Afronding door chemische processen

Chemische stoffen die in de bodem aanwezig zijn, kunnen verschillende

verweringsverschijnselen veroorzaken op vuursteenoppervlakken. De verschijnselen die Stapert waarnam op oude vuurstenen en deels toeschrijft aan chemische processen, onder meer oplossing, zijn patina’s, afronding, putjes en een ruw, poreus en putterig oppervlak (Stapert 1976a: 152). Bij afronding verdwijnt materiaal en het proces tast de ribben, maar vooral de randen meer aan dan de rest van het oppervlak (Stapert 1976b: 14). Aangezien putjes ook ontstaan bij experimentele nabootsing van windabrasie houdt hij de mogelijkheid

open dat putjes bij windlak zowel een mechanische als een chemische oorzaak kunnen hebben (ibid.).6

Purdy en Clark (1987) bespreken in een artikel de resultaten van onderzoek, uit verschillende wetenschapsgebieden, naar de chemische verwering van anorganische

materialen. Daarbij richten zij zich specifiek op glas en keramiek. De eigenschappen van glas en keramiek zouden dusdanige overeenkomsten hebben met obsidiaan en vuursteen dat de resultaten toepasbaar zouden zijn op archeologische vraagstukken (Purdy en Clark 1987: 212).

Volgens Purdy en Clark zijn er twee chemische processen die keramiek en glas verweren: selectieve oplossing en oplossing van de matrix (‘selective leaching’ & ‘matrix dissolution’). Tijdens selectieve oplossing lossen bepaalde ionen of elementen preferentieel op vanuit de buitenste laag van het materiaal. Eventueel kan tijdens dit proces ook infiltratie plaats vinden van protonen en gehydrateerde protonen resulterend in een gehydratereerde laag (ibid.: 215). Witte patina zou een vorm zijn van een verweerde laag ontstaan bij selectieve oplossing (ibid.: 229). Uitgeloogde elementen kunnen een laag vormen op het materiaal. De eigenschappen van selectieve oplossing en oplossing van de matrix zijn samengevat in tabel 2.

Bij het proces dat leidt tot oplossing van de matrix wordt de oppervlaktestructuur afgebroken en alle aanwezige elementen lossen op. Het door dit proces aangetaste materiaal is kleiner dan voorheen (ibid.: 217). Het is hierbij mogelijk dat elementen waarvan de omgeving verzadigd is, neerslaan op het materiaal en een of meerdere lagen vormt (ibid.: 218). Elke laag wordt gevormd door een ander element.

Een gevolg van selectieve oplossing is dat de buitenste laag verzwakt raakt waarna zich haarscheurtjes kunnen vormen. De verzwakte laag verweert sneller (ibid.: 215-217). Oplossing van de matrix kan voorkomen in de vorm van putjes als de oplossing lokaal is (ibid.: 218). Bij meer ernstige of langdurige oplossing kan materiaal volledig glad afronden (ibid.: 223). Volgens Purdy en Clark resulteert oplossing van de matrix ook in een ruw oppervlak (ibid.: 229).

proces pH kenmerken lagen

Selectieve Vooral bij pH Haarscheurtjes, Uitgeloogde

6 Microscopische putjes, die lijken op de putjes van verweerde vuurstenen, ontstonden ook bij experimenten van Levi Sala. Zij schrijft dit toe aan mechanisch proces waarbij ruwe deeltjes worden afgevlakt door het schuren met harde deeltjes (Levi Sala 1986: 241). Microscopische putjes maken soms ook deel uit van gebruiksglans (Unger-Hamilton 1984: 92) en frictieglans (Stapert 1976b: 38).

oplossing <4 afbrokkeling laag, evt. gehydrateerde laag, patina Oplossing van de matrix Vooral bij pH >10 Putjes, afronding, ruw oppervlak Geen laag/ één of meerdere lagen

Tabel 2. Eigenschappen van chemische verwering volgens Purdy & Clark (1987)

De voornaamste verschijnselen van thermische, chemische en tribologische verwering zijn door Burroni et al. samengevat in een tabel. Combinaties van verschijnselen zouden indicatief zijn voor het voornaamste verweringsproces (Burroni et al 2002: 1278). Patina is het enige verschijnsel dat enkel door chemische verwering zou worden veroorzaakt. Putjes kunnen door alle drie genoemde processen zijn veroorzaakt. Afronding en glans zouden het resultaat kunnen zijn van zowel chemische als tribologische processen. Scheurtjes worden in deze tabel enkel door thermische en tribologische processen veroorzaakt, maar volgens Purdy en Clark kunnen scheurtjes ook ontstaan als gevolg van een chemisch proces (Purdy en Clark 1987: 215-217). Burroni et al. noemen oplossing van de matrix eveneens als één van de chemische processen die vuursteen verweren (Burroni et al. 2002: 1281). Het is van belang hier op te merken dat het hier niet gaat om oplossing van de matrix zoals beschreven door Purdy en Clark, maar om selectieve oplossing. Eerst lossen onzuiverheden op waarna hydroxides en andere ionen uitgeloogd worden en water infiltreert.

Selectieve oplossing vindt vooral plaats bij een lage pH waarde (pH <3). Oplossing van de matrix voltrekt zich vooral bij sterk basische omstandigheden (pH >10). Bij een lage pH waarde kan zowel selectieve oplossing als oplossing van de matrix plaatsvinden (Purdy & Clark 1987: 219). Terzijde kan opgemerkt worden dat uit experimenteel onderzoek blijkt dat pH neutraal water ook oplossing van silica kan veroorzaken (Aubry, Dewolf & Muxart in Plisson & Mauger 1988: 14).

De mate van verwering door deze processen zal verschillen per materiaal. Glasachtig materiaal en materiaal met een hoge mate van kristalliniteit zijn minder vatbaar voor

oplossing van de matrix. Dit verschil geldt niet voor selectieve oplossing (Purdy & Clark 1987: 236). Andere factoren van invloed zijn temperatuur, de tijdsduur van blootstelling aan de oplossing en de chemische samenstelling van het materiaal. Stenen met scheurtjes, krassen e.d. zijn gevoeliger voor chemische verwering (Burroni et al. 2002: 1281, 1285).

Vuursteen uit krijtafzettingen is meer resistent tegen verwering dan tertiair vuursteen. Amorf silica en chalcedoon hebben een hogere mate van oplosbaarheid in vergelijking met gewone kwarts (ibid.: 1281). Gebruiksglans op vuursteen uit krijtafzettingen is meer resistent tegen verwering dan tertiair vuursteen (Plisson & Mauger 1988: 9). Volgens Unger-Hamilton ligt dit aan een verschil in structuur tussen tertiair vuursteen en vuursteen uit het Krijt, omdat in beide gevallen de gebruiksglans (hypothetisch) uit amorf silica bestaat (Unger-Hamilton 1984: 97).

Het amorfe silica kan bij gebruik op de werkrand van een vuurstenen werktuig ontstaan. Het ontstaat makkelijker bij hogere temperaturen, extreme pH waarden en bij de aanwezigheid van vocht en opgelost silica. Daarnaast heeft de gebruiksduur, de mate van frictie, abrasie en druk een positief verband met de vorming van amorf silica. Er bestaat een omgekeerd verband tussen de frictie die kan ontstaan bij gebruik en de grootte van de deeltjes van het amorfe silica. Hoe kleiner de deeltjes van het amorfe silica zijn des te meer frictie kan ontstaan (Anderson 1980: 184; Mansur-Franchomme 1983: 229; 1984: 8; Unger-Hamilton 1984: 91). Op chalcedoon ontstaat sneller gebruiksglans (Mansur-Franchomme 1984: 7, 17).

De factoren die positief verband houden met gebruiksafronding zijn in ieder geval grotendeels gelijk aan de factoren die de vorming van amorf silica beïnvloeden.

Gebruiksduur, de aanwezigheid van schurende deeltjes (abrasie) en vocht staan in positief verband met de mate van afronding (Mansur-Franchomme 1983: 226-227; Vaughan 1985: 26). Ook bij gebruiksafronding is grondstof van belang. Fijnkorrelig vuursteen ontwikkelt sneller afronding (Vaughan 1985: 26). Grofkorrelige steensoorten ontwikkelen langzamer karakteristieke gebruikssporen (Lass 1990: 7).

Aan de hierboven genoemde algemene factoren die invloed hebben op

gebruiksafronding kunnen de volgende opmerkingen worden toegevoegd. Wanneer bij gebruik de werkrand splintert, verhindert dit het ontstaan van een ontwikkelde afronding (Vaughan 1985: 26). Schurende afronding (‘abrasive smoothing’) gaat gepaard met krassen (Kamminga 1979: 151). Onder de microscoop heeft het schurend afgeronde oppervlak een bevroren uiterlijk (frosted) (ibid.: 153). De grootte van de schurende deeltjes en de hoekigheid en hardheid van die deeltjes bepalen het effect op het vuursteenoppervlak: de mate van

splintering, krassen en gladde afronding. Gladde afronding wordt bereikt wanneer de ruwheid van het oppervlak verminderd wordt (ibid.).

Afronding door gebruik is volgens Lass vooral het gevolg van wrijving met fijne deeltjes. Chemische processen zouden een ondergeschikte rol spelen (Lass 1988: 33). Omdat gebruiksafronding zich meer ontwikkelt op glasachtig vuursteen en dit vuursteen minder

vatbaar is voor oplossing van de matrix (zoals beschreven door Purdy & Clark 1987) is dit chemische proces niet verantwoordelijk voor gebruiksafronding.

IJzerrijk vuursteen kan onder bepaalde omstandigheden chemisch verweren door zwavelzuur dat door bacteriën wordt geproduceerd (Lowery & Wagner 2012: 693-694). Dit proces is van interesse omdat vuistbijlen secundair ijzer kunnen opnemen via hydratatie (zie De Vries et al. 2012). Dunne delen kunnen meer hydrateren, omdat per volume meer

oppervlak kan reageren (Hammatt 1975: 8). IJzer kan dunne delen zoals vuistbijltoppen en ribben van meerdere richtingen binnendringen. Op deze wijze kan hypothetisch een hogere concentratie in de toppen ontstaan. Het hypothetisch hogere ijzergehalte in de toppen, kan wellicht tot sterkere of meer langdurige afscheiding van zwavelzuur door bacteriën leiden. De verweringsverschijnselen door het zwavelzuur lijken echter niet op de extra afronding van de vuistbijlen. Er ontstaat een erosieve verwering van het oppervlak (vooral bij de randen) en de structuur wordt aangetast tot diep in de steen (Lowery & Wagner 2012: 693-694).