Combined study of archaeomagnetism and Raman spectroscopy of experimentally burnt limestones from the middle-palaeolithic site of Pinilla del Valle (Madrid, Spain)

Abstract

Se presentan los resultados arqueomagnéticos, de propiedades magnéticas y espectroscopia Raman obtenidos de analizar muestras de dos tipos de calizas calentadas experimentalmente bajo con-diciones controladas. Estas calizas han sido fre-cuentemente identificadas en los yacimientos de paleolítico medio de Cueva Descubierta y Abrigo de Navalmaíllo (Pinilla del Valle, Madrid, Es-paña). Mediante un sistema de termopares, se re-gistraron temperaturas máximas de calentamiento de 400-450 ºC durante una hora. El objetivo es caracterizar las variaciones en la mineralogía fe-rromagnética y los compuestos (in)orgánicos, así como estudiar el registro de la dirección del campo magnético terrestre en el momento del enfriamien-to. Esto permitirá obtener un patrón extrapolable a las calizas arqueológicas de cara a identificar estructuras de combustión en el yacimiento. Los experimentos de ambas técnicas fueron realizados en muestras representativas de ambas litologías tanto antes como después de la quema experimen-tal. Antes de la quema, ambos tipos de caliza es-taban dominados por dolomita y calcita y, como principales óxidos de hierro, goetita y magnetita. Tras la quema, la goetita original pervivió en las muestras calentadas <200 ºC mientras que se transformó a hematites y/o magnetita en las ca-lentadas en torno a 450 ºC. Las alteraciones mi-neralógicas se centraron mayoritariamente en el 1ercm de profundidad. La neoformación de magnetita como paso intermedio en el proceso de deshidra-tación de la goetita hacia hematites ha sido poco documentada y tiene implicaciones paleomagnéti-cas. Se discuten los resultados mineralógicos, sus implicaciones para la identificación de fuego en el yacimiento así como sus potenciales aplicaciones a casos de estudio similare.

Here we report the archaeomagnetic, rock-magnetic and Raman spectroscopy results of sample analysis from two types of limestones that were experimentally heated under controlled conditions. These lithologies have been commonly identified at the middle-palaeolithic sites of Descubierta Cave and Navalmaillo rock-shelter (Pinilla del Valle, Madrid, Spain). By means of a thermocouple system, maximum heating temperatures of 400 − 450 ºC were recorded during one hour. The main goal was to characterize the variations in the magnetic mineralogy and (in)organic compounds, and to study the record of the Earth´s magnetic field direction at the time of cooling. This allowed us to obtain a pattern that is potentially applicable to archaeological limestones in order to identify combustion structures at the site. All experiments were carried out on representative samples both before and after experimental heating. Before heating, both types of limestones were dominated by dolomite and calcite and as main iron oxides, goethite and magnetite. After heating, the original goethite persisted in samples heated to low temperatures (<200 ºC) whereas it transformed to haematite and/or magnetite in those heated to 450 ºC. Mineralogical alterations mostly focused on the outermost 1st cm of depth. The neoformation of magnetite as intermediate step in the dehydration process of goethite to haematite has been barely documented and has palaeomagnetic implications. The mineralogical results obtained, their implications for the identification of fire at the site as well as potential applications to similar cases studies are discussed.