Roman lead and copper mining in Germany : their origin and development through time, deduced from lead and copper isotope provenance studies

Römischer Blei- und Kupferbergbau in Deutschland : Herkunftsbestimmung und Entwicklung mittels Blei- und Kupferisotopie

  • The present work was devised to address the systematic analysis of samples from a range of Roman non-ferrous metal artefacts from different archaeological contexts and sites in the Roman provinces of Germania Superior. One of the focal points of this study is the provenancing of different lead objects from five important Roman settlements between 15 BC and the beginning of fourth century AD. For this purpose, measurements were made on lead and copper ore samples from the Siegerland, Eifel, Hunsrück and Lahn-Dill area in Germany and supplemented with data from the literature to create a data bank of lead isotope ratios of European deposits. Compositional analysis of lead objects by Electron Microprobe analysis showed that Romans were able to purify lead from ore up to 99%. Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry was used to determine the source of lead, which played an important role in nearly all aspects of Roman life. Lead isotope ratios were measured for ore samples from German deposits from the eastern side of the Rhine (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) and the western side of the Rhine (Eifel, Hunsrück), which contained enough ore reserves to answer the increasing local demand and are believed to have been mined during the Roman period. This data together with those from Mediterranean ore deposits from the literature was used to establish a data bank. The Mediterranean ore deposits range from Cambrian (high 207Pb/206Pb) to tertiary (lower 207Pb/206Pb) values. In particular, the Cypriot deposits are younger, while the Spanish deposits fall either with the younger Sardic ores or close to the older Cypriot ores. The lead isotope ratios of most German ore deposits fall in between the 208Pb/206Pb vs. 207Pb/206Pb ratios of Sardinia and Cyprus, where the lead isotope signature of ore deposits from France and Britain are also found. Over 240 lead objects were measured from Wallendorf (second century BC to first century AD) Dangstetten (15-8 BC), Waldgirmes (AD 1-10), Mainz (AD 1-300), Martberg (first to fourth centuries AD) & Trier (third to fourth centuries AD). Comparing the lead isotope ratios of lead objects and those from German ores shows that the source of over 85 percent of objects are Eifel ore deposits, but the Roman’s had also imported lead from the Southern Massif Central and from Great Britain. A further topic of this work was the systematic study of the variation of copper isotope ratios in different copper minerals and the mechanisms, which controls copper isotope fractionation in ores deposits. For this purpose, copper isotope analyses were made by Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass-Spectrometry from a series of hydrothermal copper sulphides and their alteration products. Copper and lead isotope ratios were measured in coexisting phases of chalcopyrite and malachite and also coexisting malachite and azurite. No significant fractionation was observed in malachite-azurite phases, but in chalcopyrite-malachite coexisting phases, malachite always shows a positive fractionation to heavier isotope values. Zhu et al. and Larson et al. showed that isotopic variations in copper principally reflect mass fractionation in response to low temperature processes rather than source heterogeneity. The low temperature ore formation processes are mostly represented by weathering of primary sulphide ores to produce secondary carbonate phases and therefore are usually observed on the surface of ore deposits, which were probably removed during the early Bronze Age. Using this concept, copper isotope ratios were measured in some Early Bronze Age copper alloys and Roman copper alloys. However, no large copper isotope fractionation has been observed. Lead and copper isotope ratios were measured on samples from the Kupferschiefer. Two profiles were investigated; 1) Sangerhausen, which was not directly influenced by the oxidizing brines of Rote Fäule and 2) Oberkatz, where both Rote Fäule-controlled and structure-controlled mineralization were observed. Results from maturation studies of organic matter suggest the maximum temperature affecting the Kupferschiefer did not exceed 130°C. delta-65-Cu ranges between -0.78-+0.58‰, shows a positive correlation with copper concentration. Maximum temperature in the Kupferschiefer profile from Oberkatz is supposed to be around 150°C. delta-65Cu in this profile ranges between -0.71-+0.68‰. The pattern of copper isotope fractionation and copper concentration is same as the for profile of Sangerhausen. Origina lead isotope ratios are strongly overprinted by high concentrations of uranium in bottom of both profiles causing more radiogenic lead.
  • Die vorliegende Arbeit wurde geplant, um eine systematische Datenbasis römischer Buntmetallartefakte aus unterschiedlichen archäologischen Kontexten und verschiedenen Gebieten in Germania Superior zu schaffen. Einer der Schwerpunkte dieser Studie ist die Herkunftsbestimmung von Bleiartefakten, die aus funf wichtigen römischen Lagern, zwischen 15 v. Ch. und dem Anfang des vierten Jahrhunderts n. Ch., stammen. Das Blei spielte eine wichtige Rolle in fast allen Aspekten des römischen Lebens. Elementaranalysen von Blei mit der Elektronenstrahl-Mikrosonde zeigen, dass die Römer in der Lage waren, das Blei vom Erz bis zu einer Reinheit von 99% zu trennen. Um die Herkunft des Bleis zu bestimmen wurde mittels MC ICP-MS (Multi-Collector Inductively Coupeld Plasma Mass-Spectrometry) die Bleiisotopie bestimmt. Bleiisotopenverhältnisse wurden an Erzproben verschiedener Lagerstätten östlich des Rheins (Siegerland, Lahn-Dill, Ems) und westlich des Rheins (Eifel, Hunsrück) bestimmt. Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die Erze zu römischen Zeiten möglicherweise aus diesen Lagerstätten gewonnen wurden. Zusammen mit Literaturdaten vom Mittelmeerraum bilden sie eine umfassende Datenbank. Die Mittelmeerlagerstätten liegen im Bleiisotopendiagramm in einem zeitlichen Bereich, der sich vom Kambrium (hohes 207Pb/206Pb) bis zum Tertiär (niedrigeres 207Pb/206Pb) erstreckt. Die Bleiisotopenverhältnisse der deutschen Lagerstätten liegen im 208Pb/206Pb gegen 207Pb/206Pb Diagramm zwischen Sardinien und Zypern, und fallen teilweise mit den Bleiisotopenverhältnisse von Frankreich und Großbritannien zusammen. Die Bleiisotopenverhältnisse wurden an 240 Blei Artefakten von Wallendorf (2. Jh. v. Chr. bis 1. Jh. n. Chr), Dangstetten (15-8 v. Ch.), Waldgirmes (1-10 n. Ch.), Mainz (1-300 n. Ch.), Martberg (1. bis 4. Jh. n. Ch.) und Trier (3. bis 4. Jh. n. Ch.) gemessen. Beim Vergleich der Bleiisotopenverhältnisse der Bleiartefakte und der deutschen Lagerstätten wird deutlich, dass die Römer zur Herstellung der Artefakte bis zu 85‰ Blei aus den Eifel – Erzlagerstätten verwendet haben, dass aber auch Blei aus dem südlichen Zentralmassiv und aus Großbritannien dafür importiert wurde. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die systematische Studie der Fraktionierung der Kupferisotope in unterschiedlichen Kupfermineralien und die Frage, welcher Mechanismus die Kupferisotopenfraktionierung in den Erzen und in den Kupferlegierungen steuert. Zu diesem Zweck wurde die Kupferisotopie an hydrothermalen Kupfersulfiden und Karbonaten mittels MC-ICP-MS gemessen. Kupfer- und Bleiisotopenverhältnisse wurden in den koexistierenden Phasen Kupferkies und Malachit, sowie Malachit und Azurit gemessen. Während zwischen Malachit- und Azurit keine Fraktionierung zu beobachten ist, so ist zwischen Kupferkies und Malachit eine Fraktionierung festzustellen, wobei Malachit immer isotopisch schwerer ist. Zhu et al. und Larson et al. zeigten, dass die Isotopenfraktionierung hauptsächlich bei der Erzbildung unter niedrigen Temperaturbedingungen stattfindet und weniger eine Heterogenität der Lagerstätten darstellt . Der Erzbildungsprozess bei niedrigen Temperaturen tritt in Oberflächennähe einer Erzlagerstätte auf. Die oberen Schichten wurden vermutlich in der frühen Bronzezeit abgebaut. Mit diesem Hintergrund wurde die Kupferisotopie an Artefakten aus der frühen Bronzezeit und an römischen Kupferlegierungen gemessen. Die Untersuchungen zeigten, dass keine große Kupferisotopfraktionierung stattfindet. Kupferisotopenverhältnisse wurden auch in Kupferschiefer gemessen. Zwei Profile wurden dafür ausgewählt: 1. Sangerhausen, das nicht direkt durch oxidierende Salzlösungen (Rote Fäule) beeinflusst wurde, und 2. Oberkatz, in dem Rote Fäule- und Struktur-Kontrollierte Mineralisierung vorkommt. Die Ergebnisse der Maturations - Studien organischer Materialien zeigen, dass die maximale Temperatur, die den Kupferschiefer beeinflusste, 130°C nicht überstieg. Delta-65-Cu schwankt zwischen -0.78-+0.58‰ und zeigt eine positive Korrelation mit der Kupferkonzentration. Im Kupferschiefer von Oberkatz schwankt delta-65-Cu zwischen -0.71-+0.68‰ und eine maximale Temperatur von 150°C wurde abgeschätzt. Die gleiche Korrelation ist zwischen der Kupferisotopie und Kupferkonzentration zu beobachten. Bleiisotopenverhältnisse sind sehr stark von der hohen Urankonzentrationen der untersten Schicht beeinflußt und zeigen mehr radiogenes Blei.

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Metadaten
Author:Soodabeh Durali-Müller
URN:urn:nbn:de:hebis:30-25783
Referee:Gerhard Brey
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/04/24
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2006/03/09
Release Date:2006/04/24
Tag:Lead isotope; Roman; copper isotope; mass spectrometry
GND Keyword:Bleiisotop; Kupferisotop; Martberg; Römer; Waldgirmes; Dangstetten; Kupferschiefer
HeBIS-PPN:177565411
Institutes:Geowissenschaften / Geographie / Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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