Archaeological Applications of Radiocarbon Chronologies and Statistical Models: Dating the Viking Age Settlement of Iceland (Landnám)

Abstract

This thesis aims to refine the accuracy and precision of radiocarbon (14C) datasets in order to better understand the timing of archaeological and palaeoenvironmental events relating to important issues like mobility, colonisation, human impacts and human responses to climate change. This is vital, because radiocarbon is one of the most important dating methods in prehistoric archaeology and Quaternary science and some 14C determinations can be anomalously older or younger than their stratigraphy suggests. Various ‘chronometric hygiene’ protocols have been developed aiming at enhancing the quality of 14C datasets by removing all potentially problematic 14C samples, but there is no generally accepted routine approach to chronology building utilising large 14C datasets. Existing practices that eliminate up to 95% of 14C dates can mean that so few dates remain in some locations that a robust chronology cannot be established. Despite their foundation in sound theory, without independent tests we cannot know if established protocols are apt, too strict or too lax. This research tackles this problem utilising Bayesian statistical modelling and tephrochronology. The Viking age settlement of Iceland (Old Norse: Landnám) is an ideal laboratory to explore the potentials and the limits of chronometric hygiene and Bayesian statistical modelling because of a remarkable conjuncture of complementary dating methods of the archaeology and palaeoenvironment of first settlement (14C dates, ice core-dated tephrochronology, artefact typology, medieval literary texts and palaeoecology). The timing of Landnám is of major international significance because it represents a key stage in the greater Norse colonisation of the North Atlantic islands that led to the first European contact with North America. In recent years intensive archaeological research on the Viking age has produced significant new dating evidence and offers exciting opportunities to assess colonisation as a process. This thesis presents a first systematic and holistic cross-disciplinary regional study that critically synthesizes the spatio-temporal dynamics of settlement patterns in Viking age Iceland. The countrywide distribution of 19 tephra layers, 513 stratigraphically related 14C dates and diagnostic artefacts at 550 archaeological sites (300 settlements, 140 burial sites and 110 stray finds) are reassessed. The first research objective of this thesis establishes a high-resolution chronology of the Viking age settlement of Iceland that is primarily based on tephra-dated settlements and burials (n = 261). While 85 sites can only be assigned general Viking age dates, less than 1% of the remaining 185 sites are from the pre-Landnám (pre AD 877) period, 48% from the Landnám (AD 877-938/939) and 51% from the post-Landnám (AD 938/939-1104) period. The combination of 335 reliable 14C samples yielded posterior probabilities of cal AD 863-881 (68%) and cal AD 751-893 (95%) for the overall onset of colonisation. Significantly, seasonal anthropogenic activities are dated before AD 877 in the southwest, while large-scale settlement (Landnám) from the coastal to inland zones happened after that date. The data support the hypothesis that Landnám was largely completed in twenty years after the deposition of the Landnám tephra layer of AD 877 ± 1. The second objective establishes a new chronometric evaluation protocol that is based on Bayesian statistical modelling and uses robust constrains provided by medieval literary texts and ice core-dated tephra layers at Icelandic archaeological sites. This protocol promotes the most parsimonious exclusion of data – bulk sediments and samples where sufficient metadata is not published (e.g. material type, isotopes), while a variety of materials – short-lived taxa, wood charcoal with inbuilt ages as well as bone samples affected by marine reservoir offsets – allow robust chronologies to be established. In fact, the higher the density of 14C dates across a ‘Phase’, the higher the precision of posterior probabilities. Significantly, samples usually held to be at risk of inbuilt ages could still provide robust results in a large number of cases if appropriate prior assumptions are used and if the distribution of 14C dates through the ‘Phase’ is uniform. This has critical implications for 14C chronologies in world archaeology, as it means that current approaches may well be hampering investigations unneccessarily, by applying an overly prescriptive, and potentially biased, approach. In fact, this opposes current hypotheses about the robustness of uniformly distributed 14C datasets: Bayesian models are in fact sensitive to the distribution of dates and they will be biased if filtered datasets have certain dates removed, most significantly if the dates are from early contexts. They are also sensitive to any dominant inclusion of biased dates, such as high numbers of charcoal dates. Although short-lived taxa are always more accurate and precise than samples with inbuilt-age, these data can have limited use if we do not assess their stratigraphic relationships, as samples may not directly relate to the event in question. The thesis also introduces a new software program ‘OxCal_parser’ for rigorous data entry when dealing with large datasets in OxCal. The new analytical and methodological approaches developed and tested in Iceland are then effectively extended to the example of East Polynesia, which successfully demonstrates the potential of the approaches developed in other geographical settings, and their relevance in these contrasting locations. The project has resulted in a series of scientific publications, and has created a new common resource of Viking age archaeology in Iceland. This resource will be of significant help in spotting dating errors, simplifying the process of dating, and allowing for a new type of metadata analysis of chronological data. This in turn will open up new avenues of research in interdisciplinary archaeological science and thus contribute to international debate on this core element of archaeological practice.

Markmið þessarar ritgerðar er að bæta nákvæmni og áreiðanleika greininga á söfnum geislakolsaldursgreininga til þess að skilja betur fornleifafræðileg og fornvistfræðileg álitamál á borð við fólksflutninga, landnám, gagnkvæm áhrif manns og umhverfis og viðbrögð samfélaga við loftslagsbreytingum. Þetta skiptir miklu máli því geislakolsgreining er ein mikilvægasta aldursgreiningaraðferðin í forsögulegri fornleifafræði og rannnsóknum á kvartertímabilinu, en hún er þeim annmörkum háð að einstakar geislakolsaldursgreiningar geta verið afbrigðilega gamlar eða ungar miðað við jarðlagasamhengið sem sýnin koma úr. Ýmsar forskriftir að ‘tímatalslegu hreinlæti’ (‘chronometric hygiene’) hafa verið þróaðar sem miða að því bæta heildarnákvæmni safna geislakolsaldursgreininga með því að fjarlægja öll mögulega ónákvæm geislakolssýni, en þó er engin almennt viðurkennd aðferðafræði við að byggja tímatal á stórum söfnum geislakolsaldursgreininga. Nálganir þar sem uppundir 95% allra geislakolsaldursgreininga eru útilokaðar geta leitt til þess að svo fá sýni séu tekin gild á tilteknum stað að ekki sé hægt að leggja fram ábyggilegt tímatal. Þó að slíkar uppskriftir byggi á traustum kennilegum grunni, þá er ekki hægt að meta hvort þær séu hæfilegar, of strangar eða of vægar, nema að grundvalla það á prófum á óháðum gögnum. Þessi rannsókn miðar að því að leysa þetta vandmál með líkanagerð sem styðst við bayesíska tölfræði. Landnám Íslands hentar sérlega vel til að rannsaka kosti og galla ‘tímatalslegs hreinlætis’ og bayesískra líkana, því tímasetning þess byggir á nokkrun aðferðum sem styðja hver aðra (geislakolsaldursgreiningar, gjóskulög, gerðfræði og ritaðar heimildir). Tímasetning landnáms á Íslandi er mikilvæg í alþjóðlegu samhengi því það var einn helsti liðurinn í landkönnun norrænna manna í Norður Atlantshafi sem leiddi til fyrstu tengsla Evrópumanna við Norður Ameríku. Umfangsmiklar fornleifarannsóknir á íslenskum víkingaaldarminjum hafa á undanförnum árum leitt af sér nýja þekkingu á tímasetningu landnámsins og lagt grundvöll að því að rannsaka landnámið sem ferli. Í þessari ritgerð er í fyrsta skipti lagt fram heildstætt þverfaglegt gagnasafn sem gerir kleift að rýna í tímasetningu og dreifingu 550 minjastaða frá víkingaöld á Íslandi (300 bólstaðir, 140 grafreitir og 110 staðir með lausafundum). Tímasetningarnar byggja á 19 gjóskulögum, 513 geislakolsaldursgreiningum úr mannvistarlögum sem hafa samhengi við gjóskulögin, og gripum sem hægt er að aldursgreina með gerðfræðilegum aðferðum. Öðru af tveimur meginrannsóknarmarkmiðum ritgerðarinnar var náð með því að leggja fram tímatal landnámsins sem hefur meiri upplausn en áður hefur þekkst. Það byggir að stærstum hluta á bólstöðum og grafreitum sem eru tímasettir út frá gjóskulögum (n = 261). 85 staði er aðeins hægt að tímasetja almennt til víkingaaldar en færri en 1% af hinum 185 stöðunum eru eldri en landnámsgjóskan frá AD 877, 48% eru frá landnámsöld (AD 877-938/939) og 51% yngri (frá AD 938/939-1104). Samanlögð niðurstaða 335 áreiðanlegra geislakolsaldursgreininga gaf eftirá líkindin að landnám hefði heilt yfir hafist cal AD 863-881 (68%) og cal AD 751-893 (95%). Máli skiptir að mannvist sem er eldri en AD 877 virðist aðeins hafa verið árstíðabundin en samfelld byggð hófst eftir þann tíma. Gögnin styðja þá tilgátu að bygging landsins alls hafi tekið innan við 20 ár eftir að landnámsgjóskan féll árið 877 ± 1. Hitt meginmarkmið ritgerðarinnar styðst við hið heildstæða safn tímasetninga frá Íslandi til að þróa nýja forskrift um fráviksgreiningar sem byggir á ‘tímatalslegu hreinlæti’ og bayesískri tölfræðigreiningu á stóru safni geislakolsaldursgreininga. Forskriftin miðar að því að útiloka eins lítið af nothæfum upplýsingum og mögulegt er. Það eru einkum stór jarðvegssýni og sýni sem hafa verið birt án nauðsynlegra lýsigagna (t.d. efnistegund, samsætur) sem óhjákvæmilegt er að útiloka, en margskonar önnur efni – skammlífar tegundir, viðarkol með uppsöfnuðum aldri jafnt og bein lífvera sem hafa tekið upp uppsafnað kolefni úr sjó – má nota til að byggja traust tímatal. Eftir því sem fleiri geislakolsaldursgreiningar eru innan sama tímabils (‘Phase’) þeim mun betri eru eftirá líkindin. Mikilvæg niðurstaða er að sýni með uppsöfnuðum aldri draga ekki úr nákvæmni útkomunnar úr líkaninu ef viðeigandi fyrirfram forsendur er teknar með í reikninginn og ef dreifing geislakolsaldursgreininganna yfir tímabilið (’Phase’) er jöfn. Þessi niðurstaða er í andstöðu við ríkjandi tilgátur um ábyggileika jafndreifðra geislakolsaldursgreininga: bayesísk líkön eru í raun viðkvæm fyrir dreifingum tímasetninganna og gefa villandi niðurstöður ef síun gagnasafnanna leiðr til þess að tilteknar aldursgreiningar eru útilokaðar, einkum og sérílagi ef þær tímasetningar eru úr eldri samhengjum. Þó að sýni úr skammlífum tegundum gefi alltaf áreiðanlegri og nákvæmari niðurstöðu heldur en sýni með uppsöfnuðum aldri, þá koma þau að takmörkuðu gagni ef samhengi mannvistarlaganna sem þau koma úr er ekki tekið með í reikningin, því sýnin tengjast ekki alltaf beint þeim atburði sem verið er að reyna að tímasetja. Í ritgerðinni er sýnt fram á að þessa aðferðafræðilegu nýjung má nýta með góðum árangri utan Íslands til að varpa ljósi á aðrar grundvallarspurningar í sögu mannsins. Sýnt er fram á alþjóðlegt vægi þessarar forskriftar með því að nýta hana til að endurmeta tímasetningu landnáms á eyjum Austur Pólynesíu. Rannsóknin hefur leitt af sér nokkrar birtar vísindagreinar og búið til nýtt heildstætt gagnasafn um tímasetningu víkingaaldarminjastaða á Íslandi sem er aðgengilegt öllum. Það mun auðvelda samanburð og stytta leiðir í tímasetningum, gagnast til að finna villur og gera kleift að greina heildstæð tímatalsgögn á nýjan hátt. Með þessu opnast leiðir til rannsókna á sviði þverfræðilegra rannsókna í fornleifavísindum sem munu stuðla að alþjóðlegri umræðu um það lykilatriði í hinni fornleifafræðilegu aðferð sem tímasetningar eru.