The alloying technology of copper-based votive artefacts from the sanctuaries of Tegea, Arcadia, Greece, 9th-7th c. BCE

Abstract

This doctoral thesis presents an archaeometric investigation of 247 copper-based votive artefacts from four sanctuaries in Tegea, Arcadia, Greece. Focusing primarily on objects dating roughly to the Geometric and early Archaic periods (9th – 7th centuries BCE), the study examines alloying technology in relation to ritual practice, economic exchange, and sociopolitical dynamics. The corpus derives from Athena Alea (AL: 100 artefacts), Demeter and Kore Karpophoroi at Agios Sostis (ST: 82), Artemis Knakeatis at Mavriki (MV: 32), and Athena Soteira and Poseidon at Vigla (VG: 33). The compositional analysis focused on copper, tin, lead, and selected trace elements, aiming to identify alloying practices, temporal variations, object-specific choices, and intra-regional diversity– factors that point to distinct raw material sources and the possible operation of specialised workshops. A multi-analytical methodology was employed, combining stereomicroscopy, micro-XRF, and SEM-EDS, the last two of which were supported by micro-invasive protocols and validated through certified reference materials. Techniques such as the GSn factor were further developed to mitigate the inherent challenges posed by corrosion and heterogeneity in ancient metals. The analytical results confirm that 89 % of the assemblage consists of copper–tin alloys (binary bronzes), with a mean tin content of 8 wt.% and concentrations reaching up to 20 wt.%. This distribution suggests intentional tin addition, reflecting an advanced understanding of metallurgical practice in which the element was employed to enhance both the mechanical strength and aesthetic qualities of the artefacts, imparting a most probably desirable golden hue that may have imitated precious metals. Distinct regional patterns are also observed: sanctuaries associated with monumental constructions (AL, VG) exhibit higher tin concentrations (mean 9–10 wt.%), while ST and MV present lower averages (around 6 wt.%). Lead occurs mainly as a trace impurity, with only a small subset (2 %) of artefacts comprise leaded bronzes (mean 10 wt.% Pb), likely representing deliberate additions to improve castability in complex forms. Pins, the most numerous artefact category, display notably homogeneous compositions, suggesting standardised production, possibly undertaken within the sanctuary of Athena Alea. To interpret the high-dimensional compositional dataset, advanced clustering techniques were applied, combining t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) with K-Meansclustering. The analysis identified five distinct compositional groups, supporting hypotheses of decentralised production and multiple ore sources. Overall, the findings reveal systematicalloying strategies, organised workshop practices, and dependence on long-distance tin supply, highlighting Tegea as an important regional centre where metallurgy was closely intertwined with ritual practice and the construction of social and religious identity.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει την αρχαιομετρική διερεύνηση 247 χάλκινων αναθηματικών αντικειμένων από τέσσερα ιερά της Τεγέας, στην Αρκαδία. Εστιάζοντας κυρίως στη Γεωμετρική περίοδο και την πρώιμη φάση της Αρχαϊκής (περ. 9ο ως 7ο αι. π.Χ.), η μελέτη εξετάζει την τεχνολογία των κραμάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των αναθημάτων, σε συνάρτηση με τις λατρευτικές πρακτικές, τις οικονομικές συναλλαγές και τις κοινωνικοπολιτικές δυναμικές της περιοχής. Το υλικό προέρχεται από τα ιερά της Αλέας Αθηνάς (AL: 100 αντικείμενα), της Δήμητρας και Κόρης Καρποφόρων στον Άγιο Σώστη (ST: 82), της Αρτέμιδος Κνακεάτιδας στο Μαυρίκι (MV: 32) και της Αθηνάς Σώτειρας και Ποσειδώνα στη Βίγλα (VG: 33). Η ανάλυση της χημικής σύστασης επικεντρώθηκε στις περιεκτικότητες σε χαλκό, κασσίτερο, μόλυβδο και επιλεγμένα ιχνοστοιχεία, με σκοπό την ανίχνευση πρακτικών κραμάτωσης, χρονικών μεταβολών, τεχνολογικών επιλογών ανά κατηγορία αντικειμένου και ενδοπεριφερειακής διαφοροποίησης. Τα δεδομένα αυτά συμβάλλουν στην αναγνώριση διαφορετικών πηγών προέλευσης των πρώτων υλών και πιθανών κέντρων εξειδικευμένης μεταλλουργικής παραγωγής. Η πολυαναλυτική μεθοδολογία που εφαρμόστηκε συνδύασε τη στερεομικροσκοπία, το micro-XRF και το SEM-EDS, με την εφαρμογή μικροεπεμβατικών πρωτοκόλλων και την επικύρωση τους μέσω πιστοποιημένων πρότυπων υλικών. Επιπλέον, αξιοποιήθηκε ο παράγων GSn, ο οποίος αναπτύχθηκε με σκοπό να μετριάσει τις εγγενείς προκλήσεις που επιφέρουν η διάβρωση και η ετερογένεια στα αρχαία μέταλλα. Τα αποτελέσματα της χημικής ανάλυσης καταδεικνύουν ότι το 89 % του συνόλου αποτελείται από κράματα χαλκού–κασσίτερου (δυαδικοί μπρούντζοι), με μέση περιεκτικότητα 8 κ.β.% κασσίτερου και μέγιστες τιμές που φθάνουν έως 20 κ.β.%. Η κατανομή αυτή υποδηλώνει σκόπιμη προσθήκη κασσίτερου και μαρτυρεί ουσιαστική κατανόηση της μεταλλουργικής τεχνολογίας. Ο κασσίτερος χρησιμοποιήθηκε πιθανότατα τόσο για τη βελτίωση της μηχανικής αντοχής, όσο και για την ενίσχυση των αισθητικών ιδιοτήτων των κραμάτων, προσδίδοντάς τους χρυσοκίτρινη απόχρωση – ίσως προς μίμηση πολύτιμων μετάλλων. Παρατηρήθηκαν, επίσης, περιφερειακές διαφοροποιήσεις: τα ιερά που συνδέονται με μνημειακές κατασκευές (AL, VG) παρουσίασαν υψηλότερες συγκεντρώσεις κασσίτερου (μ.ο. 9–10 κ.β.%), ενώ τα ST και MV χαμηλότερες (περίπου 6 κ.β.%). Ο μόλυβδος εντοπίζεται κυρίως σε ίχνη, με εξαίρεση ένα μικρό ποσοστό (2 %) αντικειμένων από μολυβδούχο χαλκό, γεγονός που πιθανότατα αντανακλά τη σκόπιμη προσθήκη του με στόχο τη βελτίωση της χυτευσιμότητας κατά την κατασκευή αντικειμένων σύνθετης μορφής. Οι περόνες, η πολυπληθέστερη κατηγορία, εμφανίζουν ομοιογενή σύσταση, γεγονός που υποδηλώνει τυποποιημένη παραγωγή, πιθανώς εντός του ίδιου του ιερού της Αθηνάς Αλέας. Η στατιστική επεξεργασία των δεδομένων, μέσω της τεχνικής μείωσης διαστάσεων t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) και του αλγορίθμου ομαδοποίησης K-Means, ανέδειξε πέντε διακριτές ομάδες, ενισχύοντας την υπόθεση αποκεντρωμένης παραγωγής και ύπαρξης πολλαπλών πηγών μεταλλευμάτων. Συνολικά, τα ευρήματα καταδεικνύουν συστηματικές επιλογές στην κραματοποίηση, οργανωμένες εργαστηριακές πρακτικές και εξάρτηση από εκτεταμένα δίκτυα προμήθειας κασσίτερου. Η Τεγέα αναδεικνύεται, συνεπώς, σε σημαντικό περιφερειακό κέντρο, όπου οι μεταλλουργικές πρακτικές συνδέονταν στενά με τη θρησκευτική δραστηριότητα και τη διαμόρφωση της κοινωνικής και λατρευτικής ταυτότητας.