Aplicción de técnicas láser en la conservación y restauración de yacimientos arqueológicos

Resumen

El patrimonio cultural es un recurso frágil y no renovable. Es un deber de la humanidad protegerlo, conservarlo y valorarlo para transmitirlo a las generaciones futuras. Estas acciones son canalizadas a través de las directrices y normas creadas por diferentes organizaciones, como UNESCO, ICOMOS, ICCROM, ECCO, etc. El patrimonio arqueológico está constantemente amenazado por diferentes agentes tanto naturales como antrópicos, como el cambio climático, el vandalismo, los gases contaminantes, etc., que pueden conllevar la aparición de depósitos, pátinas o costras sobre las superficies. Para combatir este deterioro se han desarrollado diferentes técnicas de limpieza que se han ido mejorando y ampliando a lo largo de las últimas décadas. El empleo de herramientas basadas en la tecnología láser ha sido una de las últimas en incorporarse. En la presente tesis doctoral, presentada en formato de compendio de artículos científicos, se realiza la evaluación de diferentes láseres para extraer colonización biológica sobre granito y esquisto, rocas comúnmente encontradas en el patrimonio arqueológico del noroeste peninsular. También se hace uso del láser como técnica espectroscópica para determinar el nivel de limpieza a través de la espectroscopía Raman. Además de muestras tratadas en laboratorio, en esta investigación se incluyó la intervención in situ en dos parques arqueológicos: El Parque Arqueológico de Arte Rupestre Prehistórico del Valle del Côa (Portugal) y el de Siega Verde (España), declarados como elementos del Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO. Como innovación, en esta tesis doctoral se realizó por primera vez la aplicación del láser para limpiar esquisto. Para poder llevar a cabo este proyecto se contó con una intensa colaboración entre el grupo de Nuevos Materiales (FA3) y el de Gestión Segura y Sostenible de Recursos Minerales (GESSMin) de la Universidade de Vigo pertenecientes al Centro de Investigaciones en Tecnologías, Energía y Procesos Industriales (CINTECX). Se emplearon dos equipos láser pulsados: un Nd:YAG y un Er:YAG con diferentes longitudes de onda y duraciones de pulso, para limpiar distintos tipos de colonizaciones biológicas (un biofilm subaéreo -SAB- y una costra liquénica) sobre roca, concretamente granito y esquisto. Se analizó de una manera sistemática la influencia de cada uno de los parámetros láser característicos (es decir, longitud de onda y duración de pulso) en los niveles de limpieza alcanzados, pero también en los daños provocados en los minerales de cada roca. Las limpiezas in situ se realizaron con el objetivo de conocer su durabilidad tras 4 años y poder compararlas con los resultados obtenidos con limpiezas químicas tradicionales. Se realizó una evaluación de cada limpieza con un protocolo multianalítico basado en estereomicroscopía, espectrofotometría del color, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), pirólisis en línea de dos pasos acoplada a la cromatografía de gases de espectrometría de masas (PY-GC/MS) y microscopía electrónica de barrido con sonda de dispersión de energías (SEM-EDS). Además, se utilizó la espectroscopía Raman como técnica analítica basada en la tecnología láser (con una longitud de onda de 785 nm) para evaluar el nivel de limpieza alcanzado. La tesis se ha estructurado en torno a cuatro artículos científicos. En los artículos 1 y 2 se muestran los resultados de la irradiación de muestras de granito del país con distintos láseres para extraer un SAB compuesto por algas verdes filamentosas pertenecientes al género Trebouxia y, con una menor presencia, cianobacterias pertenecientes a los géneros Gleocapsa y Choococcus. En el artículo 1 se empleó el láser Nd:YAG trabajando con la longitud de onda fundamental (1064 nm) y con el segundo (532 nm) y tercer (355 nm) armónicos. A pesar de que se alcanzaron buenos niveles de extracción de la pátina gracias a su homogeneidad en composición y espesor, la gran dificultad se encontró en la naturaleza heterogénea del sustrato granítico, ya que sus componentes minerales se comportaron de manera muy dispar al ser irradiados con el láser, haciendo muy difícil alcanzar una limpieza óptima sin provocar daños en los minerales, principalmente en la biotita, mineral con punto de fusión más bajo (650°C). Se detectó la fusión de la biotita en todas las superficies irradiadas, independientemente de la longitud de onda. Se obtuvieron diferentes tasas de limpieza dependiendo de la longitud de onda utilizada, siendo 532 nm la más eficaz, pero resultó ser la longitud de onda más agresiva, induciendo un mayor cambio en el granito como consecuencia de la extracción de los depósitos craquelados de caolinita y de las segregaciones ricas en Fe, consecuencia del avanzado nivel de meteorización de esta roca. Estos efectos negativos se tradujeron en cambios colorimétricos visibles al ojo humano. En el artículo 2 se emplearon los dos láseres trabajando en el infrarrojo: el Nd:YAG (1064 nm) y el Er:YAG (2940 nm). Los resultados revelaron que el Nd:YAG logró un nivel de limpieza mayor que el Er:YAG ya que el primero extrajo mayor cantidad de SAB y causó daños menos intensos en los minerales. El Er:YAG no extrajo completamente la pátina e indujo una fusión más intensa de los granos de biotita que el Nd:YAG dando lugar a costras amorfas de fusión. Por otro lado, en los artículos 3 y 4 se irradió una costra liquénica sobre esquistos provenientes de los Parques Arqueológicos de Arte Rupestre Prehistórico del Valle del Côa y de Siega Verde. En este caso, al contrario que en los artículos 1 y 2, la dificultad para alcanzar niveles de extracción satisfactorios residió en la heterogeneidad de la costra liquénica (variedad de táxones y espesor de la costra irregular), a pesar de la homogeneidad textural presentada por el esquisto que permitió establecer un umbral de daño estable para este sustrato. Los resultados obtenidos revelaron que, por un lado, ninguno de los láseres logró una extracción completa y, por otro lado, ambos láseres indujeron cambios cromáticos en la roca. Se constató que el Nd:YAG indujo cambios colorimétricos más leves que el Er:YAG, que provocó procesos de fusión de los minerales más intensos como consecuencia de la mayor duración de pulso. En los tres primeros artículos se emplearon muestras irradiadas y evaluadas en laboratorio mientras que en el artículo 4, tras la limpieza en laboratorio con un láser Nd:YAG y dos longitudes de onda (la fundamental -1064 nm- y el cuarto armónico-266 nm-), las muestras se depositaron en sus lugares de origen durante 4 años (2014-2018) para, posteriormente, evaluar in situ la durabilidad de las limpiezas mediante espectrofotometría de color y espectroscopía Raman. Además, con fines comparativos, en estos lugares se realizaron limpiezas in situ con agua destilada y diferentes productos químicos comúnmente empleados por conservadores-restauradores: etanol (50% v/v en agua destilada), cloruro de benzalconio (3% v/v) o Biotin T® (3% v/v). Los resultados obtenidos revelaron que, de las dos longitudes de onda utilizadas, 1064 nm obtuvo una mayor tasa de eliminación de los líquenes en ambos sitios. También se constató que los químicos y el agua destilada lograron resultados satisfactorios, en general mejores que las limpiezas con láser. Se comprobó que la eficacia de la limpieza, así como su durabilidad estuvieron muy influenciadas por la orientación de los planos de esquistosidad de la roca. En cuanto a la durabilidad de las limpiezas, se observó que la recolonización, después de cuatro años, fue menor en el caso de las limpiezas llevadas a cabo con los químicos que en las realizadas con el láser (independientemente de la longitud de onda). Por último, de los químicos empleados, se observó que las limpiezas realizadas con el cloruro de benzalconio o el Biotin T® fueron las más duraderas.