HAL Id: hal-01839418
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Submitted on 14 Jul 2018
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PIXE et traces de fission : une approche des réseaux d’échanges de l’obsidienne dans l’aire andine
préhispanique (Colombie, Équateur)
Gérard Poupeau, Ludovic Bellot-Gurlet, Olivier Dorighel, Thomas Calligaro, Jean-Claude Dran, Joseph Salomon
To cite this version:
Gérard Poupeau, Ludovic Bellot-Gurlet, Olivier Dorighel, Thomas Calligaro, Jean-Claude Dran, et al.. PIXE et traces de fission : une approche des réseaux d’échanges de l’obsidienne dans l’aire andine préhispanique (Colombie, Équateur). Comptes rendus de l’Académie des sciences. Série IIa, Sciences de la terre et des planètes, Elsevier, 1996, 323, pp.443-450. �hal-01839418�
PIXE et traces de fission :
une approche des réseaux d'échanges
de l'obsidienne dans l'aire andine préhispanique
(Colombie, Equateur)
Gérard Poupeau, Ludovic Bellot-Gurlet,OlivierDorighel, Thomas Calligaro,Jean-Claude Dran et Joseph Salomon
Résumé Nous avons analysé par PIXE la compositionchimique de 50 artefacts en obsidienne provenantde
sitesarchéologiques côtiers colombienset équatoriens de la périodepréhispanique,ainsi que celle de
21 obsidiennes prélevées dans des gisements naturels. Seize de ces échantillonsont été datés par traces de fission. La caractérisation géochronologique/géochimiquede ces échantillons montre que
les artefacts proviennentde cinq sourcesdifférentes, dont trois sont actuellementinconnues. Le
couplage PIXE/datationspermetde raffiner le regroupementdes échantillonsen ensembles homogènespourles recherchesde provenance.
Mots-clés: Obsidienne,PIXE,Tracesde fission.Archéologieprécolombienne, Provenance.
Abstract Obsidian circulation in prehispanic times in Colombie and Ecuador:
a coupledPIXE/fission track dating approach
We analysed by PIXEthe chemicalcompositionof 50 obsidian artefactsfromColombian and Ecuado-
rianarchaeological coastalsites ofthe prehispanicperiod,and 21 samplesfrom naturaloutcrops and dated 16 ofthèsesamples bythefissiontrack method.Geochemical/ageçharacterizationof obsidian artefacts show theycorne from five sources, of which three are unknown,The combinationof PIXE
and fission track dating can refine the grouping of samplesinto homogeneous clans for soureing
studies,
Keywords: Obsidian,PIXE, Fissiontracks, Precolombianarchaeology, Provenance.
Abridged English
Version
PROVENANCEstudies of obsidian artefacts relyon the observation that in gênerai thechemical variationsbetweendifférent obsidian sources are larger than intra-source variations. It may, however, happen that two geographicallydistant sources are chemically difficultto differentiate,as between the Bingôl and NemrutDag sourcesinAnatolia (Renfrew
et al., 1966; Gratuze et al., 1993), or that a
given source présents a variable composition (Hughes and Smith, 1993). In such cases, it
may be useful to complémentthe geochemi- cal çharacterizationof obsidianby its dating
(Bigazzi et al, 1993, 1994, 1996). We found that this combinedgeoehemical and geochro-
nologic approach, using PIXE and fission
1250-8050/96/03230443»$2,00 © Académie desSciences
PREHISTOIRE/
PREHISTORY
C.R. Acad. Sci, Paris,
1323, série II a, p. 443 à 450, 1996
G. P., L. B.-G.etO. D.:
Groupe de Géophysique Nucléaire, UPRES-An°5025 du CNRS,
Laboratoirede Géodynamique desChaînesAlpines,
Institut Dolomieu,
Université Joseph-Fourier, 15,rueMaurice-Gjgnoux, 38031 Grenoble, France; poupeau@ujf-grenoble.fr
Th.C,J.-CI. D.etJ.S. ; Laboratoirede Recherche des Muséesde France, 6, ruedesPyramides,
75041 Paris CEDEX01,France,
Note
présentéepar
YvesCoppens.
remisele 1eravril 1996, acceptéele 13 mai 1996.
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G.Poupeauétal. Pixeettraces defission...
track dating mightallowa better resolution in Colombian and Ecuadorian archaeological artefactsourcing studies.
PIXE ANALYSES
The Ion Beam Analysis facility we use is the 2 MV tandem acceleratorAGLAE of the Laboratoirede Recherche des Musées deFrance.
PIXE analysesare madewitha beamof3 MeV
protons, the measurements being performed in air with an external beam (Calligaro et al,
1996).The samples are generally prepared as polishedsections. However,preciousartefacts can be analysed non-destructivelyandworking outside the acceleratorvacuum gives a greater flexibility in positioningsuch samples. The expérimentalset-upincludestwo Si(Li) detec- torsfor the simultaneousdétectionofrespecti- vely low- and high-energy X-rays, correspond- ing to light (8 < Z < 30) and heavy (Z > 30) éléments. In order to reduce X-ray atténua- tion byair a héliumgas flux is injected in the gap between the beam impact spot on the sample and the low-energyX-ray detector.
Backscattered protons, detrimental for the
low-energydetector resolution, are deflected by a permanent magnet setup in front ofthis detector. The X-rays spectra are treated with the GUPIX software(Maxwell etal, 1989).For each sample three spot analysesare made in order to overcome sample inhomogeneity.In obsidians we détermine routinely 15 major and trace élémentswith a précisionof 5% or better (at 1 <7level).
FISSION TRACK DATING
Obsidians are dated in Grenoble by the fission track method. The analytical procé- dures are described in Dorighel et al. (1994).
As the spontaneousfission tracks are often
partiallyannealed inobsidians,we determined fission track âges using the plateau-ages tech-
nique proposed by Storzer and Poupeau
(1973).
The fission track âges considered in this work for the obsidian sources were those obtained in Pisaby Bigazzi et al. (1992) and in GrenoblebyDorighel et al. (1994), Bellot-Gur-
let et al. (1996) and Dorighel and Labrin (unpublishedresults).
The précision on fission track âges, which
dépendsessentially on the number of fossil
tracks counted, is typicallybetween± 5 to
±10% (lo).
RESULTSAND INTERPRETATION
We areworking on an obsidian provenan- ce project on prehispanicarchaeological sites
in Colombia and Ecuador. In this article, we présent data obtained onobsidian sources and archaeologicalartefacts, ail located in sou- thern Colombia and northern Ecuador. We studied 71 samples by PIXE, and determined fissiontrackplateau-ageson 16ofthèse.
Sources Ecuador
The sources studied, the most important ones of Ecuador, are located in the Sierra de
Guamani, to the SE ofQuito in the Cordillera oriental (fig. 1). Wefound thatthèse sources, are distributedin discrète age/composition groups (fig. 2). Like Asaro et al. (1994) we observedthatobsidiansfrom the rhyoliticlava flowofMullumicaabout8 km long presented variable compositions suggestingatwo-compo- nent magmamixing. The only sample we had of the 0.18-0.19 Ma old (Bigazzi et al, 1992) Potrerillos source was notreported in figure2
becauseof internai inhomogeneityof chemi- cal composition. It is to be noted that noarte- fact approaches the range ofcompositions of
this sample.
Colombia
The "Rio Hondo" Colombian source, comprisingseveral samples taken near to the Purace volcano, near to Popayan appears
as chemically homogeneous. The chemical composition and âge of this source are quite différent from the Ecuadoriansources of the
SierradeGuamani.
Artefacts
50 artefactswere analysed by PIXE. In figure2, some artefacts maybe consideredas belongingto source domains whereas a large group,within the stippledarea, is only margi- nally sécantwith one source domain, that of
Mullumica. If one takes into account the fis-
444
Pixeettraces defission... G.Poupeauetal.
sion track âge of sources and artefacts, other
différences appear.
This is the case for one artefactwith an âge of0.42 ±0.04 Ma in the field ofthe 0.17-
0.18 Ma Callejones source in figure 2 and for two artefacts with âges of respectively
2.58± 0.12 and 2.60± 0.10 Ma associated to the 1.4-1.7 Ma Quiscatola-Yanaurcusource.
On the contrary, one artefact in the Quisca- tola-Yanaurcucompositional field with an âge
of 1.65 ± 0.16 Ma concordant with that of this source must corne from there; similarly the first artefact belongingto the Rio Hondo chemical group dated présents an âge of
3.6 ±0.2 Ma, concordantwiththatofthis sour-
ce and thereforemust come from the Purace volcano.
Fission track datingassigns the Mullumica flow an âge of 0.17-0.18 Ma (Bigazzi et al,
1992 and our unpublished data). The fission track plateau-agesof14artefacts coming from the coastalsites offigure 1 datedso far are in the range 0.25-0.31 Ma (Dorighel et al, 1994;
Dorighel and Labrin, unpublished data). The apparent âges of six other samples from this group,withfossiltracks partiallyannealed, are ail slighdyolder than the Mullumicaflow and
< 0.25 Ma. The fission track data exclude a
Mullumica originforthèse artefacts.
Archaeologicalinterprétation
Coastalsites
The coastal sites offigure 1 hâve âges in the range 800 BC-1,100 AD. As the région is devoid ofobsidian, piècesfound in thèse sites
musthâve been imported from more or less distant sources either by purely continental routes or atleast partly by coastal shipping.
Of ail the artefacts studied in this work, onlyone can be tracedback to its source: the
1.65 Ma artefact from La Tolita, which would corne from the Quiscatola-Yanaurcusource of the Sierra de Guamani.
Sources ofthe other artefacts remainun- known:one pièce from La Tolita cornes from a source chemicallyclose to thatofCallejones,
butolder; a similar case occurs with two arte- facts from Inguapi and the Quiscatola-Yanaur- cu source. It would remain in such cases to investigatewhether or notchemical proximity
between one artefact and a known source corresponds to geographical closeness
between this source and thesourceofthe arte- fact. This calls for more detailedfield studies andsamplingofsome source areas.
Finally, a large number of artefacts appa-
rently come from a single, still unknown,
0.3 Ma source.
Intérimsites
Thèse are the two Colombian sites ofLa Elvira (2 artefacts analysed) and San Isidro
(7artefacts) locatednear (<50km) to theRio Hondosource.Itis thereforenotsurprising to observethat one oftheirartefactsprésentsthe same âge of3.6 ± 0.2 Ma and composition as obsidians from this 3.7± 0.1 Ma old source and thereforecornesfrom the Puracevolcano.
Gnecco et al. (1993) had reachedthe same conclusionfrom NAAanalysisof 24 artefacts from La Elviraand one from San Isidro. The obsidian of the Rio Hondo source appears thereforeto hâvebeenwidelyused in thisarea ofthe highCaucavalley.
CONCLUSION
In this workwe showthat the çharacteriza- tion of an obsidian artefact by its âge only or
its chemical composition only maynotbe suf- ficient to détermine its source, and that a combinedfission track dating/PIXE analysis approachallowsafinerdiscrimination.
In the case of the coastal sites studied hère,which are inarégiondevoidofobsidian,
it is shown that (i) at least four obsidian
sources must be invoked, ofwhich only one, located in the EcuadorianSierrade Guamani, has been identified, and (ii) one unknown
source made a major contributionto the obsi-
dianindustryofthèse cultures.
Converselyin the case ofthe sites located
near to an obsidian source, like those of the Popayan area in Colombia,at least a fraction oftheartefacts come from this source.
Measurementson obsidiansand hundreds of obsidian artefactsfrom manyAndeansites are in progress.We thus hope in the futureto understand betterthe obsidian procurement stratégiesinthispart of the prehispanicAndes and to reconstitute the obsidian trade routes and their developmentwith time.
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G. Poupeauetal. Pjxeettraces defission...
1, INTRODUCTION
Les études de provenance des artefacts en obsidienne que l'on rencontre dans les
sites archéologiquesremontentà une tren- taine d'années. Elles reposent sur l'observa- tion selon laquelle les variations de composi-
tion chimique au sein d'une coulée, sont généralementplus faibles que d'une coulée à une autre. Cependant, l'obsidienne d'une même coulée ou d'un même tufpeutprésen- ter une composition variable selon les points d'échantillonnage(Hughes et Smith, 1993).
Inversement, dans une région volcanique, des obsidiennes provenant de centres érup-
tifs parfois très éloignés peuvent être diffi-
ciles à différencier géochimiquement.C'est
par exemple le cas en Anatolie, avec cer- taines obsidiennes de Bingôl et du massif de Nemrut Dag, distantes d'une centaine de kilomètres (Renfrew et al, 1966, Gratuze et
al, 1993). Dans de tels cas, une caractérisa-
tion supplémentaire, par l'âge de l'obsi-
dienne, peut éventuellement permettre de
lever l'indétermination (Bigazzi et al, 1993,
1994,1996).
Nous avons adopté, pour l'étude de la provenancedes artefacts en obsidiennedes
sites préhispaniquesde Colombie et d'Equa- teur, une approche combinant datation par traces de fission et caractérisation géochi- mique par PIXE (Bellot-Gurletet al, 1996).
Les premiers résultats obtenus (Dorighel et
al, 1996) suggèrent que l'on pourrait ainsi parvenir à une meilleure résolutiondans la définition des matériels-sourcesdes artefacts étudiés. Dans cet article, qui porte sur un échantillonnage plus important, ces ten- dances sont confirmées et de nouveaux groupes d'obsidiennes sont clairement mis en évidence pour la provenance des obsi-
diennes préhispaniquesde Colombie et
d'Equateur. Les implications archéologiques, comme la signification magmatiquede nos résultats,serontdiscutées ailleurs.
2. ANALYSESPAR PIXE
Pour les analyses par faisceau d'ions, nous utilisons l'accélérateur tandem de 2 MV «AGLAE » du Laboratoire de Recherche desMusées de France (Amsel etal, 1990).
Les mesures sontréalisées avecunfaisceauextrait de pro- tons de 3 MeV (Calligaro etal, 1996). Ce dispositifexpéri- mental permet, en travaillantàl'extérieur du vide de l'ac-
célérateur, une grande souplesse d'utilisation, en
particulierpourles échantillons qui doivent être analysés de manière non destructive. Leséchantillonssont préparés sousla forme de sections polies, saufpourles artefactspré- cieux d'un pointdevue archéologique,qui doiventconser- ver leur intégrité. Nous utilisons deuxdétecteurs Si(Li)
pourla détection simultanéedes rayonnementsXdebasse
et hauteénergie, correspondantrespectivement aux élé- ments légers(8< Z <30) etlourds (Z >30). Afin de rédui- rel'atténuation dans l'air desrayons-Xde basseénergie,un flux d'hélium est injecté dans l'espace compris entre l'échantillonà mesurer et le détecteur de rayons-X de basse énergie.Les protons rétrodiffusés qui pourraient détériorer la résolutiondu détecteur basses énergies sont déflectéspar un aimant permanentsitué à l'avant de ce détecteur.
En général,trois points d'analyse sont réalisés sur chaque échantillon,afin de tenir compte d'éventuelles inhomogénéitésde composition chimique. Les spectres obtenus sont traitésparle logiciel GUPIX (Maxwellet al,
1989).Nous déterminons en routine la teneur d'unequin- zaine d'éléments majeurset en traces, avecuneprécision inférieure à5% (± 1 O").
3. DATATIONSPAR TRACES DE FISSION
Les obsidiennessont datées à Grenobleparla métho- de des traces de fission. Les procéduresexpérimentales sont décritesparDorighelet al. (1994).
En réponseaux conditions d'environnement natu- relles, les traces de fission spontanée sont souventaffec- tées, dansce type de verre,d'un effacement partiel qui se traduit par un diamètre moyen des traces chimiquement révélées,inférieur àceluides tracesproduitesparlafission induite en réacteur nucléaire; dans ce cas, l'âge traces de fissionest inférieur à l'âge de formation de cesverres(voir par ex. Poupeau et al, 1996). Pourles échantillons men- tionnés dansce travail, lestracesfossilesprésententunrac- courcissement moyen négligeablepour certains, ou pou- vant atteindre34% pourd'autres.Afinde tenir compte de cet effet d'effacement,leséchantillonsontété traitésparla technique desâges-plateauxde StorzeretPoupeau (1973).
Les âgestraces defissiondessources considéréesdans ce travailontété déterminés àPiseparle groupe de Giulio Bigazzi (Bigazzietal., 1992)ou à Grenoble (Dorigheletal., 1994 ; Bellot-Gurlet et al, 1996; Dorighelet Labrin, don- nées non publiées). Ces deuxlaboratoires sont associés depuis plusieursannées dansdiversprogrammes d'interca- librations(Bigazziet al., 1988; Poupeauetal, 1993; Bales-
trieri et al, 1996 ; et résultatsnon publiés). La précision surun âge traces de fission dépend essentiellementdu nombre de tracesfossiles présentes dans un échantillon.
Elleest typiquementcompriseentre±5 %et± 10 % (1a).
4. RESULTATS ET INTERPRETATION
Nous avons analysé par PIXE 71 échan-
tillons d'obsidienne, dontseize ont été datés par âges-plateaux. Les sites archéologiques dont proviennentles artefacts, comme les sources géologiques, sont localisés dans la figure 1. Nos résultats sont illustrés par le
diagrammebinairede la figure2.
446
Pixeettraces defission- G.Poupeauetal.
Fig. 1 Carte schématiquemontrantla localisationdessourcesd'obsidienneet des sites archéologiquesmentionnés dansletexte.
Schematicmap showing thelocation
oftheobsidian sourcesand
archaeologicalsitescited inthe text.
1. Sources Equateur
Les plus importantes sources équato- riennes d'obsidienne connues sont celles de la sierra de Guamani,à l'Estde Quito, dans la Cordillère orientale. Les échantillons analy- sés ont été prélevés sur huit coulées ou gise- ments de blocs d'obsidienne (Bigazzi et al,
1992). Ces obsidiennes se répartissent en
plusieurs groupes âges-composition discrets (fig. 2). L'un de ces groupes, celui de Quis- catola-Yanaurcu,comporte à la fois deux
échantillonsprovenantd'un complexevolca- nique érodé et un autre pris à proximité,
dans un niveaude matériel remanié.
Les obsidiennes de la coulée rhyolitique de Mullumica, d'environ 8 km de long (Sala- zar, 1985), présentent entre elles des diffé- rences de composition chimique suggestives
d'un mélange binaire, comme l'avaient déjà observéAsaro et al. (1994). Ces auteursinter-
prétèrentces différences comme le résultat d'un mélange imparfait de deux magmas.
Une source équatoriennen'estpas repré- sentée dans la figure 2, celle de Potrerillos, datée à 0,18-0,19 Ma (Bigazzi et al, 1992),
car l'échantillonanalysé, partiellementdévi-
trifié, est apparu comme inhomogène à
l'échelle des points d'analyses. Cependant, aucundes artefacts analysésne présente une composition proche de chacune des déter- minations réaliséessur cet échantillon.
Colombie
Les échantillons colombiens analysés, prélevés au voisinage du volcan Purace près de Popayan, forment un groupe « Rio Hondo» (Gnecco et al, 1993) qui est, par sa composition chimique, comme par son âge (3,7 ± 0,1 Ma, Dorighel et Labrin, non
publié), différentdes sourceséquatoriennes.
447
G. Poupeauetal. Pixeettraces defission..
Fig. 2 Diagramme binaire comparant lesteneursen Mn eten Sr des
échantillons traités parPIXE. Les
sourcessont repéréespar leurs nomset leurs âges; leur domaine est
approximativement cercléd'untrait
continu, lorsque plusieurséchantillons sont analysés.Originedesdonnées:
PIXE, Dorighelétal.,1996etrésultats non publiés; traces de fission: Bigazzi
étal., 1992, Dorighelétal.,1994et résultats non publiés.
Binary diagram comparing theMn and
Srcontentsofthesamplesanalysedby
PIXE.The source namesand âgesare reported;whereseveral samplesofa
given sourcewereanalysed,thesource domain isapproximately encircled.
Originofdata: PIXE, Dorighelétal., 1996 and unpublished results;fission tracks:Bigazzi etal., 1992,
Dorigheletai, 1994 and unpublished results.
2. Artefacts
Cinquante artefactsont été étudiés. Dans la figure 2, certains artefacts peuvent être
considérés comme faisant partie de domaines géochimiquesoccupés par des
sources, comme celles de Rio Hondo, Quis- catola-Yanaurcu et Callejones, alors qu'un
ensemble important,figuré en grisé, n'appa- raît qu'en position marginale par rapport à une source,celle de Mullumica.
La considération des âges traces de fis-
sion des artefacts fait apparaître d'autresdif-
férences.Ainsi, l'artefactsitué dans le domai- ne du groupe Callejonesprésente un âge traces de fission de 0,42 ± 0,04 Ma, qui
implique une origine différente. Par ailleurs,
parmi les trois artefacts qui apparaissent dans le groupe Quiscatola-Yanaurcu, l'un, d'âge 1,65 ± 0,16 Ma concordant avec celui de cette source en proviendrait donc, mais
les deux autres, d'âges plus élevés,de respec- tivement 2,58 ± 0,12 et 2,60 ± 0,10 Ma, ne le peuvent.
Dans le groupe Rio Hondo, l'âge du seul
artefact daté pour le moment est, avec
3,6± 0,2 Ma, concordant avec celui de cette source et en proviendrait donc.
Il estdifficile de décider, sur la seule base de la composition chimique, si les artefacts de l'espacegrisé de la figure 2, qui représen- tent plus de la moitié de notre échantillon- nage, doivent être ou non associés à la cou-
lée de Mullumica, puisqu'avec un échan-
tillonnage limité actuellementà cinq points de prélèvement, on ne peut connaître les termes compositionnels extrêmes de cette dernière. La datation par traces de fission montre qu'une partie au moins des artefacts de ce groupe n'aurait aucun rapport avec la coulée de Mullumica: les âges-plateauxdéjà déterminéspour quatorze de ces pièces sont groupés dans l'intervalle 0,25-0,31 Ma et les
âges apparents de six autres, dont les traces fossiles sont partiellementeffacées, sont
supérieurs à celui de la coulée de Mullumica (fig. 1) et inférieurs à 0,25 Ma. Ces données excluraient toute source connue. La datation
(en cours) des autres artefacts de cet
ensemble montrera s'ils proviennenttous de la même source.
3. Retourà l'archéologie
Sitescôtiers
Les sites côtiers ou proches de la côte
(fig. 1), dont des artefacts en obsidienne ont
été analysés dans ce travail, sont chronologi-
quement compris entre 800 av. JC et
1 100 AD, ce qui correspond aux périodes Formativestardives, à celles de l'Intégration puis des Développements Régionaux. Ces
régions ne comportant pas de gisements d'obsidienne, celle que l'on y rencontre a donc nécessairement été apportée. On peut
envisager, soit un transport purement conti- nental de l'obsidienne, les sources dans ce
cas étant à envisager dans l'arrière-paysde la sierra andine, soit un apport comprenant une composante de cabotage, à partir de sources plus ou moins éloignées (Dorighel et
al, 1996).
Dans ce travail, un seul artefact côtier
(sur quarante-et-un analysés), recueilli à La Tolita, peut être rapporté avec certitude à l'une des sources équatoriennesque nous
avons étudiées, puisque son âge et sa compo- sition chimique s'accordent avec ceux des échantillonsdu groupeQuiscatola-Yanaurcu.
Tous les autres proviennent de sources inconnues: ainsi, un autre artefact de La Tolita vient d'une source de composition proche de celle de Callejones, mais plus ancienne; il en est de même pour deuxarte-
facts d'Inguapiavec la source de Quiscatola-
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