Study of the chromatic changes of the ancient pigments in some wall paintings in Egypt and the procedures of conservation

Abstract

Pigments, painted fragments and some degradation products were collected from some Pharaonic, Ptolemaic and Roman age wall paintings in Egypt. Samples were investigated using different analytical techniques widely used in the field of cultural heritage based on microscopic, elemental, mineralogical, molecular analysis (SEM-EDS, μ-XRF, PXRD, μ-Raman & FT-IR spectroscopy) and the colorimetric measurements. The results revealed the characterization of the chromatic palette and the chromatic alterations of wall paintings in some sites in Egypt. The blue pigments were identified as Egyptian blue (cuprorivaite), while azurite was detected in sample from the Roman over-paintings at Luxor temple probably used for retouching purpose. The green pigments were characterized as Egyptian green (Cu-wollastonite), while atacamite was detected in sample from the temple of Ramesses II at Abydos. Green earth (specifically of celadonite), in addition to modern green paints of chromium oxides (viridian) were also detected in the Roman over-paintings of Luxor temple. The red pigments were obtained from iron oxides of hematite, while the yellow pigments were obtained from goethite; also, a blended layer of goethite and orpiment was detected in sample from the excavations of Cairo University at Saqqara area. Jarosite was detected in the tomb of Nakht-Djehuty (TT189), western Luxor, probably a result of the chemical decomposition of an iron-rich glass. Different proteinaceous binders (probably animal glue and lipids such as egg yolk) were used in the studied wall paintings in addition to secco and buon fresco techniques. The study focused on the consequences of the environmental impacts on color change phenomenon. Different weathering forms were recorded such as fading, darkening, crusts and color transformations. The analysis of some weathering crusts showed that salts of sodium chloride and different phases of sulphates are the main dominant salts. The reaction between iron-based pigments with the degradation products represents new degradation products of iron hydrogen sulfate hydrate. Results indicated the detection of calcium oxalate probably derived from biodegradation processes. Moreover, the presence of acrylic dispersions of polyvinyl acetate used in old restorations of the wall paintings. Disordered hematite was detected in weathered red pigment from the festival temple of Tuthmosis III, Karnak temples complex, probably resulted from the combination of several deterioration processes. The identification of the Egyptian blue degradation was performed in laboratory using dilute solution of sodium chloride. Also, artificial models were prepared and subjected to natural ageing for 40 months in open-exposure site in Upper Egypt. Samples were studied using optical investigation, colorimetric and spectroscopic methods. Finally, the study refers to the procedures of conservation to reduce the occurrence of color changes in the ancient pigments and the evaluation of some protective polymers to be applied for that purpose

Δείγματα από χρώματα επίστρωσης, ζωγραφισμένα θραύσματα και μερικά προϊόντα διάβρωσης συλλέχθηκαν από ορισμένες τοιχογραφίες στην Αίγυπτο της περίοδο των Φαραώ, των Πτολεμαίων και των Ρωμαίων. Τα δείγματα μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας διάφορες αναλυτικές τεχνικές οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα της πολιτιστικής κληρονομιάς βασισμένες στη μικροσκοπία, τη στοιχειακή ανάλυση, την ορυκτολογική ανάλυση όπως SEM-EDS, μ-XRF, PXRD, μ-Raman & φασματοσκοπία FTIR, καθώς και χρωματομετρικές μετρήσεις. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν το χαρακτηρισμό της χρωματικής παλέτας και των χρωματικών αλλαγών των τοιχογραφιών σε ορισμένες τοποθεσίες στην Αίγυπτο. Τα μπλε χρώματα επίστρωσης ταυτοποιήθηκαν ως αιγυπτιακό μπλε (cuprorivaite), ενώ ο αζουρίτης (azurite) ανιχνεύθηκε σε δείγμα ρωμαϊκών επιζωγραφίσεων στο Ναό του Luxor και πιθανότατα χρησιμοποιήθηκε για την επανόρθωσης της τοιχογραφίας. Τα πράσινα χρώματα επίστρωσης χαρακτηρίζονταν ως αιγυπτιακό πράσινο (Cu-wollastonite), ενώ ανιχνεύθηκε ατακαμίτης στο δείγμα από το Ναό του Ramesses II στην Abydos, το γήινο πράσινο [ειδικά του σελατονίτη (celadonite)], επιπροσθέτως στα μοντέρνα πράσινα χρώματα που χρησιμοποιήθηκαν στις αποκαταστάσεις βρέθηκαν οξείδια του χρωμίου (viridian), επίσης αυτά ανιχνεύτηκαν σε ρωμαϊκές επιζωγραφίσεις στο Ναό του Luxor. Τα κόκκινα χρώματα επίστρωσης αποδίδονται στα οξείδια του σιδήρου όπως αιματίτης, ενώ το κίτρινο χρώμα επίστρωσης αποτελείται από γκετίτη, και επίσης μια ανάμεικτη στοιβάδα από γκετίτη και κίτρινη σανδαράχη (As2S3) ανιχνεύθηκε σε δείγμα από τις ανασκαφές του Πανεπιστημίου του Καΐρου, στην περιοχή Saqqara. Ιαροσίτης [KFe3+3(SO4)2(OH)6] ανιχνεύθηκε στον τάφο του Nakht-Djehuty (TT189), Δυτικό Luxor, πιθανώς αποτέλεσμα της χημικής διάβρωσης γυαλιού πλούσιο σε σίδηρο. Διάφορα πρωτεϊνούχα συνδετικά (πιθανώς ζωική κόλλα και λιπίδια όπως κρόκος αυγού) χρησιμοποιήθηκαν στις τοιχογραφίες που μελετήθηκαν καθώς και στις τεχνικές τοιχογραφίας secco και buon fresco. Η μελέτη επικεντρώθηκε επίσης στις επιπτώσεις των περιβαλλοντικών παραμέτρων στο φαινόμενο «αλλαγή χρώματος». Οι διάφορες μορφές των αλλοιώσεων είχαν καταγραφεί συμπεριλαμβανομένων του ξεθωριάσματος, της μαύρης κρούστας και των χρωματικών μεταβολών. Η ανάλυση ορισμένων από τις κρούστες έδειξε την παρουσία αλάτων όπως χλωριούχου νατρίου και διάφορες φάσεις θειικών τα οποία αποτελούν και τα κύρια άλατα σε σχεδόν μόνιμη παρουσία. Η αντίδραση μεταξύ των χρωμάτων επίστρωσης με βάση το σίδηρο με τα προϊόντα της αλλοίωσης αντιπροσωπεύει ένα νέο προϊόν αποικοδόμησης από ένυδρο θειικό σίδηρο. Τα αποτελέσματα έδειξαν την παρουσία του οξαλικού ασβεστίου παραγόμενο από τη διαδικασία βιοδιάσπασης, επίσης, αποδείχθηκε η διάσπαρτη παρουσία ακρυλικού οξικού πολυβινυλίου που χρησιμοποιήθηκε σε παλαιότερες αποκαταστάσεις τοιχογραφιών που δεν είναι καταγεγραμμένες. Τυχαία προσανοτολισμένος αιματίτης (disordered hematite) ανιχνεύθηκε σε αλλοιωμένο ερυθρό χρώμα επίστρωσης στο μέρος του Ναού γνωστού ως “Festival Temple” στο σύμπλεγμα του Ναού του Tuthmosis III, Karnak, η παρουσία του μπορεί να είναι αποτέλεσμα των διαφόρων διεργασιών αλλοίωσης. Η ταυτοποίηση του διαβρωμένου αιγυπτιακού μπλε πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο με τη χρήση αραιού διαλύματος χλωριούχου νατρίου. Επίσης, δοκιμάστηκαν διάφορα τεχνητά μοντέλα με τη φυσική γήρανση για 40 μήνες σε ανοιχτή έκθεση στην Άνω Αίγυπτο. Τα δείγματα μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας οπτικές έρευνες και φασματοσκοπικές μεθόδους. Τέλος, η μελέτη αναφέρει τις διαδικασίες συντήρησης στη μείωση της εμφάνισης των αλλαγών του χρώματος στα αρχαία χρώματα επίστρωσης και την αξιολόγηση ορισμένων προστατευτικών πολυμερών που πρέπει να εφαρμόζονται για το σκοπό αυτό