Fuego, hierro y magnetismo: La datación arqueomagnética

Autor: Ángel Carrancho.

Todo aquel que haya usado la brújula por primera vez, seguramente ha sentido un efecto casi mágico al ver alinearse la aguja con el norte magnético. Este hecho no es más que la respuesta al fenómeno de que la Tierra posee un campo magnético que actúa como un gran imán. Lo  que quizás no es tan conocido, es que el campo magnético terrestre no es constante y ha variado de diversas maneras a lo largo de su historia de más de 4.000 millones de años. Estas variaciones se manifiestan tanto en cambios en la dirección como en la intensidad. Una de estas variaciones y de la que hablaremos aquí, es la conocida como variación secular, que es el fenómeno sobre el que se fundamenta la datación arqueomagnética.

Gracias a los datos sobre las variaciones del campo magnético terrestre registrados en observatorios magnéticos para los últimos 3-4 siglos en ciudades como Londres, París o Roma, sabemos que el norte magnético se mueve y lo hace de forma errática. Son pequeños cambios, de unos pocos grados, pero identificables en estos registros históricos de no más de 400 años. Sabemos también que la variación secular es un fenómeno regional y no global. Es decir, el patrón de variación del norte magnético es más o menos reproducible entre regiones subcontinentales cercanas como por ejemplo la península ibérica y Francia, pero no es comparable entre regiones muy distantes. Por eso, los esfuerzos en los últimos años han ido encaminados a diseñar curvas-patrón de variación secular a escala regional (áreas de no más de 500 km de radio), como por ejemplo la península ibérica.

Lógicamente, para reconstruir las variaciones del campo magnético terrestre más allá del período registrado por los datos instrumentales, es necesario recurrir a materiales geológicos  o arqueológicos susceptibles de haber registrado esos cambios. De todos los materiales posibles, los más idóneos son aquellos que han sufrido calentamientos a altas temperaturas (> 500 ºC) como hornos, hogares e incluso lavas volcánicas. Si el material preserva la misma posición que tenía al ser calentado por última vez (in situ), los microscópicos óxidos de hierro presentes en estos materiales habrán registrado la dirección e intensidad del  campo magnético terrestre existente en ese momento. Digamos que estos minerales habrán actuado como pequeñas “brújulas fósiles” capturando un momento del campo magnético terrestre en el pasado. Pues bien, el estudio de múltiples estructuras de combustión arqueológicas in situ e independientemente bien datadas por otras técnicas (ej.: el radiocarbono o C¹⁴), permite diseñar con precisión y ampliar temporalmente las curvas de variación secular para una región dada. Estas curvas-patrón son precisamente las que se utilizan para datar estructuras arqueológicas quemadas mediante la técnica del arqueomagnetismo, como el caso que aquí se presenta. Este texto pretende describir la técnica de datación arqueomagnética mediante un caso de estudio realizado en un horno de cal o calero, descubierto en el complejo arqueológico de Pinilla del Valle (Madrid, España; Figura 1). Su excelente preservación permitió abordar un estudio direccional y de arqueointensidad datando con bastante precisión el último uso de la estructura.

Antes de describir el caso de estudio concreto, es conveniente que el lector conozca qué materiales se pueden datar mediante arqueomagnetismo. En general, todo material que haya sido suficientemente bien quemado en el pasado y que preserve íntegramente su posición tras su última quema. Esto es particularmente importante es estudios arqueomagnéticos donde lo que se analiza es la dirección registrada del campo magnético terrestre. Por eso, las cerámicas, no suelen ser buenos candidatos para datar analizando las direcciones porque casi siempre

aparecen fragmentadas en los yacimientos arqueológicos, sin preservar su posición original en la que fueron quemadas por última vez.

La recogida y orientación magnética de las muestras es un aspecto clave de todo estudio arqueomagnético. La idea básica consiste en establecer un sistema de referencia ligado a la muestra respecto al cual referir la magnetización medida en el laboratorio. Si se pretende determinar la orientación direccional del vector magnetización adquirido por el material tras su último calentamiento, es necesario orientar el material previamente a su extracción porque si no, se perdería toda referencia espacial. Generalmente se recogen un número mínimo de 8 especímenes por cuestiones estadísticas (preferentemente más) y el sistema de muestreo depende de la cantidad disponible y grado de consistencia del material. Lo más común como el caso del calero, es utilizar una taladradora eléctrica o de gasolina con una broca diamantada que permite extraer testigos cilíndricos ayudada por un sistema de refrigeración por agua. Una vez perforados los testigos, son orientados con un dispositivo que incorpora una brújula y que permite medir fácilmente el azimut y la inclinación magnética de cada testigo. Con esos datos, uno puede ser capaz de procesar esas muestras en el laboratorio.

Cada uno de esos testigos muestreados es cuidadosamente cortado en especímenes cilíndricos de unos 10 cm³, el tamaño estándar que generalmente tienen las muestras en este tipo de análisis. Aunque resulte un tanto paradójico, el trabajo de laboratorio consiste en destruir progresivamente la magnetización en pasos sucesivamente incrementales y tras cada paso de desmagnetización, medir la remanencia magnética restante. Las técnicas de desmagnetización usadas son la desmagnetización por campos alternos decrecientes y la desmagnetización térmica. Sin entrar en mucho detalle, el objetivo final es aislar en cada muestra el vector que corresponde con el evento de la última quema. Se supone que al tratarse de un horno de cal que alcanzó altas temperaturas (fácilmente > 900 ºC), todas las muestras debieran exhibir la misma estructura, similares intensidades en su señal magnética y, sobre todo, una dirección magnética muy parecida en sus diagramas de desmagnetización (Fig. 2a-e). Si no fuese así, es lógico pensar que algún proceso mecánico (colapso, caída de paredes, etc.), haya podido suceder. Afortunadamente, el análisis direccional del calero de Pinilla del Valle resultó en un buen agrupamiento de la mayoría de las muestras (Fig. 2f), lo que permitía abordar la datación arqueomagnética con alta fiabilidad estadística.

La determinación del parámetro de la arqueointensidad (el módulo del vector magnético), es algo más complejo porque requiere que el material cumpla unos requisitos muy específicos. Las muestras deben ser portadoras de una termorremanencia estable, no alterarse al ser calentarlas de nuevo en el laboratorio y tener un tamaño de grano específico. Con tales requisitos es fácil entender la conveniencia de estudiar previamente la idoneidad de las muestras para garantizar buenos resultados. Por ese motivo y para conocer cómo de estable  es la señal magnética, se analizan las propiedades magnéticas. Es decir, se estudia la composición, la concentración mineral y granulometría magnética de estos materiales. De este modo es más rápido y seguro evaluar qué litologías son más o menos adecuadas para análisis de arqueointensidad.

A pesar de estas dificultades metodológicas, se obtuvo un valor de arqueointensidad media (43.8 ± 7,69 μT) en una decena de muestras. Es importante que el lector entienda que el arqueomagnetismo, al igual que todos los demás métodos de datación sin excepción, tienen un error estadístico asociado al valor medio que generalmente suele expresarse al 68 % (1δ) o al 95 % (2δ) de probabilidad. Es lo que se conoce como “desviación estándar”, algo así como el error asociado.

Llegados a este punto, el lector seguramente se preguntará cómo se data. El procedimiento consiste en comparar la dirección media (definida por los parámetros declinación e inclinación magnética) y arqueointensidad media obtenida con su error asociado, con la curva o modelo de variación secular disponible para la región de interés. En este caso, la datación del horno se ha realizado comparando con un modelo geomagnético denominado SCHA.DIF.3K que abarca los últimos 3 milenios y que está diseñado exclusivamente con datos arqueomagnéticos de alta calidad (sólo materiales quemados). Allí donde los valores medios de los tres parámetros (línea azul) con sus respectivos errores asociados (bandas verdes) corten al modelo (líneas rojas), resultarán en diferentes posibles intervalos de edad donde la estructura pudo ser usada (Fig. 3). La combinación de todas ellas resulta en este caso en un intervalo muy ajustado de 1296 a 1413 AD, lo que además es arqueológicamente muy coherente. No necesariamente todos los estudios de datación arqueomagnética funcionan tan bien y las razones suelen tener que ver con una mala conservación del material, errores en el submuestreo o comportamientos inadecuados del material en el laboratorio. En todo caso, es un método con un gran potencial, que alcanza precisiones comparables al C¹⁴ y en el que el grupo de paleomagnetismo de la UBU está trabajando para extender su aplicación temporal y geográfica.

Todas las imágenes proceden de esta referencia donde el lector encontrará más información:

Carrancho, Á., Goguitchaichvili, A., Morales, J., Espinosa-Soto, J.A., Villalaín, J.J., Arsuaga, J.L., Baquedano, E. & Pérez-González, A. (2017). Full-vector archaeomagnetic dating of a medieval limekiln at Pinilla del Valle Site (Madrid, Spain). Archaeometry 59 (2), 373–394.

Figura 1. Horno de cal estudiado procedente del yacimiento arqueológico de Pinilla del Valle, Madrid. Escala horizontal: 1 m.

Figura 2 (a-e). Ejemplos representativos de diagramas de desmagnetización del calero estudiado. Para cada muestra se indica el nombre, la intensidad de la magnetización inicial (NRM₀) y las caídas de intensidad normalizadas. AF = campos alternos (en inglés) y TH (térmico). (f) Proyección de igual área con cada espécimen considerado para el cálculo de la dirección media, indicada en rojo. Debajo la dirección media con su estadística asociada (N = número de especímenes; Dec. = declinación; Inc. = inclinación; k = parámetro de precisión; α95= semiángulo de confianza al 95% de probabilidad).

Figura 3. Resultado de la datación arqueomagnética al comparar la dirección e intensidad media obtenida (línea azul) con sus respectivos errores (bandas verdes) con el modelo geomagnético SCHA.DIF.3 K (en rojo en los paneles superiores). La combinación conjunta de todos los parámetros al 95% de probabilidad resulta en el intervalo 1296 – 1413 AD.