DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-01604-2
تاريخ النشر: 2025-03-06
المؤلف: Aslı Gökçe Kılıç
الموضوع الرئيسي: علم الآثار البحرية والساحلية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في حالة الأخشاب الأثرية المغمورة بالماء (WAW) والمسامير الحديدية من حطام السفينة ينيكابي 17، باستخدام مجموعة من التقنيات التحليلية لتقييم تدهورها. تم تحليل تسعة عشر عينة من WAW، تتكون أساسًا من أنواع الصنوبر والبلوط، لتحديد الحد الأقصى لمحتوى الماء (MWC)، والكثافة الأساسية (BD)، والكثافة الأساسية النسبية (RBD). أشارت النتائج إلى أن عينات البلوط أظهرت قيم MWC أعلى (تتراوح من 585 إلى 1160) مقارنة بعينات الصنوبر (403 إلى 795)، مع تصنيف كلا النوعين من الخشب كفئة I وفقًا لتصنيف دي يونغ. كشفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن تدهور كيميائي كبير، خاصة غياب السليلوز والهيميسليلوز، بينما أظهرت مكونات اللجنين متانة أكبر. أكدت المجهرية الإلكترونية الماسحة (SEM) التدهور الفيزيائي، بما في ذلك تدمير طبقة S2 وتفكك الأوعية، بما يتماشى مع نتائج MWC.
بالإضافة إلى ذلك، حدد التحليل العنصري عبر مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) تلوثًا من الكالسيوم والحديد والكبريت، من المحتمل أن يكون بسبب البيئة البحرية والمسامير الحديدية المرتبطة بها. قدم تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) للمسامير الحديدية رؤى حول تركيبها الكيميائي، كاشفًا عن وجود الجيوثيت والكالسيت في العينات المتآكلة بشدة. تؤكد الدراسة على التفاعلات المعقدة بين عمليات التدهور البيولوجي والكيميائي، فضلاً عن العوامل البيئية التي تؤثر على حالة WAW والمسامير الحديدية. كما توضح استراتيجية للحفاظ باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG)، موصية باستخدام PEG عالي الوزن الجزيئي للأخشاب المتدهورة بشدة، وتفصيل نهج منهجي لتنظيف ومعالجة المسامير الحديدية المتآكلة قبل الحفظ.
طرق
يعتبر حطام السفينة YK 17، وهو اكتشاف أثري مهم، مثالًا على طريقة بناء هجينة مبتكرة تجمع بين تقنيات القشرة والهيكل، مما يمثل انحرافًا عن طرق التزجيج التقليدية في بناء السفن في البحر الأبيض المتوسط خلال الألفية الأولى الميلادية. هذه السفينة، التي يبلغ طولها 8.20 مترًا وعرضها 2.25 مترًا، فريدة من نوعها لاستخدامها الحصري للمسامير الحديدية في التجميع، حيث تم تأمين جميع الألواح إلى الإطارات وتم تثبيت الأجزاء الجانبية إلى الحافة الثانية باستخدام مثبتات حديدية. من الجدير بالذكر أن YK 17 هي الوحيدة من الحطام التي تم التنقيب عنها في ينيكابي والتي تحتفظ ب ballast، تتكون من 56 حجرًا.
يضع التأريخ بالكربون المشع حطام السفينة ضمن الفترة من 652-870 ميلادية. تشمل مواد البناء بشكل أساسي الصنوبر (Pinus L.)، المستخدمة في تسعة وثلاثين عنصرًا خشبيًا، والبلوط (Quercus L.)، المستخدم في خمسة عناصر. تعكس هذه المجموعة من المواد وتقنيات البناء التقدم التكنولوجي في ممارسات بناء السفن في ذلك الوقت، مما يوفر رؤى قيمة في التاريخ البحري في منطقة البحر الأبيض المتوسط.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن طرق التحليل غير التدميرية لتقييم تدهور الخشب في حطام ينيكابي غير متسقة، خاصة بسبب تأثير الشوائب الهوائية في الألياف السليمة. كشفت التحليلات أن جميع عينات الخشب المصنفة كفئة I وفقًا لتصنيف دي يونغ، حيث أظهر البلوط أعلى سعة وزن متوسطة (MWC) مقارنة بالصنوبر. كانت العلاقة بين MWC وحالة الخشب، المقاسة كثافة الحجم النسبية (RBD)، واضحة، مما يبرز تأثير نوع الخشب على التدهور. من الجدير بالذكر أنه بينما كانت قيم MWC وكثافة الحجم متشابهة لبعض عينات البلوط والصنوبر، كانت قيم RBD مختلفة، مما يبرز الحاجة إلى طرق تصنيف شاملة.
خضعت أربع عشرة عينة من خشب الصنوبر وخمس عينات من خشب البلوط لتحليل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مما كشف عن تدهور كيميائي كبير في عينات الخشب المغمور بالماء (WAW) مقارنة بالخشب الطازج. أظهرت القمم الطيفية الرئيسية المرتبطة بالسليلوز والهيميسليلوز واللجنين تباينات في الشدة، مما يشير إلى التدهور. كما أوضحت المجهرية الإلكترونية الماسحة (SEM) تغييرات فيزيائية، مثل تشوه وانهيار الأوعية، خاصة في عينات الصنوبر. حدد التحليل العنصري باستخدام SEM-EDS وجود الكالسيوم والحديد والكبريت، مما يشير إلى تلوث من البيئة البحرية وتهديدات محتملة للحفظ بسبب تراكم المواد غير العضوية. بالإضافة إلى ذلك، أكد تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) للمسامير الحديدية من حطام السفينة وجود الجيوثيت والكالسيت، مما يوفر رؤى حول عمليات التآكل التي تؤثر على المواد الأثرية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على ضرورة استخدام تقنيات تحليلية متعددة لتقييم حالة الخشب الأثري بشكل فعال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل تسعة عشر عينة من الأخشاب الأثرية المغمورة بالماء (WAW) من حطام السفينة YK 17 لتقييم تدهورها الفيزيائي باستخدام الحد الأقصى لمحتوى الماء (MWC)، والكثافة الأساسية (BD)، والكثافة الأساسية النسبية (RBD) كمؤشرات رئيسية. خضعت العينات لمجموعة من التقنيات التحليلية، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهرية الإلكترونية الماسحة (SEM)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM-EDS)، لتقييم تركيبها الكيميائي وسلامتها الهيكلية. أشارت النتائج إلى أن عينات WAW من البلوط أظهرت قيم MWC أعلى (585 إلى 1160%) مقارنة بعينات الصنوبر (403 إلى 795%)، مع تصنيف كلا النوعين كفئة I وفقًا لتصنيف دي يونغ. من الجدير بالذكر أن الدراسة كشفت عن تدهور كيميائي كبير، يتميز بغياب قمم السليلوز والهيميسليلوز في طيف FTIR، بينما ظلت مكونات اللجنين أكثر مرونة.
أوضحت تحليل SEM تدهورًا فيزيائيًا شديدًا، خاصة في طبقة S2 من الألياف والأوعية، مما يتوافق مع نتائج MWC. بالإضافة إلى ذلك، حدد التحليل العنصري عبر SEM-EDS ملوثات غير عضوية، بما في ذلك الكالسيوم والكبريت من البيئة البحرية، والحديد من المسامير. كما شملت الدراسة تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) للمسامير الحديدية، مما كشف عن وجود الجيوثيت والكالسيت، مؤكدًا بناء السفينة باستخدام المسامير الحديدية. تؤكد الأبحاث على العلاقة المعقدة بين عمليات التدهور البيولوجي والكيميائي، المتأثرة بالعوامل البيئية، وت outlines استراتيجية للحفاظ باستخدام بولي إيثيلين جلايكول (PEG) مصممة وفقًا لمستوى تدهور الخشب، مع زيادة تدريجية في تركيز PEG للحفاظ الفعال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s40494-025-01604-2
Publication Date: 2025-03-06
Author(s): Aslı Gökçe Kılıç
Primary Topic: Maritime and Coastal Archaeology
Overview
This research investigates the condition of waterlogged archaeological woods (WAW) and iron nails from the Yenikapı 17 shipwreck, employing a range of analytical techniques to assess their degradation. Nineteen WAW samples, primarily from pine and oak species, were analyzed for maximum water content (MWC), basic density (BD), and relative basic density (RBD). The findings indicated that oak samples exhibited higher MWC values (ranging from 585 to 1160) compared to pine samples (403 to 795), with both wood types classified as Class I according to De Jong’s Classification. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) revealed significant chemical degradation, particularly the absence of cellulose and hemicellulose, while lignin components showed greater durability. Scanning electron microscopy (SEM) confirmed physical deterioration, including destruction of the S2 layer and disintegration of tracheids, consistent with the MWC results.
Additionally, elemental analysis via SEM-energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) identified contamination from calcium, iron, and sulfur, likely due to the marine environment and associated iron nails. X-ray diffraction (XRD) analysis of the iron nails provided insights into their chemical composition, revealing goethite and calcite in highly corroded samples. The study underscores the complex interactions between biological and chemical degradation processes, as well as environmental factors affecting the condition of the WAW and iron nails. It also outlines a conservation strategy using polyethylene glycol (PEG), recommending high molecular weight PEG for highly degraded wood, and detailing a systematic approach for cleaning and treating the corroded iron nails prior to conservation.
Methods
The YK 17 shipwreck, a significant archaeological find, showcases an innovative hybrid construction method that combines shell and skeleton techniques, marking a departure from traditional planking methods in Mediterranean shipbuilding during the 1st millennium AD. This vessel, measuring 8.20 meters in length and 2.25 meters in width, is unique for its exclusive use of iron nails for assembly, with all planks secured to the frames and futtocks affixed to the second wale using iron fasteners. Notably, YK 17 is the only wreck excavated at Yenikapı that retains its ballast, composed of 56 stones.
Radiocarbon dating places the shipwreck within the period of AD 652-870. The construction materials include predominantly Pinus L. (pine), utilized for thirty-nine wooden elements, and Quercus L. (oak), used for five elements. This combination of materials and construction techniques reflects the technological advancements in shipbuilding practices of the time, providing valuable insights into maritime history in the Mediterranean region.
Results
The results of the study indicate that non-destructive analysis methods for assessing wood degradation in the Yenikapı shipwrecks are inconsistent, particularly due to the influence of air inclusions in intact fibers. The analysis revealed that all wood samples classified as Class I according to De Jong’s Classification, with oak exhibiting the highest mean weight capacity (MWC) compared to pine. The relationship between MWC and the condition of the wood, measured as relative bulk density (RBD), was evident, highlighting the impact of wood species on degradation. Notably, while MWC and bulk density values were similar for certain oak and pine samples, their RBD values differed, emphasizing the need for comprehensive classification methods.
Fourteen pine and five oak wood samples underwent Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis, revealing significant chemical degradation in the waterlogged wood (WAW) samples compared to fresh wood. Key spectral peaks associated with cellulose, hemicellulose, and lignin showed variations in intensity, indicating degradation. Scanning electron microscopy (SEM) further illustrated physical changes, such as distortion and collapse of tracheids, particularly in pine samples. The elemental analysis using SEM-EDS identified the presence of calcium, iron, and sulfur, suggesting contamination from the marine environment and potential threats to conservation due to inorganic accumulation. Additionally, X-ray diffraction (XRD) analysis of iron nails from the shipwreck confirmed the presence of goethite and calcite, providing insights into the corrosion processes affecting the archaeological materials. Overall, the study underscores the necessity of employing multiple analytical techniques to assess the condition of archaeological wood effectively.
Discussion
In this study, nineteen waterlogged archaeological wood (WAW) samples from the YK 17 shipwreck were analyzed to assess their physical degradation using maximum water content (MWC), basic density (BD), and relative basic density (RBD) as key indicators. The samples underwent various analytical techniques, including Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), to evaluate their chemical composition and structural integrity. The findings indicated that oak WAW samples exhibited higher MWC values (585 to 1160%) compared to pine samples (403 to 795%), with both species classified as Class I according to De Jong’s Classification. Notably, the study revealed significant chemical degradation, characterized by the absence of cellulose and hemicellulose peaks in FTIR spectra, while lignin components remained more resilient.
The SEM analysis illustrated severe physical degradation, particularly in the S2 layer of fibers and tracheids, correlating with MWC results. Additionally, elemental analysis via SEM-EDS identified inorganic contaminants, including calcium and sulfur from the marine environment, and iron from the nails. The study also included X-ray diffraction (XRD) analysis of iron nails, revealing the presence of goethite and calcite, confirming the ship’s construction with iron nails. The research underscores the intricate relationship between biological and chemical degradation processes, influenced by environmental factors, and outlines a conservation strategy utilizing polyethylene glycol (PEG) tailored to the degradation level of the wood, with a gradual increase in PEG concentration for effective preservation.