arqueologia experimental

CuPAUAM 37-38, 2011-12, pp. 105-120

Arqueometalurgia experimental en el departamento dePrehistoria y Arqueología de la U.A.M.

Salvador ROVIRAUniversidad Autónoma de Madrid / Museo Arqueológico Nacional (Madrid)

ResumenEl presente artículo expone los principales resultados de una serie de experimentos de Arqueometalurgia realizadosentre los años 2005 y 2009, desarrollando el contenido de la asignatura Tecnología. Dichos experimentos se han cen-trado en la producción primaria de cobre y bronce por procedimientos sencillos, asequibles a los metalúrgicos pre-históricos, buscando respuesta a determinadas propuestas teóricas y sirviendo para introducir al alumnado en elcampo de la Arqueología experimental.

Palabras clave: Arqueometalurgia, experimentación, co-reducción, cementación, cobre, bronce.

SummaryThis paper presents the main results of a series of experiments on Archaeometallurgy conducted between 2005 and2009, to develop the content of the subject Technology. These experiments have focused on primary production ofcopper and bronze by simple procedures, accessible to prehistoric metallurgists, seeking answers to certain theoret-ical proposals, and serve to introduce students to the field of experimental Archaeology.

Keywords: Archaeometallurgy, experimentation, co-smelting, cementation, copper, bronze.

1. INTRODUCCIÓN

La Arqueología Experimental ya no es, afortu-nadamente, una disciplina novedosa en los pro-gramas de estudios de Prehistoria y Arqueología.Desde hace muchos años los investigadores hansido conscientes del interés de las replicacionesexperimentales para lograr una mejor compren-sión de los procesos de manufactura y función delos objetos obtenidos del registro arqueológico.Antes, la tantas veces denostada analogía etno-gráfica proporcionaba no pocas pistas de índoletecnológica a quienes manifestaban interés por ir

más allá del puro análisis del objeto en sí mismo.Si bien los aspectos formales han servido siemprepara elaborar tipologías con las que caracterizarcomplejos culturales y establecer comparaciones,cada objeto encierra mucha más información quela derivada de la tipología. Así, a finales de ladécada de los años 1950 comenzó un desarrolloespectacular de la Arqueometría buscando la res-puesta a preguntas que surgían de nuevos plante-amientos metodológicos (Watson et al., 1974;Chang, 1976; Clarke, 1978)1. Los métodos cientí-ficos, especialmente los procedentes de la Ciencia

1 Véanse las fechas de las primeras ediciones de estas obras ensu lengua original para contextualizar adecuadamente la idea

expresada en el texto. Las ediciones en español llegabansiempre varios años después.

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de los Materiales encontraron nuevas aplicacio-nes en el terreno de la Arqueología y era necesa-rio proporcionar al arqueólogo informaciónacerca de sus posibilidades (Brothwell y Higgs,1980).

En el terreno concreto de la Arqueometalurgia,proyectos de envergadura como el llevado a cabopor el llamado Grupo de Stuttgart (Junghans,Sangmeiter y Schröder) publicado en varios volú-menes de Studien zu den Anfängen derMetallurgie (Berlín) en la década de 1960 ycomienzos de los 70 animó la formación de otrosgrupos de investigación arqueometalúrgica endiversos países, entre ellos el nuestro con el inicioen 1982, bajo el liderazgo de Manuel FernándezMiranda, del Proyecto de Arqueometalurgia de laP. Ibérica que, desde entonces hasta la actualidad,con diversos subproyectos dirigidos sucesiva-mente por Germán Delibes de Castro e IgnacioMontero Ruiz, y de los que ha formado partesiempre quien esto escribe, ha realizado una con-tinua labor de análisis de materiales.

Si en un principio la investigación arqueome-talúrgica se centró en los objetos metálicossiguiendo los pasos del Grupo de Stuttgart, amediados de la década de los años 1980 se hacíapatente que la comprensión detallada de los pro-cesos metalúrgicos requería ampliar las analíticasa otros materiales que integraban dichos procesos.Mediante los estudios composicionales y metalo-gráficos de los objetos acabados podíamos darrespuesta a dos preguntas clave: de qué estabanhechos y cómo se fabricaron; es decir, de losmetales y aleaciones que se utilizaron en tiempopretérito y de las cadenas operatorias productivas.Pero desconocíamos algo que es el fundamento dela metalurgia: la obtención del metal. Había, pues,que ampliar los estudios analíticos a los restosarqueológicos de hornos de fundición, a las esco-rias metalúrgicas y a los minerales metalíferos.

De pronto se había abierto una puerta a un pai-saje desconocido que las analogías etnográficasno conseguían ilustrar adecuadamente. Era nece-saria la experimentación.

Los experimentos para reproducir la obtenciónde cobre en la Prehistoria no eran una novedadabsoluta, como recogen Tylecote y Merkel (1985)en un breve pero interesante artículo en el querevisan los logros de la vía experimental hasta esemomento. Pero a partir de entonces (mediados delos años 80) asistimos a su intensificación.

En estrecha relación con la actividad experi-mental aparecen los arqueódromos, algunos muyactivos como el localizado cerca de Beaune(Francia), en cuyas instalaciones todos los vera-nos de la década de los 90 tenían lugar series deexperimentos relacionados con la obtención decobre y hierro (Rovira, 2003). Actualmente secelebran periódicamente talleres experimentalesen varios países europeos, con frecuencia acom-pañados de sesiones teóricas y de discusión deresultados. España no es ajena a este movimientoeuropeo: en los últimos años se anuncian activi-dades experimentales realizadas por grupos espe-cializados en estas actividades.

En este marco general, y propiciado por lafeliz circunstancia de un contrato como profesorasociado de la asignatura Tecnología, tuvimos laoportunidad de enfocar el desarrollo de la materiadesde una perspectiva eminentemente experimen-tal. El Departamento de Prehistoria y Arqueologíadispone de la infraestructura adecuada para estecometido, que ya venía siendo utilizada por laprofesora Carmen Gutiérrez para desarrollar unprograma de experimentación con réplicas deherramientas y armas de metal, con resultados degran interés (Gutiérrez Sáez y Soriano, 2008;Gutiérrez Sáez et al., 2010).

Este número especial de la revista CuPAUAMdedicado al profesor D. Manuel Bendala Galán,querido amigo y colega en varias actividadesdesde hace mucho tiempo, nos brinda la oportuni-dad de resumir los trabajos experimentales quehemos desarrollado entre los años 2005 y 2009.

2. JUSTIFICACIÓN DE LA VÍA EXPERIMENTAL

La realización de experimentos relacionados conla tecnología prehistórica tiene un atractivo indu-dable para el alumnado. En primer lugar, el des-arrollo experimental permite una mejor compren-sión de los procesos tecnológicos previamenteestudiados en sus aspectos teórico-descriptivos.En segundo lugar, la experimentación es partici-pativa; los alumnos realizan físicamente los traba-jos necesarios para el buen fin del experimento.Finalmente, la experiencia adquirida permite unamejor valoración de los posibles diagramas deflujo de las labores efectuadas por los artesanosprehistóricos, refuerza la idea de cadena operato-

ria y sirve de introducción en el complejo sistemainteraccionante de las relaciones entre conoci-mientos tecnológicos, organización social, econo-mía, etc. (Dobres, 2000).

Por otro lado, en relación con la metalurgiaprehistórica se han instalado en la literatura cien-tífica unos cuantos tópicos que deben ser deste-rrados o, al menos, contrastados. Uno de ellos,quizás el más arraigado, es considerar la metalur-gia como una actividad difícil, compleja y portanto especializada. Pero no es cierto que así sea,al menos en sus orígenes. La metalurgia delcobre, la más antigua, hizo su debut como unaactividad de carácter marcadamente doméstico enalgunas sociedades del Neolítico avanzado en lasque coincidieron ciertas circunstancias favora-bles: a) el reconocimiento de los minerales cuprí-feros (malaquita, azurita, cuprita), algunos deellos ya viejos conocidos como piedras durasornamentales, b) la disponibilidad de una tecnolo-gía del fuego ampliamente experimentada en lacocción de cerámica, y c) la complejidad socialsuficiente para poder valorar y apreciar el cobrecomo nuevo material2. El resto es obra de laNaturaleza y de las leyes de la Física y de laQuímica que nada tiene que ver con cuestionesculturales. El metalurgo prehistórico sólo tuvoque encontrar aplicación empírica a dichas leyes,lo cual, desde luego, no es poco. Porque, efecti-vamente, de todos los metales de interés industrialque se obtienen a partir de sus minerales, el cobrees el que requiere menor consumo de energía enel proceso de reducción y unas condiciones ter-moquímicas poco exigentes. No es, por tanto, unacasualidad que fuera el cobre el metal que dieralugar a la primera metalurgia (Rovira y Ambert,2002; Rovira, 2004; Hauptmann, 2007).

Otro concepto erróneo que se viene arrastran-do es que no hay metalurgia sin horno metalúrgi-co. Falso. Un horno metalúrgico stricto sensu esuna cavidad cerrada cuyo ambiente interior sepuede controlar a voluntad para optimizar lareducción de los minerales, cuyo principal sub-producto es escoria de bajo punto de fusión queapenas arrastra metal. Los restos arqueológicos de

un horno son a menudo difíciles de identificar yesa dificultad hace que con harta frecuencia sellame hornos a ciertas estructuras con afectacióntérmica que realmente no lo son aunque seencuentren vinculadas a actividades metalúrgicas.Las características de las escorias, fácilmentedeterminables mediante su análisis químico ymineralógico, proporcionan los argumentos deci-sivos para decidir si han sido producidas en unhorno metalúrgico o en otras estructuras de fuegousadas para reducir mineral, con independenciade si el registro arqueológico ha proporcionadoinformación sobre tales estructuras o no. En otraspalabras: las escorias son los materiales necesa-rios e imprescindibles que, tras su estudio, permi-tirán asignar la categoría y función a las estructu-ras pirometalúrgicas. Sobre hornos y escorias,véase una detallada descripción en Rovira y Renzi(2010).

Otro problema arqueometalúrgico que hastahace poco no tenía una adecuada respuesta es elde los primeros bronces, las primeras aleacionesde cobre con estaño. Determinados hallazgosarqueológicos españoles y su consiguiente estu-dio en el laboratorio del Proyecto deArqueometalurgia de la Península Ibérica noshizo ser conscientes de que el capítulo de la tec-nología de la obtención del bronce no había sidoabordado por la investigación arqueometalúrgicahasta entonces (Rovira, 2007). Algunas escoriasy escorificaciones en vasijas de reducción apun-taban a la co-reducción de minerales de cobre yestaño como método de producción de bronce.Convenía comprobarlo experimentalmente.

Aunque la experimentación es aparentementeuna actividad práctica, manual, si no dotamos elexperimento de un adecuado marco teórico sudesarrollo acaba siendo más una actividad lúdi-ca que un verdadero experimento arqueometa-lúrgico. Había que proporcionar a los alumnos,previamente, los conocimientos de metalurgiaimprescindibles para que pudieran entender cadapaso del proceso. A ello se dedicó la mayor partedel tiempo asignado a la materia Tecnología.

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2 El cobre no sustituyó de forma inmediata a otros materialescomo la piedra y el hueso. Hay una convivencia milenariadel metal con esos otros materiales de probada eficacia fren-

te a un nuevo material que compitió en desventaja durantemucho tiempo.


2. ELABORACIÓN DE CERÁMICAS METALÚR-GICAS

Los materiales pirometalúrgicos cerámicos halla-dos en yacimientos arqueológicos representati-vos de la metalurgia calcolítica se reducen a trestipos básicos: vasijas, toberas y boquillas protec-toras de tubos de soplado. En nuestros experi-mentos decidimos utilizar fuelles y toberas paraventilar la estructura de fuego. Había, pues, quefabricar vasijas y toberas cilíndricas (las más sen-cillas).

Hay prehistoriadores que tienden a presupo-ner que la cerámica para una actividad tan “espe-cial” como la metalurgia, que ha de resistir ele-vadas temperaturas, ha de ser también especial.Nada más lejos de la realidad. Las cerámicasmetalúrgicas no se diferencian en nada de lascomunes por lo que respecta a sus propiedadesrefractarias (Freestone, 1989). Esto no debe sor-prendernos, pues en las condiciones habituales detrabajo de un crisol o una tobera prehistórica nose sobrepasan temperaturas del orden de los1.200º C, y la cerámica común resiste sin defor-marse o fundir formando burbujas (bloating)hasta temperaturas cercanas a los 1.300º C. Noera, pues, necesario mejorar la calidad de la cerá-mica. Hasta época romana no parece haber inte-rés en mejorar la refractariedad de los crisoles yrevestimientos, coincidiendo con el uso de hor-nos y fraguas en las que se alcanzaban tempera-turas más elevadas. Tampoco los desgrasantesempleados ni su tamaño de grano influyen signi-ficativamente en la resistencia térmica del barrococido. La función del desgrasante es principal-mente mecánica, para dar al barro la plasticidadnecesaria para modelarlo cómodamente. Una vezcocido, el desgrasante mejora hasta cierto puntola resistencia al impacto de la cerámica; pero ésasigue siendo una función mecánica, no térmica.

Sabedores de estos principios, los alumnoselaboraron crisoles y toberas utilizando inicial-mente barro industrial para modelar cargado concuarzo machacado como desgrasante, y luego lasarcillas ricas en granito alterado del propio suelodel entorno de la Facultad. Tras un largo periodode secado a la sombra, vasijas y toberas eransometidas a una cocción rápida entre los carbo-nes de la fragua (Fig. 1).

4. EXPERIMENTOS PARA LA OBTENCIÓN DECOBRE

Tras muchos años de analizar los restos de activi-dades metalúrgicas recuperados en los yacimien-tos calcolíticos, resultaba evidente que la obten-ción de cobre se basaba en al reducción directa deminerales de naturaleza oxídica (malaquita, cupri-ta y azurita principalmente) con carbón vegetal,en estructuras de fuego abiertas hiperventiladascon la ayuda de fuelles y toberas, o mediantetubos de soplado a pulmón o aprovechando elflujo natural del viento. En la fase más antigua deesta metalurgia incipiente se solían utilizar reci-pientes de cerámica como reactores-contenedo-res, a juzgar por los numerosos fragmentos devasijas con gruesas capas de escorificación por sucara interna halladas recurrentemente en yaci-mientos representativos de este periodo (Rovira yAmbert, 2002; Hauptmann et al., 2006). La canti-dad de escoria recuperada es, en general, muypequeña y su naturaleza es la de una escoriaestructuralmente heterogénea, parcialmente fun-dida, muy viscosa, que retiene mucho metal atra-pado así como mineral sin reducir (Rovira, 2002a;Hauptmann, 2007: 157-179). Cuando hay escoriaes porque el mineral utilizado tiene una ciertacantidad de ganga. La composición de la escoriaresultante viene determinada por la mineralogíade dicha ganga, de ahí que encontremos escoriascon composiciones cuantitativa y cualitativamen-te variables. En cambio, si se trabaja con minera-les de cobre puros no hay formación de escoriaporque todos los componentes no metálicos de lamena son volátiles y se pierden en los humos a lolargo del proceso reductor.

Figura 1. Proceso de cocción de la cerámica utiliza-da en los experimentos.

Para los experimentos de reducción se ha utili-zado mineral procedente de la escombrera de unamina de cobre abandonada que se localiza en lascercanías de Lozoyuela (Madrid). Es un mineralde naturaleza polimetálica cuya composiciónmedia aproximada es la siguiente (% en peso): Cu25%; Fe 4,5%; Bi 6%; Pb 3,7%; Sn 1,0%; As0,4%; Sb 0,3%; Ag 0,02%. La ganga es cuarzo yfeldespato. Es, por tanto, un mineral con más del50% de ganga, del que cabe esperar la formaciónde escoria. La figura 2 muestra los resultados delanálisis de varias muestras.

Se realizaron cuatro experimentos de reduc-ción, uno cada año, con resultados similares entodos ellos. Para el primero se preparó unainfraestructura de fuego muy simple: una cubetaexcavada en la tierra, de unos 30 cm de diámetroy 20 cm de profundidad, y dos toberas enfrenta-das con perforación de 25 mm de diámetro, a rasdel suelo, calzadas con piedras, conectadas cadauna a un fuelle de accionamiento manual de unos40 l de capacidad (Fig. 3). En los siguientes expe-rimentos se mejoró ligeramente la estructura de

fuego sin dejar de ser un fuego abierto, constru-yendo dos muretes de 30 cm de altura con unaperforación en la base para albergar las toberas(Fig. 4). En cada experimento se utilizaron 400 gde mineral machacado por los alumnos hasta por-ciones de tamaño milimétrico.

El procedimiento seguido fue:1. Precalentamiento del sistema durante 45

minutos, con las brasas de carbón llenandocasi por completo la cubeta, accionando sua-vemente los fuelles hasta los últimos 15minutos, en los que se aumentó la presión yel ritmo. El crisol se fue precalentando almismo ritmo para evitar un choque térmicoque pudiera agrietarlo o hacerlo estallar, que-dando al final enterrado entre las brasas. Latemperatura en la zona del crisol en elmomento de iniciar la carga de mineral era de890º C medidos con pirómetro electrónico.


Figura 2. Análisis semicuantitativo de muestras de mineral de la mina de Lozoyuela (Madrid) (XRF-ED, % en peso).Nota: nd elemento no detectado.

Figura 3. Infraestructura de fuego de losexperimentos 1 y 2.

Figura 4. Infraestructura de fuego de losexperimentos siguientes.


2. Comienza la carga de mineral, añadiendo unpuñado sobre las brasas que cubren el crisol.Inmediatamente se recubre el mineral concarbón fresco. Estas cargas se repiten cada 15minutos aproximadamente hasta agotar elmineral. A las dos horas contadas desde elinicio, la temperatura en el crisol era de1.000º C; a las 2:20 horas 1.116º C; a las 2:50horas 1.200º C.

3. A las 2:10 horas de iniciado el proceso se reti-raron las toberas y se dejó enfriar el sistema.La reducción propiamente dicha había dura-do 1:25 horas hasta que cesó la ventilaciónforzada.

El producto final obtenido fue una masa dematerial escoriáceo solidificada en el interior delcrisol (Fig. 5), en cuya superficie se distinguíannumerosas bolitas de metal. Hubo que romper elcrisol para separa la escoria en la que se encon-traba embebido el metal obtenido y machacarlapara seleccionar a mano los nodulillos de cobre.Se extrajeron varias muestras de escoria y decobre para su estudio en el laboratorio.

La composición de algunos nódulos metáli-cos (Fig. 6) subraya el carácter polimetálico delproducto obtenido, como era de esperar: cobrecon impurezas de otros elementos químicos pre-

sente en la mena (véase la Fig. 2). A primeravista podría sorprender la presencia en el metalde un poco de níquel, que no se detectó en nin-guna de las muestras de mineral de la figura 2.Sin embargo sabemos que los minerales deLozoyuela contienen níquel, como se demostrócon los análisis de una amplia serie de muestrasde dicha mina realizados hace tiempo (Rovira yMontero, 1994: 157-158). El níquel, además, esun metal que tiende a ligarse en su mayor parteal cobre reducido.

Como sucede en los nódulos de las escoriasarqueológicas (Rovira, 2002a: 97, tab.10), tam-bién en los experimentales se observan tasa dehierro relativamente elevadas. Pero lo más inte-resante a destacar es que todos los elementosmetálicos presentes en el mineral original tien-den a alearse con el cobre reducido en mayor omenor medida. Este mecanismo es de capitalimportancia para comprender la composición delos cobres arqueológicos más antiguos, en parti-cular los arsenicales, entono a los cuales se ela-boró hace años el concepto de aleación intencio-nada, y por tanto un signo de progreso tecnoló-gico, contra el cual venimos argumentando(Rovira, 2002b: 9; Rovira 2004: 16-19).

Una primera aproximación a la composiciónde la escoria experimental indica que unaimportante cantidad de cobre ha quedado reteni-da (Fig. 6). Este es un dato que coincide plena-mente con las escorias arqueológicas más anti-guas y que caracteriza las que hemos denomina-do “escorias inmaduras” (Rovira y Renzi, 2010:107) o escorias resultantes de una tecnología pri-mitiva (Hauptmann, 2003: 460).

Un estudio más detallado de las escoriascon el microscopio electrónico de barrido

Figura 5. Crisol conteniendo el resultado delexperimento de reducción.

Figura 6. Análisis semicuantitativo de material experimental: nódulos de metal y escorias (XRF-ED, % en peso).Nota: nd elemento no detectado; tr trazas.

(SEM)3 lleva a la identificación de las fasesconstituyentes (Fig. 7). El material fundido estáconstituido por un vidrio silicatado que forma lamatriz envolvente de minerales no fundidos,principalmente cuarzo en estado libre y relictosde mineral no reducido (Fig. 8). Se ha formadodelafosita acicular, un óxido de hierro trivalentey cobre que crece cuando hay óxido de hierro enla ganga y las condiciones ambientales en elreactor son ligeramente oxidantes. Es tambiénun indicador térmico pues la delafosita es esta-ble a unos 1.150º C. Entre las agujas de delafo-sita hay también dendritas de magnetita, corro-borando tanto el ambiente oxidante como la ele-vada temperatura alcanzada en el entorno del

crisol (Fig. 9). En algunas zonas de la escoriasuficientemente ricas en óxido de hierro se ha for-mado fayalita, un silicato de hierro de bajo puntode fusión (~1.150 C) que será el componente prin-cipal de las escorias de horno pero que en las

escorias más primitivas es una rareza (Fig. 10). Lapresencia de minerales no fundidos dispersos enla matriz hace que la viscosidad global del mate-rial sea excesiva, impidiendo la separación delcobre por diferencia de densidad. El cobre que seva formando queda así embebido en la escoria.

Todas estas características las hemos encontra-mos sistemáticamente en las escorias arqueológi-cas inmaduras (Rovira, 2002a), de lo que cabededucir que el procedimiento seguido en el expe-rimento es muy aproximadamente similar al que


Figura 7. Análisis de fases minerales en las escorias experimentales (Microsonda SEM-EDAX, % en pesocomo óxidos). Nota: nd compuesto no detectado.

3 Análisis realizados en el Servicio Interdepartamental deInvestigación de la UAM, con microscopio electrónico

operado por Esperanza Salvador.

Figura 8. Fases estructurales de la escoria experi-mental. Qz cuarzo libre; Gm matriz silicatada;Min relicto de mineral de cobre sin reducir. En la

matriz han crecido agujas de delafosita. Los puntosblancos son bolitas de metal. Imagen obtenida en el

SEM, electrones retrodispersados.

Figura 9. Detalle estructural de la escoria experi-mental. Df delafosita; Mt magnetita dendrítica; Gm

matriz silicatada. Imagen obtenida en el SEM, electro-nes retrodispersados.


utilizaron los primeros metalúrgicos, al menosdesde el punto de vista termoquímico. En todocaso lo que resulta evidente es que obtener cobreno es difícil disponiendo de una infraestructuranada complicada, mineral no necesariamenteexento de ganga y carbón vegetal. De hecho obtu-vimos cobre en otros experimentos anteriores par-tiendo de minerales con menos del 10% de cobre(Rovira, 1999: 104-109).

Como hemos mencionado antes, la escoriainmadura producida aplicando una tecnología pri-mitiva depende de la cantidad y naturaleza de laganga que acompaña al mineral metalífero. Si nohay ganga, no hay escoria. Pudimos comprobarlocon otro experimento realizado en 2006 usando525 g de malaquita pura del Zaire. Conseguimosla reducción completa sin que se produjera nadade escoria en el crisol.

5. EXPERIMENTOS DE CO-REDUCCIÓN PARAOBTENER BRONCE

La abundancia de objetos fabricados con la alea-ción cobre-estaño en la Edad del Bronce contras-ta dramáticamente con la escasez de objetos deestaño en ese mismo periodo, un hecho que alparecer ha movido a la reflexión a muy pocosestudiosos. Si el estaño es el aleado principal delbronce, ¿por qué no lo encontramos en el registroarqueológico hasta momentos tardíos del Broncey no en todas partes? ¿Por qué, si en la Península

Ibérica hay importantes afloramientos de casiteri-ta en toda la banda occidental desde Extremadurahasta Galicia, supuestamente explotados en laPrehistoria reciente (Merideth, 1998), no conoce-mos objetos de estaño metálico hasta bien entradala Edad del Hierro y éstos hallados en un peciogriego arcaico de dudosa singladura? (RoviraHortalà et al., 2009). Estas y otras preguntas nosvenían inquietando desde hacía tiempo, en parti-cular desde que comenzaron a llegar al laborato-rio del Proyecto de Arqueometalurgia escorias yescorificaciones en crisoles en cuya composiciónelemental se detectaban cobre y estaño. Aquellosprimeros estudios de laboratorio, pioneros en estaparcela de la investigación arqueometalúrgica,nos llevaron a la conclusión de que la fabricaciónde bronce en la Prehistoria metalúrgica no sehacía con estaño metálico sino con su mineral, lacasiterita, mediante dos procedimientos distintos:a) por co-reducción en un crisol de minerales decobre y casiterita, y b) por cementación de cobremetálico con casiterita, también en un crisol. EnRovira (2007 y 2008-2009) se encuentra desarro-llado nuestro planteamiento teórico y una primeradiscusión de los estudios analíticos efectuadoshasta entonces.

Había llegado el momento de experimentar sila co-reducción era un método factible usandouna instalación metalúrgica tan sencilla como lautilizada en los experimentos descritos en el apar-tado anterior4.

En este experimento se utilizó un kg de mine-ral de cobre de la mina de Lozoyuela (Véase Fig.2) con un contenido estimado de metal de 250 a300 g, y 200 g de casiterita prácticamente pura(157 g de estaño) procedente de la escombrera deuna mina de la provincia de Ourense. Ambosminerales fueron machacados hasta un tamaño degrano milimétrico y mezclados convenientemente.

Tras 30 minutos de precalentamiento de la ins-talación, cuando la temperatura en el crisol ron-daba los 1.000º C (color rojo amarillento)5 comen-zamos a añadir puñados de mineral siguiendo elmismo ritmo que en el experimento anterior, hastaagotar la carga (Fig. 11). Treinta minutos despuésde añadir el último puñado se detuvo el proceso yse dejó enfriar el sistema.

Figura 10. Detalle estructural de la escoriaexperimental. Gm matriz silicatada; Fay fayalita.

Imagen obtenida en el SEM, electrones retrodispersados.

4 Este experimento, realizado en marzo de 2007, ya ha sidopublicado detalladamente en Rovira et al. (2009).

5 El color de las brasas y del crisol es un indicador suficiente-mente preciso de la temperatura del entorno. Existen tablaspirométricas basadas en el color, fáciles de utilizar.

El producto final fue una masa de escoria lle-nando el crisol, de la que se extrajeron bolitas demetal totalizando un peso de 124 g (Fig. 12).Asumiendo que los minerales contenían un totalde unos 457 g de metal, el rendimiento aproxima-do de la extracción es de un 27%, cifra acorde conlos resultados experimentales obtenidos por otrosinvestigadores (Véase Rovira et al., 2009: 409).

Varias muestras de escoria y algunas bolitas demetal han sido investigadas utilizando el micros-copio electrónico de barrido6 y el microscopioóptico. En el caso de las escorias, los análisis rea-lizados a distintas fases minerales han proporcio-nado los resultados que se exponen en la figura13. Se trata de un material de estructura heterogé-nea en la que encontramos fases fundidas entre


Figura 11. Cargando un puñado de mineralsobre las brasas.

6 Análisis realizados en la unidad de microscopía del Museode Ciencias Naturales (CSIC) de Madrid. Microscopio ope-

rado por las microscopistas Laura Tormo y Marta Furió.

Figura 12. Metal obtenido tras machacar la escoria.Escala en mm.

Figura 13. Análisis de fases minerales en las escorias experimentales (SEM-EDAX, % en peso como óxidos).Nota: nd compuesto no detectado.


minerales sin reaccionar. La matriz fundida es unvidrio silicatado complejo en cuyo seno se ha for-mado wollastonita y piroxeno. Dado que la gangano contiene calcio, el piroxeno y la wollastonitaformados indican que ha tenido lugar una fuertereacción entre los silicatos y el calcio de las ceni-zas de la combustión del carbón. La casiteritaidiomorfa es también abundante, frecuentementeexhibiendo núcleo metálico (Fig. 14).

En algunas muestras se ha encontrado un sili-cato de calcio y estaño que parece formarse porreacción entre la casiterita y la wollastonita o, engeneral, con piroxenos ricos en calcio, ya quesiempre la hemos detectado en regiones de laescoria donde abundan estos silicatos. En la figu-ra 15 puede apreciarse cómo algunas masas deeste peculiar silicato conservan su núcleo blancode casiterita. No es de naturaleza cristalina porquehemos intentado su identificación cristalográficamediante difracción de rayos X sin resultado. Elinterés particular de este compuesto reside en queha sido identificado en varias escorias cobre-esta-ño procedentes de yacimientos arqueológicosespañoles de la Edad del Bronce y de la Edad delHierro (Rovira 2007: 27, 30) y es posible que supresencia sea un indicador del empleo de la técni-ca de co-reducción.

Numerosas inclusiones metálicas en la esco-ria también han sido analizadas, pudiendo cons-tatarse que sus composiciones son enormementevariables (Fig. 16). El acusado polimetalismo dela mena de cobre empleada (véase la Fig. 2) semanifiesta por la presencia de bismuto en casitodas las bolitas. A pesar de que los mineralestriturados fueron mezclados cuidadosamente,hay muestras de escoria en las que las inclusio-nes metálicas no contienen prácticamente esta-ño. En otras muestras, en cambio, se han medidoporcentajes de estaño superiores al 80%. No seha encontrado ninguna inclusión de estaño purolo cual podría estar indicando que el cobre quese va formando capta rápidamente el estañopero, al mismo tiempo, las variables condicionesredox en el sistema hacen que en unas áreas dela escoria se forme la aleación y en otras no. Dehecho, y como cabía esperar, la escoria retienemucho cobre y estaño, bien como mineral, biencomo bolitas microscópicas de metal. Los análi-sis globales de las muestras de escoria casanbien con el balance de pérdidas observado en lasescorias calcolíticas producidas en vasijas dereducción o en procesos sin escorificaciónvoluntaria (Bourgarit et al., 2003: 437;Hauptmann, 2003: 461).

Figura 14. Escoria experimental de co-reducción.Gm matriz silicatada; Qz cuarzo. Numerosos cristales decasiterita idiomorfa nucleada (formas blancas de aguja

de brújula) y bolas metálicas (círculos gris claromoteado) se han formado. El cuarzo muestra signosevidentes de disolución en la matriz en forma de

tridimita tabular. Imagen obtenida en el SEM,electrones retrodispersados.

Figura 15. Escoria experimental de co-reducción.Gm matriz silicatada; Wol wollastonita.

Obsérvese en el ángulo superior derecho la presencia demasas grises de silicato de calcio y estaño,

algunas conservando un núcleo blanco de casiterita.Imagen obtenida en el SEM,electrones retrodispersados.

Nota: nd elemento no detectado.

El último capítulo del experimento ha consis-tido en la obtención de un pequeño lingote fun-diendo 69 g de bolitas de metal en un pequeño cri-sol de fondo plano. El lingote obtenido pesa 53,88g, quedando 9,08g de metal disperso entre el car-bón del crisol. En total, después de la operación

teníamos 62,96g de metal, lo cual supone una pér-dida de 5,97g, es decir, del 8,65%. En el crisol nose formó escoria, por lo que cabe deducir que ladiferencia en peso se debe a su vaporización ypérdida en los humos o a salpicaduras fuera delcrisol. La composición del lingote es: 0,61% Fe;79,4% Cu; 0,70% As; 0,081% Ag; 15,7% Sn;0,001% Sb; 0,69% Pb y 2.81% Bi. Esta composi-ción refleja fielmente el polimetalismo de la menade cobre utilizada. El lingote, una vez limpio,mostraba su superficie de color plateado debido aun fenómeno de segregación inversa del estaño,fenómeno que también se aprecia en algunas pie-zas arqueológicas y que ha sido estudiando, entreotros, por Meeks (1993).

La composición teórica del bronce, si elmineral se hubiera reducido completamente ametal, hubiera sido de algo más de 30% de esta-ño. En cambio el lingote sólo contiene el 15,7 %.Eso significa que una parte importante se ha per-dido, retenida por la escoria en sus distintasfases (matriz, casiterita no reducida y otros com-puestos). En esto también coincide el experi-mento con la realidad arqueológica, pues engeneral las escorias estudiadas retienen muchoestaño (Rovira, 2007).

6. EXPERIMENTO DE LA CEMENTACIÓN PARALA OBTENCIÓN DE BRONCE

La segunda opción que tenía el metalúrgicoprehistórico para producir bronce sin recurrir alestaño metálico era la cementación de cobre concasiterita. En teoría, si calentamos un crisol con-teniendo cobre y casiterita hasta las condicionesde reducción del óxido, el estaño se ligará al cobreformando una aleación cobre-estaño. Si la tempe-ratura es suficiente para licuar el cobre (>1.083º C)habrá una mezcla de ambos líquidos, ya que elestaño funde a una temperatura mucho más baja yla solubilidad mutua en el caldo es perfecta. Si elcobre está en estado sólido también hay posibili-dad de aleación porque el cobre tiene la propiedadde adsorber estaño, aunque en este caso, presumi-blemente, la cementación afectaría a la superficiedel cobre hasta una cierta profundidad que es fun-ción del tiempo y la temperatura. Como la cemen-tación es un fenómeno superficial, cuanto mayorsea la superficie de contacto cobre-estaño, mejores el pronóstico de conseguir bronce. Dicho deotro modo, el cobre debe estar desmenuzado enpequeñas porciones para que haya una cementa-ción más eficaz. Hasta aquí lo que dice la teoría.


Figura 16. Análisis de inclusiones metálicas en lasescorias de co-reducción experimentales (microsonda

SEM, % en peso como elementos).


El experimento se efectuó en la instalacióndescrita anteriormente, utilizando un crisolfabricado con tierra del suelo del entorno quecontenía 300 g de cobre electrolítico de cableeléctrico y 30 g de casiterita. Como la casiteritacontiene 78,6% de estaño, la aleación teóricasería un bronce con 7,86% de estaño. El cableeléctrico se cortó en pequeñas porciones y semezcló con la casiterita machacada.

El crisol con el material a cementar se situósobre las brasas cuando la cubeta con carbónalcanzó una temperatura de unos 900º C, procu-rando que estuviera rodeado y cubierto en todomomento por las brasas, colocándolo de modoque el flujo de las toberas produjera el máximoefecto en su interior. A lo largo de la operaciónla temperatura osciló entre 1.000 y más de1.200º C. Transcurridos unos 40 minutos desdeque se introdujo el crisol, cuando el metal lle-vaba en estado líquido unos 10 minutos, se

detuvo el proceso, dejando enfriar lentamenteel sistema.

El resultado final fue un lingote de formairregular solidificado en el fondo del crisol (Fig.17). A su alrededor se había formado un poco deescoria y el borde del crisol mostraba evidentessignos de vidriado, con numerosas burbujas(bloating). Al separa el lingote pudimos obser-var que su parte inferior apoyaba sobre una cier-ta cantidad de casiterita sin reaccionar.

La escoria en realidad no es tal: su composi-ción y estructura corresponde a una excrecenciadel crisol provocada por deformación térmica oa un terrón caído al interior del crisol. Su núcleoes de naturaleza cerámica, y se ha formado ensuperficie una fina capa de escorificación cons-tituida por una matriz silicatada de composiciónvariable que en unas zonas es un vidrio concobre y estaño y en otras un vidrio rico en esta-ño (Fig. 18 y 19).

Figura 17. Lingote experimental de bronce obtenido por cementación,en el interior del crisol.

Figura 18. Análisis de la matriz fundida en una escoria experimental de cementación(SEM-EDAX, % en peso como óxidos). Nota: nd compuesto no detectado.

También se ha analizado un fragmento de lapared del crisol con gruesa escorificación. Laescoria esta compuesta por una matriz vítrea en laque se dispersan abundante casiterita y masas demetal (Fig. 20). En unos casos son bolitas decobre; en otros, masas nodulares de bronce, decomposición variable (Fig. 21).

El lingote muestra un microestructura curiosa.La cara superior es bronce pobre de textura homo-génea y una composición de estaño de 3,11%. Encambio la parte inferior solidificada en contactocon la casiterita sin reducir contiene más estaño(11,8%), pero es estaño que no forma parte de laaleación; se encuentra casi todo en forma de agu-jas euedrales de casiterita con núcleo metálico(Fig. 22). En realidad, la matriz metálica en la quese encuentra dispersa la casiterita sólo contiene un4,26% de estaño.

Como es sabido, la formación de agujas decasiterita nucleada se debe a un ambiente en exce-so oxidante en la fundición (Dungworth, 2000).El mecanismo consiste en que el estaño se oxidaformando agujas. Cuando hay cobre en el entor-


Figura 19. Macroestructura de una escoria experimental de cementación.Obsérvese la formación de una capa de vidriado en la parte superficial del núcleo cerámico.

Los puntos blancos son inclusiones metálicas.Imagen obtenida en el SEM, electrones retrodispersados.

Figura 20. Fases minerales presentes en laescorificación del crisol del experimento de

cementación. Gm matriz vítrea; Cas casiterita; Cu cobre.Las masas blanquecinas moteadas son bronce.

Imagen obtenida en el SEM,electrones retrodispersados.

Figura 21. Análisis de algunas inclusiones metálicasricas en estaño de la escorificación del crisol

usado en el experimento de cementación(SEM-EDAX, % en peso del elemento).

Nota: nd elemento no detectado.


no, el estaño actúa como desoxidante protectordel cobre, envolviendo algunos granos mientrasse oxida, de ahí la casiterita nucleada.

En un fuego abierto como el utilizado en elexperimento, la reducción se consigue a expen-sas de disponer de una cobertura de carbón sufi-ciente envolviendo el núcleo del reactor. Si elambiente no es suficientemente reductor o no loes durante el tiempo necesario para que se com-pleten las reacciones química, parte de la casite-rita no se reducirá (recordemos que el crisoltenía casiterita sin reducir en el fondo) y partedel estaño producido se re-oxidará. Eso es lo quesucedió en este caso.

El corolario es que el resultado, aun siendopositivo, hubiera mejorado si en la fase final de lacementación se hubiera removido el caldo de

cuando en cuando para evitar el depósito de casi-terita en el fondo del crisol, manteniendo unamejor cobertura de carbón. Hubiera sido necesa-rio prolongar el proceso durante más tiempo.

7. A MANERA DE REMATE

La vía experimental es un camino que no tienefin. Conforme se avanza aparecen nuevos retos,nuevas incógnitas, nuevas posibilidades de mejo-ra. En este caso, las sesiones experimentales sir-vieron para mejorar nuestra tarea docente e inves-tigadora, ayudando a encontrar posibles respues-tas a algunas hipótesis sobre tecnología metalúr-gica prehistórica que se venían planteando desdepresupuestos teóricos. Pero esa vertiente, aunsiendo importante, no es la única: la vertientedocente debía compartir espacio y tiempo con ellapara que el alumnado, participando, asimilaramejor los conceptos de la tecnología del metal enla Prehistoria. Parafraseando el título de un exce-lente artículo de una joven investigadora, la teoríasin su refrendo práctico es algo vacío y, al contra-rio, la experimentación sin una teoría que laencauce es actuar a ciegas (Jackson, 2009).

Agradecimientos: A todos mis alumnos/asque, desde 2005 a 2009 asistieron a mis clases dela asignatura Tecnología y a otros muchos que seincorporaban voluntariamente a las sesionesexperimentales y a no pocas teóricas (Fig. 23).Gracias por su entusiasmo en el trabajo práctico ypor su paciencia en el aula cuando insistentemen-te les obligaba a refrescar conocimientos casiolvidados de Física y de Química para que enten-dieran mejor la Arqueometalurgia. Pienso quetodos acabaron comprendiendo que la separaciónentre Ciencias Experimentales y CienciasHumanas no es tan neta como se suele creer.

Figura 22. Parte inferior del lingote experimental.Obsérvese la abundancia de casiterita euedral nucleada.

Imagen obtenida en el SEM, electrones retrodispersados.

Figura 23. Grupo de alumnos/as del curso 2008-2009 que realizaron el experimento de cementación referido en el texto.

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arqueologia experimental

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