ersten Erze. Im Laufe der Zeit entwickelten sie immer ausgereiftere
Techniken für die Gewinnung und Herstellung von Kupfer und Bronze, Eisen und Blei, Messing, Gold und Silber. Archäologen, Werkstoffkundlerinnen, Geowissenschaftler und Chemikerinnen untersuchen Metallgegenstände vergangener Zeiten. Sie vermessen auch Erzminen, untersuchen Schmelz- und Schmiedeplätze und kratzen kleinste Schlacke- oder Metallreste aus Schmelztiegeln heraus. Im Labor erarbeiten sie daraus Hinweise auf Abbau-, Schmelz- und Schmiedetechniken. Sie erforschen die Herkunft von Erzen und ermitteln damit, wie die frühe Wirtschaftsgeschichte sich entwickelt hat.

Ein Metallfund: Woraus besteht er?
Wie hat man ihn gemacht?
Woher stammt das Metall?

Chemische Analysen, zum Beispiel die ICP-OES (inductively coupled plasma optical emission spectrometry), ermitteln die Zusammensetzung des Metalls.

Das Röntgenbild gestattet einen Blick in den Aufbau des Objektes.

Unter dem Mikroskop erkennt man Spuren der Herstellung.

Die Analysen der Spurenelemente und der Bleiisotope geben Hinweise auf die Herkunft des Metalls.

Die Ergebnisse werden verglichen und ein wahrscheinlicher Herkunftsort des Metalls ermittelt.

Fall Warburg

METALL IN SICHT
Die Erbauer der Gräber von Warburg benutzten Geräte und Werkzeuge aus Stein, Holz oder Knochen. Sie kannten auch Kupfer, das erste Metall, das die Menschen benutzten. Den leicht zu verarbeitenden Rohstoff verwendeten sie für Schmuck. Heute sind im näheren Umfeld von Warburg Kupfererz-Lagerstätten bekannt. Bisher gibt es aber keine Hinweise darauf, dass man diese bereits zwischen 3400 und 2700 v. Chr. nutzte.

Dieses stark verwitterte Fragment eines Kupferbleches aus Grab III ist eine kleine Sensation, denn so alte Kupfergegenstände sind in Westfalen selten.

Wenn Kupfer oxidiert, läuft es grün an. An diesen Knochenstücken aus Grab I sind grüne Verfärbungen zu sehen. Sie stammen von nicht mehr erhaltenen Kupfergegenständen – wahrscheinlich Schmuckstücken der Toten.

Die Analyse des Bleches aus Grab III zeigt, dass es aus reinem Kupfer mit sehr geringen Anteilen an Spurenelementen besteht. Die Menschen hatten also in der Natur vorkommendes Reinkupfer verwendet. Legieren, also das Mischen von Metallen, beherrschten sie noch nicht.

Fall Castrop-Rauxel

ATOMABSORPTIONS-VERFAHREN
Mit dem Atomabsorptions-Verfahren kann man seit den 1960er Jahren die chemische Zusammensetzung von Materialien bestimmen. Der Wissenschaftler löst die Materialprobe in einer Flüssigkeit auf und verdampft sie. Auf diesen Dampf richtet er eine spezielle Lampe. Jedes Element in der Probe schluckt eine bestimmte Strahlenwellenlänge und kann daran erkannt werden. Man misst, wie viel Strahlung einer bestimmten Wellenlänge nach dem Durchdringen der Probe fehlt, also wie viel absorbiert wurde. Aus der Differenz kann man Art und Anteil des Elementes in der Probe berechnen. Jedes in der Probe vermutete Element muss mit einer eigenen Lampe identifiziert werden. Das Atomabsorptions-Verfahren liefert extrem genaue Ergebnisse.

Analysewerte des Fingerhutes

Analysewerte des Orakelstäbchens

Dieser Fingerhut (Castrop-Rauxel, 3. bis 5. Jahrhundert n. Chr.) wurde mit dem Atomabsorptions-Verfahren untersucht. Das Ergebnis: Er besteht aus Messing, bei dem Kupfer und Zink in einem bestimmten Verhältnis gemischt sind. Diese spezielle Legierung gibt es in Westfalen seit der Römerzeit. Auch ein so genanntes Orakelstäbchen (Soest, 1. bis 6. Jahrhundert n. Chr.) wurde mit diesem Verfahren untersucht. Es besteht aus einer Kupferlegierung, die in den ersten Jahrhunderten nach Christi Geburt sehr gebräuchlich war.

Fall Soest

BLEIISOTOPEN-ANALYSE
Die Bleierze der meisten Lagerstätten unterscheiden sich durch ihren Gehalt an natürlichen (stabilen) Bleiisotopen. Bei der Verhüttung und Verarbeitung der Erze bleiben diese Isotopenverhältnisse erhalten. Außerdem ist Blei als Zusatz oder Verunreinigung in fast allen alten Metallobjekten enthalten. Daher kann durch den Vergleich ihrer Isotopenverhältnisse mit denen von Erz in Lagerstätten die Herkunft des verarbeiteten Bleierzes bestimmt werden. Manche Erzlagerstätten haben sehr ähnliche Isotopenverhältnisse. Dann versucht man sie anhand der Zusammensetzung der Spurenelemente zu unterscheiden. Die Bleiisotopen-Analyse ermittelt die Herkunft von Erzen nie eindeutig. Wenn Wissenschaftler über ausreichend Daten verfügen, können sie aber Wahrscheinlichkeiten formulieren.

In Soest finden Archäologen immer wieder Blei aus dem 1. und 2. Jahrhundert n. Chr. Die oft unförmigen Gussreste belegen eine Verarbeitung des Metalls vor Ort. Diese Stücke stammen sehr wahrscheinlich aus dem Raum Brilon.

Die Fundstelle dieses Bleistückes liegt in einem Gebiet mit reichen Bleierzvorkommen. Die Form wird häufig als Bleibarren bezeichnet. Die kleinen Löcher sind Beschädigungsspuren von der Probenentnahme.

BLEI AUS BRILON?
Der Archäometallurge bohrt aus Bleiobjekten Späne heraus und löst sie in Salzsäure auf. Eine geringe Menge der in Bleichlorid umgewandelten Proben dampft er auf einen Probenträger auf. Er erhitzt die Probe im Massenspektrometer auf 1200 bis 1300 Grad Celsius. Das Blei darin verdampft und wird in einem starken elektromagnetischen Feld beschleunigt. Je nach ihren Massen werden die einzelnen Bleiatome verschieden stark abgelenkt und von speziellen Detektoren erfasst. Ein an das Massenspektrometer angeschlossener Computer errechnet das Verhältnis der unterschiedlichen Bleiisotope zueinander. Jede Lagerstätte weist ein bestimmtes Muster der Bleiisotopen auf. Wenn die Daten aus den Objektproben mit denen aus einer Lagerstätte übereinstimmen, stammt das Erz wahrscheinlich aus dieser Quelle. Archäologen haben an verschiedenen Stellen Westfalens Objekte aus Blei aus dem 1. Jahrhundert n. Chr. gefunden. Stollen oder Halden von Bleierzbergwerken aus dieser Zeit sind im Sauerland bislang nicht bekannt. Die Untersuchungsergebnisse der Bleiisotopen von Fundstücken und von Erzen aus Lagerstätten führen zu dem Schluss, dass einige Funde wahrscheinlich aus Lagerstätten in Brilon stammen.

Dieses Diagramm stellt das Verhältnis der Bleiisotope zueinander von verschiedenen beprobten Bleiobjekten grafisch dar.