Development of a Luminescence protocol for the dating of historical mortars [Sviluppo di un protocollo di Luminescenza per la datazione delle malte storiche]

This thesis examines one of the main limitations affecting luminescence dating of historical mortars, namely the incomplete bleaching of the geogenic quartz signal during mortar preparation. Such partial resetting may lead to significant age overestimations and constrains the reliability of quartz based Optically Stimulated Luminescence (OSL). To overcome this limitation, the research investigates the carbonate fraction naturally formed during lime mortar carbonation as a potential complementary dosimeter, with the aim of broadening the methodological framework available for the absolute dating of ancient masonry. The study was structured into two main phases. The first phase focused on controlled laboratory analyses of quartz, calcite, and their mixtures, examined both as individual mineral fractions and as combined samples designed to act as simplified analogue of mortar matrix. Thermoluminescence (TL) glow-curve deconvolution was employed to identify mineral-specific components and to assess their kinetic parameters and dosimetric behaviour. The results indicated that quartz and calcite retain their characteristic kinetic properties even when mixed, making it possible to separate the luminescence contributions of the two minerals through deconvolution and to derive an equivalent dose estimate. The second phase applied this methodological approach to archaeological mortars collected from the Roman bath complex of the Terme della Rotonda in Catania, which preserves construction phases dated between the 1st and the 7th century AD. The coarse quartz fraction (200–250 µm) was dated using Single-Grain Optically Stimulated Luminescence (SG-OSL), adopted as the reference method for establishing the equivalent dose. In parallel, TL measurements on unprepared mortar powders were analysed through multi-peak deconvolution, which was used to isolate carbonate-related TL components and derive independent Equivalent Dose (De) estimates. A consistent agreement was observed between SG-OSL and TL-derived chronologies, indicating that both quartz and carbonate behave as reliable dosimetric systems within the analysed mortars. Overall, the research suggests that the combined analysis of quartz and carbonate luminescence signals may offer a promising framework for improving the absolute dating of historical mortars. The integration of SG-OSL with TL deconvolution applied to unprepared materials appears to provide a complementary approach that can help address some of the limitations associated with quartz bleaching and may broaden the applicability of luminescence techniques to complex archaeological materials.

La presente tesi affronta una delle principali limitazioni associate alla datazione per luminescenza delle malte storiche, ovvero l’incompleto azzeramento del segnale geogenico del quarzo durante la preparazione della malta. Tale azzeramento parziale può determinare significative sovrastime dell’età e ridurre l’affidabilità della Optically Stimulated Luminescence (OSL) applicata al quarzo come cronometro universale per i materiali da costruzione. Per superare questa limitazione, il lavoro indaga il potenziale del carbonato, formato naturalmente nel corso della carbonatazione della calce, come dosimetro complementare, con l’obiettivo di ampliare il quadro metodologico disponibile per la datazione assoluta delle strutture storiche. Lo studio è stato articolato in due fasi principali. La prima fase ha riguardato analisi di laboratorio condotte su quarzo, calcite e una loro miscela, esaminati sia come frazioni minerali individuali, sia come campioni combinati progettati per rappresentare un analogo semplificato della matrice delle malte. La deconvoluzione delle curve di termoluminescenza (TL) è stata utilizzata per identificare le componenti specifiche di ciascun minerale e valutare i relativi parametri cinetici e il comportamento dosimetrico. I risultati hanno mostrato che quarzo e calcite mantengono le proprie caratteristiche cinetiche anche quando mescolati, rendendo possibile separare i contributi di luminescenza dei due minerali tramite deconvoluzione e per ricavare una stima della dose equivalente. La seconda fase ha applicato questo approccio metodologico a malte archeologiche provenienti dal complesso termale romano delle Terme della Rotonda a Catania, che conserva fasi costruttive comprese tra il I e il VII secolo d.C. La frazione di quarzo grossolano (200–250 µm) è stata datata mediante Single-Grain Optically Stimulated Luminescence (SG-OSL), adottata come metodo di riferimento per la determinazione della dose equivalente. In parallelo, misure di TL su polveri di malta non preparate sono state analizzate mediante deconvoluzione multi-picco, allo scopo di isolare le componenti TL associate al carbonato e ricavare stime indipendenti della dose equivalente (De). Una concordanza coerente è stata osservata tra le cronologie ottenute con SG-OSL e quelle derivate da TL, indicando che quarzo e carbonato si comportano come sistemi dosimetrici affidabili nelle malte analizzate. Nel complesso, la ricerca suggerisce che l’analisi combinata dei segnali di luminescenza del quarzo e del carbonato possa offrire un quadro promettente per migliorare la datazione assoluta delle malte storiche. L’integrazione tra SG-OSL e deconvoluzione TL su materiali non preparati rappresenta un approccio complementare che può contribuire a mitigare le limitazioni legate all’azzeramento incompleto del quarzo e ampliare l’applicabilità delle tecniche di luminescenza a materiali archeologici complessi.