Carmine Lubritto

Dipartimento di Scienze Ambientali

Seconda Università di Napoli

Laboratorio CIRCE

Le attività del Laboratorio CIRCE nel

settore dei Beni Culturali

Center for Isotopic Research on Cultural and Environmental heritage

Congresso SIF, L’AQUILA 26 -30 Settembre 2011

Dipartimento Scienze Ambientali, II Università di Napoli

2005: Nasce CIRCE

DSA-SUN

Center forIsotopicResearch onCultural andEnvironmental heritage

a

s

e

r

t

a

• 14C AMS

• Service

• Archaeology, forensic,

paleoenvironment

• Climate Change

• Dendrochronology

• Mortars

• 26Al AMS

• Nuclear Astrophysics

• 129I AMS

• Provenance studies

• Actinides AMS

• Nuclear safeguards

• Environmental monitoring

• 7Be Implantation

• Wearing speed

measurement

• Nuclear Astrophysics

• ERNA

• 12C+12C

• IRMS – Stable Isotopes

• Paleodiet studies

• Environmental monitoring

• Food stuff

• Environmental

radioactivity

• NPP decommissioning

• Radiological campaigns

Ongoing research activities

CIRCE Laboratories

• Isotopic Ratio Mass Spectrometry

• Sample preparation for IRMS

• Tandem Accelerator

• Sample preparation for 14C AMS

• Chemistry and Actinides Sample preparation

• Environmental Radioactivity

• Radiochemistry hot cell

• European Recoil mass separator for Nuclear Astrophysics

• Environmental Optics and Laser Spectroscopy

• Ecology (Phytotron + Atomic Absorption)

12C (98.9%)66

protoni (z)

neutroni (n)

elettroni (z)

13C (1.1%)76

14C86

stabile radioattivo

ISOTOPI: atomi dello stesso elemento, con uguale numero di

protoni ma con differente numero di neutroni

Atomi e Isotopi

Metodi e tecniche di misura che si

fondano sulla

grande selettività dei processi di natura

atomica o nucleare

Frazionamento Isotopico

Decadimento Radioattivo

Fisica degli Isotopi: Premesse

Metodi e tecniche di misura che si

fondano sulla

grande capacità di discriminazione dei

metodi di rilevazione e di analisi impiegati:

Spettrometria di massa convenzionale - IRMS

Isotopi stabili

Spettrometria di massa con acceleratore - AMS

Isotopi radioattivi

Fisica degli Isotopi: Premesse

C

CR

12

1313

100011000000

s

c

s

scsc

R

R

R

RR

RAPPORTI ISOTOPICIISOTOPI STABILI

O

OR

16

1818

N

NR

14

1515

H

DR 2

14C – Radiocarbonio

OXIIC

campioneCcampione

C

C

C

C

F

13

13

12

14

12

14

95,0

Δ14C=(F x e (t-1950) -1) x 1000

ISOTOPI RADIOATTIVI

IRMS vs AMS

IRMS AMS

Precisione: DR / R 105 2-3 10-3

Sensibilità: DR 10-4 10-12/-15

small effects

IRMShigh accuracy

small amounts

AMShigh sensitvity

IRMS vs AMS

1. RESOLUTION

Magnetic rigidity: Br = p/q with p=2mE Isobar and

Displacement: isotope

d=4rDp/p =2rDm/m suppression ->

r1m; “spot” 1mm

Dm/m 5 10-4

2. SENSITIVITY

.1 ml CO2 -> 3 1018 12C atoms .1 mg C -> 5 1018 12C atoms

(NTP) 3 1016 13C atoms 6 106 14C atoms

100% consumed 1% detected

3. ACCURACY

limited only by system stability (sampling) limited also by counting statistics

sR/R = 2 10-5 sN/N = 1/N; sR/R = .3% -> N=105

Archeometria al Laboratorio CIRCE

1. Datazione di reperti archeologici (organici)

Isotopi Radioattivi

5. Paleonutrizione, Provenienza di marmi,

Analisi reperti organici in ceramiche

Isotopi Stabili

2. Metodologie innovative di preparazione dei campioni

4. Datazione di Malte

Isotopi Radioattivi

3. Sviluppo del sistema AMS

Metodi e tecniche di

preparazione campioni

Datazione reperti organici con AMS

Materiale Quantità

Legno 20 - 30 mg

Carbone 1 - 10 mg

Osso 1 - 2 g

Torba 5 - 30 mg

Paleosuolo 20 – 500 mg

Semi carbonizzati5 - 10 mg

Conchiglie 20 - 50 mg

Combustion

Graphitization

Pressing

Measurement AMS CIRCE

system

Chemical

treatmentBosch reaction

1) CO2 (g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)

2) CO(g) + H2(g) C(s) + H2O(g)

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

mC(mg)

RC

age (

a)

H line

Z Line

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00

mC (mg)

RC

age (

a)

Average of Apparent age for m>0.5 mg: 0.17±0.04 pMC (52000±2900a)

Average of Apparent age for m>0.5 mg: 0.13±0.08 pMC (53000±4600a)

Risultati Blank

Linea Zn-

reduction

Risultati Blank

Linea H-reduction

1) CO2 (g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)

2) CO(g) + H2(g) C(s) + H2O(g)

Bone samples:

Trattamenti e test

Collagen extraction and

purification

Cremated bones treatment

The first Iron age : The necropolis of the “Nuovo Mattatoio” at Parisi

(Santa Maria Capua Vetere (SMCV), Italy)

459 tombs

Results: buried samples

Comparison of the radiocarbon ages

between a bone and a charcoal

belonging to the same tomb

Multiplot of all calibrated results

on buried and cremated bone

samples, together with some

charcoals found in Santa Maria

Capua Vetere.

Results: cremated bone samples

Il sistema AMS di CIRCE

Il sistema AMS di Caserta (3MV)

Pelletron 3 MV – SNICS 40 campioni

14C/12C bkg 510-16 s< 0.3% a 10-12

(circa 60000 anni)

13C/12C s< 0.2%

Altri isotopi: 10Be, 26Al, 127I, 236U, xPu

C5

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

22.0

22.5

23.0

23.5

24.0

24.5

25.0

C6

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

149.0

150.0

151.0

152.0

153.0

154.0

155.0

-6

-4

-2

0

2

4

6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0err

scart

o/e

rr

C1 C2 C3 C4 C5

C6 C7 C8 OXII ANU

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10D/s

f(z)

f(z)

exp

-30

-15

0

15

30

0 2 4 6 8 10err

scart

o/e

rr C1 C2 C3 C4 C5

C6 C7 C8 OXII ANU

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20D/s

f(z)

f(z)

exp

Quality assurance

data

14C/12C 13C/12C

VIRI Sample A

107

109

111

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

pM

C(%

) VIRI Sample B

2600

2800

3000

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

)

VIRI Sample C

108

110

112

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

pM

C(%

)

VIRI Sample D

2600

2800

3000

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

)

VIRI Sample E

33000

39000

45000

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

) VIRI Sample F

2300

2500

2700

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

)

VIRI Sample G

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

) VIRI Sample I

7800

8300

8800

0 10 20 30 40 50 60 70lab #

Rc

ag

e(a

)

V

INTERCOMPARISON

on

RADIOCARBON

ANALYSIS

La datazione al

radiocarbonio delle malte

…ci riusciamo !!!!

Limestone

(CaCO3)

Burned Lime

(CaO)

Slaked Lime

Ca(OH)2

Mortar Carbonate

(Ca14CO3)

Calcination

Fossil CO2

Hydration

Water(H2O)

Contemporary14CO2

Carbonatation

Hydroxide is mixed

with sand and other

Mortar cryobraking

Smallest fragmentsultrasonication

Suspensioncentrifugation

Overnight drying

Suspension

Fabio Marzaioli,Carmine Lubritto, et. al.

Anal. Chem., 2011, 83 (6), 2038–2045

MORTAR

Are thereCalcareousAggregates?

NO

SUSP protocol + Ortho-phosphoric acid attack on“Mortar bulk”

LAB EXPERIMENT

Are therelumps ?

YES

CalcareousAggregates

With the assumption that the protocoleffectively removes the coarser side, thenyou can apply the protocol SUSP on the“mortar bulk”.

SPANISH SITES: ZORN,AISTRA,

OSTIA, P.ZO VALENTINI, SHAYZAR

Are therecalcination relics ?

YESNO

SUSP protocol + Ortho-phosphoric acid attack onlumps

ITALIAN SITE: PONTE LAMA,SIPONTO SIP_10

Ortho-phosphoric acidattack on lumps

MO

MO

Importanza di:

1. Caratterizzazione

malta (Sezioni sottili)

2. Procedura di

campionamento

-3. Misure isotopi

stabili

Coarser

Fine ,

MO; XRD

NO

SUSP NEWprotocol onmaortar

YES

La datazione al

radiocarbonio per

campioni archeologici e

per “autenticare”

The Neolithic Lonche mandible wasdiscovered in 1911 cemented on thewall of a small cave of northern Istrianear Lonche village (nowadays inSlovenia), not far from Trieste.

La tavola lucana di cm. 60x44 ritrae il busto di un uomo dagli occhi blu e dalla folta barba,

posto di tre quarti e che indossa un cappello con una piuma bianca.

Ad un esame stilistico superficiale, alcuni studiosi hanno ipotizzato si trattasse di un

autoritratto inedito di Leonardo da Vinci mentre altri hanno espresso un parere contrario,

ritenendo che il dipinto sia attribuibile ad un’epoca successiva.

Sample

ID

Lab

Code.

RC age

(years

BP)

14F Sample ID Lab

Code.

RC age

(years

BP)

14F

A_AAA DSH1065 381±34 0.954±0.004 A_cell DSH1068 297±49 0.964±0.005

B_AAA DSH1066 374±22 0.955±0.003 B_cell DSH1069 355±38 0.957±0.004

C_AAA DSH1067 298±49 0.964±.0.005 C_cell DSH1070 382±56 0.954±0.007

pMC filled

RC age empty

RC Age= 359±16 BP

Sono state realizzate altre indagini con diverse metodologie !

Radiocarbonio e Dendrocronologia

166/136

0

100

200

300

400

500

1 21 41 61 81 101 121 141 161

ring #

rin

g t

hic

k. (m

m) 472

571

2500

2600

2700

2800

2900

3000

2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100

cal age BP

RC

age

BP

872

472

571

cal

498

DENDROCRONOLOGIA E 14C: CREAZIONE DI CURVE DI

RIFERIMENTO IN AMBIENTE MEDITERRANEO

PROGETTO GHG AFRICA

Cronologia degli insediamentiantropici in Campania nel periodo

Eneolitico-Età del Ferro

Breve storia delle “Età dei Metalli”

Età del Rame Eneolitico Calcolitico Neolitico Recente e Finale

3500-2300 a.C.Antico - Maturo - FinaleInnovazioni in agricoltura edallevamento: modifichenell’insediamnento edorganizzazione sociale.

Taurasi -Rinaldone Gaudo Laterza

Agnano 3-Paleoastroni 2 Agnano MS-Flegrea 1

Età del Bronzo 2300-900 a.C. Spostamenti, mobilità e intreccio direlazioni umane. Prima materia riciclabile

Antico 2300-1600 a.C. Medio 1600-1300 a.C. Recente 1300-1150 a.C. Finale 1150-900 a.C.

Palma Campania

Insediamenti in pianura, piccolealture e colline. Espansioneattività agricole.

Pomici di Avellino

Insediamenti più stabili, difesinaturalmente o con fortificazione.Diffusione arboricoltura(fico,pero,melo,noce,olivo).

Protoappenninico B-Appenninico classico

Eruzioni Protostoriche

Sfruttamento intensivo delle risorse. Centriabitati di maggiori dimensioni vicino a viedi comunicazione.

Subappenninica Protovillanoviana

Età del Ferro 900-100 a.C. Villanoviana Con l'affermarsi della siderurgia, una nuova figuradi artigiano, il fabbro,che acquistò una grandeconsiderazione sociale

The Avellino pumices eruption

Period Archaeological sites Cultural Facies

Eneolitico Antico Taurasi(AV), Casalbore (AV) Diana

Eneolitico Maturo

Sala Consilina (SA),Caivano(NA),Piano di

Sorrento(NA), Buccino (SA)Gaudo

Eneolitico Finale-Inizio BA

Gricignano d’Aversa (CE), Polla (SA),Palma Campania(NA)

Laterza-Palma Campania

BA avanzato

Croce del Papa (Nola,NA), S.Paolo Belsito (NA), La

Starza di Ariano Irpino (NA) Masseria Rossa (Nola,NA),

P.le Tecchio (NA)

Palma Campania

Bronzo Medio 1 e 2

S.Paolo Belsito, La Starza, Protoappenninico B

e Appenninico Classico

Bronzo recente e finale

La Starza di Ariano Irpino (NA), S.Paolo Belsito(NA)

Subappenninica e Protovillanoviana

Età del Ferro Longola (Poggiomarino, NA) Villanoviana

Eruzione delle "Pomici di Avellino"

Donna SPBS-

NA CapraCapra-

BochumTTT3-NA

3300

3400

3500

3600

3700

1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009anno

RCage

-5000

-4500

-4000

-3500

-3000

-2500

-2000

0 20 40 60 80 100 120

RC

ag

e B

P

Agnano 3Paleoastroni 2

Agnano MS

Pomici Avellino

2° Protostorica1° Protostorica

Flegrea 1

Casalb

ore

Tau

rasi

Pia

no

di

So

rren

to

(Gau

do

)

Caiv

an

o

Sala

Co

nsil

ina

Gri

cig

nan

o(L

ate

rza)

Ate

na L

ucan

a

Palm

a C

am

pan

ia

San

Pao

lo B

els

ito

San

Pao

lo B

els

ito

Po

mic

i d

i A

vell

ino

Masseri

a R

ossa

San

Pao

lo B

els

ito

La S

tarz

a

San

Pao

lo B

els

ito

San

Pao

lo B

els

ito

P.l

e T

ecch

io

Po

gg

iom

ari

no

Eneolitico Antico Eneolitico Maturo Eneolitico Finale Bronzo Antico Inizio Bronzo Medio Bronzo Recente-Finale \Ferro

Riassumendo…

• Nuova datazione dell’ eruzione delle “Pomici di Avellino”

• Tempi della ripresa post-eruzione: Masseria Rossa (30-140 a), S. Paolo BelsitoMonticello-Montesano (20-130 a), S.Paolo BelsitoMonticello/Montesano (40-170 a), La Starza (40-250 a).

• E’ stata meglio definita la cronologia delle prime due protostoriche che avvennerocirca 240 anni dopo Avellino.

I nuovi dati ottenuti in questo lavoro ci forniscono un quadro chiaro eabbastanza completo della cronologia degli insediamenti antropici nel periodoEneolitico-Età del Ferro in Campania collocandola tra la seconda metà delIV Millennio a.C. e il 400 a.C.

• Individuazione dell’inizio dell’Eneolitico in Campania• Investigazione cronologica del Gaudo, Laterza, Palma Campania e

Protoappenninico B

• Le datazioni su Caivano hanno meglio identificato le cronologie di Agnano 3 ePaleoastroni 2.

• Le datazioni di Poggiomarino hanno permesso di riempire il vuoto tra fine BronzoMedio e prima età del Ferro.

Analisi con isotopi stabili

- Paleonutrizione

- Provenienza marmi

- Analisi residui organici in materiali ceramici (GC-IRMS)

Provenienza di marmi: epigrafi Abellinium

“Dimmi cosa mangi e ti dirò chi sei”(Epicuro di Samo, 341 – 270 a. C.)

La paleodieta,

fornisce

informazioni su: Economia

Comportamenti

Contatti con altri popoli

Alimentazione

Quadro completo del paleoambiente

Organizzazione Sociale

LA PALEODIETA

Malattie, mortalità

The Aragonese sarcophagi in the Basilica of S. Domenico Maggiore in Naples (16th century)

The Medici burials in the Basilica of S. Lorenzo in Florence (17th century)

ITALIAN RENAISSANCE PRINCES

(XV-XVII centuries)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0-5 6-12 12-20 21-40 41-59 >60

Age at Death (years)

No

. o

f In

div

idu

als

PALEONUTRIZIONEFamiglie del Rinascimento Italiano

Medici (Firenze 16° - 17° secolo)

Aragonesi (Napoli 15° - 17° secolo)

• A diet very rich in meat.• integration with fish, especially for the Aragonese series fromSouthern Italy, estimated at 14-30% for the Medici and at 12-40%for the Aragonese.

Ferdinando I – Grand Duke of Tuscany

Stretto legame misure paloenutrizione,paleopatologia, paleoantropologia , recordstorici, rilievi archeologici !

DISH (Diffuse Idiopathic Skeletal Hyperostosis).is a sero-negative arthritis linked with diabetesand obesity.

Archival records contain an accuratedescription of a typical gout attack, asreported by the court physician GiulioAngeli: “yesterday the gout started topinch the big toe of the Grand Duke’sleft foot and then continued to advancerapidly! Overnight the toe has becomeswollen, inflamed and painful”.

(2nd April 1591)

The gout

Il sistema AMS di Caserta – CIRCE (3 MV)

Gruppo CIRCE – Beni Culturali

Filippo Terrasi Antonio D’Onofrio

Nicola De Cesare Fabio Marzaioli

Isabella Passariello Manuela Capano

Paola Ricci Carmina Sirignano

Sara Nonni Pasquale Simone

Jasoph Tandoh