Burned bones vs unburned bones: a pilot study about the impact of differential post-depositional taphonomy on bioanthropological research

Abstract

Archaeological and forensic contexts very often include skeletal remains that can result from accidental exposure to fire, mortuary practices, mass disasters or foul play. These burning events induce several changes on the morphology, dimensions and mass of skeletal remains which add to other changes that occur during burial such as surface and chemical alterations. These alterations may interfere with the reliability of bioanthropological methods based on metrics, mass, bioapatite crystallinity, C/P and CO3-2/P ratios. Thus it is very important to understand how post-depositional taphonomic processes affect burned bones and teeth over time. Skeletal remains, both unburned and burned, were experimentally buried under controlled conditions to investigate this issue. This research is designed to last 10 years but the first 8 months were the focus of this Master’s project. Unburned remains were used as a reference for comparison with the burned remains. The study sample was composed of 96 samples, 64 skeletal remains (32 cortical bones and 32 trabecular bones) and 32 teeth (third molars). Sixteen bones and 8 teeth remained unburned while the other 48 bones and 24 teeth were experimentally burned at three different temperatures (500o C, 900o C and 1050o C). The skeletal remains belonged to three un-reclaimed skeletons of unknown identity from the Capuchos Cemetery, in Santarém (Ferreira et al., 2014) while teeth were provided by different dental clinics and extracted from adult women, and were shallowly buried in containers with acidic soil and placed on the outdoors. Metrics, mass, bioapatite crystallinity and C/P and CO3-2/P ratios of 24 samples were documented before burial and during regular intervals (2 months) for the past 8 months. Another 24 samples were buried for 6 months and subjected to the same analyses. So far, the investigation found some differences in post-depositional behaviour between unburned and burned bones. Generally, the former tended to increase more in mass during the first two months, especially for unburned trabecular bones and for both trabecular and cortical bones burned at 500 oC. The remaining samples experienced less but still important mass increase. However, after eight months bone’s mass decreased slightly for all samples of both trabecular and cortical bones. Metrically, no substantial changes were found for most of both burned and unburned specimens but episodic cases of large variations were recorded. Finally, the crystallinity revealed some stability for trabecular and cortical bones and teeth, both unburned and burned at 500o C, contrary to trabecular and cortical bones and teeth burned at higher temperatures in which crystallinity index values are more unstable and higher. Both C/P and CO3-2/P remained quite stable during all observations. Our preliminary results suggest that, when dealing with buried remains: (i) caution is needed when using skeletal mass as a basis for bioanthropological inferences (it is often used as an indicator of skeletal completeness and minimum number of individuals); (ii) osteometric examination is apparently not impaired but more research is needed to explain outlier cases; (iii) the infrared spectroscopic estimation of temperature at which remains have been subjected appears to be affected mainly above 500o C. Expectantly, the subsequent investigation that will last until 2025 will help consolidating these first results and better determine how burial can affect bioanthropological methods.

Contextos arqueológicos e forenses incluem muitas vezes restos de esqueletos que podem resultar de uma exposição acidental ao fogo, práticas mortuárias, desastres em massa ou tentativa de omissão de cadáver. O processo de queima pode provocar várias alterações na morfologia, dimensão e massa dos restos humanos, que se acrescem às outras mudanças que ocorrem durante o enterramento, tais como alterações ao nível da superfície do osso ou alterações químicas. Estas alterações podem interferir com a fiabilidade dos métodos bioantropológicos, com base nos métodos osteométricos, na massa, na cristalinidade, e razões de C/P e CO3-2/P. Assim, é muito importante entender como os processos tafonómicos pós-deposicionais afetam os ossos e os dentes queimados ao longo do tempo. Os restos esqueléticos, quer não-queimados como queimados, foram experimentalmente enterrados sob condições controladas para investigar esta questão. Esta pesquisa está projetada para durar 10 anos, mas os primeiros 8 meses foram o foco do projeto desta tese. Os restos não-queimados foram usados como referência para comparação com os restos queimados. A amostra foi composta por 96 restos esqueléticos, 64 fragmentos ósseos (32 osso cortical e 32 ossos trabeculares) e 32 dentes (terceiros molares). Dezesseis ossos e 8 dentes permaneceram não-queimados, enquanto os outros 48 ossos e 24 dentes foram experimentalmente queimados a diferentes temperaturas (500 °C, 900 ºC e 1050 ºC). Os restos esqueléticos pertenciam a três esqueletos não reclamados e de identidade desconhecida do Cemitério dos Capuchos, em Santarém (Ferreira et al., 2014), enquanto os dentes foram fornecidos por diferentes clínicas dentárias e extraídos de mulheres adultas. Estes foram superficialmente enterrados em recipientes com solo ácido e colocados ao ar livre. Foram registadas as medidas, a massa, a cristalinidade e as razões de C/P e CO3-2/P de 24 amostras antes do enterro e durante intervalos regulares (2 meses) para os últimos 8 meses. Outras 24 amostras foram enterradas durante 6 meses e submetidas às mesmas análises. Até agora, com este estudo foi possível verificar algumas diferenças no comportamento pós-deposicional entre os ossos não-queimados e queimados. De um modo geral, as primeiras amostras a serem exumadas tenderam a aumentar mais em massadurante os dois primeiros meses, especialmente para os ossos trabeculares não-queimados e para os ossos trabeculares e corticais queimados a 500 ºC. As amostras restantes sofreram menos variações, mas ainda assim registou-se um importante aumento de massa. No entanto, após oito meses a massa óssea diminuiu ligeiramente em todas as amostras de ambos os ossos trabeculares e corticais. Quanto às medições efectuadas, não foram verificadas variações substanciais para a maioria das amostras, tanto queimadas como não-queimadas, no entanto foram registados casos esporádicos de grandes variações. Finalmente, a cristalinidade revelou alguma estabilidade para os ossos trabeculares e corticais e dentes, ambos não-queimados e queimados a 500 °C, contrariamente aos correspondentes queimados a elevadas temperaturas, em que os valores do índice de cristalinidade são mais instáveis e mais elevados. Ambas as razões C/P e CO3-2/P se mantiveram bastante estáveis durante todas as observações. Os resultados preliminares sugerem que, ao lidar com restos esqueléticos enterrados: (i) é necessário algum cuidado ao utilizar a massa esquelética como referência em inferências bioantropológicas (muitas vezes é usado como um indicador da integridade do esqueleto e para determinação do número mínimo de indivíduos); (ii) aparentemente a análise osteométrica não é prejudicada, mas mais estudos são necessários para explicar os casos de valores atípicos; (iii) a estimativa da temperatura a que os restos esqueléticos foram submetidos através de espetroscopia de infravermelhos parece ser afetada principalmente a temperaturas acima de 500 °C. Espera-se que investigações futuras, que durarão até 2025, venham ajudar a consolidar estes primeiros resultados e a determinar melhor como é que os enterramentos podem afetar os métodos bioantropológicos.