A microstratigraphic investigation of iron ion migration in some ancient Egyptian wall paintings using PIXE Analysis

Abstract

The painted murals in the tombs at Beni Hasan (circa 2100 B.C.) are obscured by a rock-like grey surface layer. Its formation involves subsurface removal of slightly soluble calcite (CaCO,) under the action of surface-condensed water. To study the mechanism of surface layer formation and the effect of mural cleaning during recent restorations, the PIXE microprobe was used. Iron depth profiles in red-painted samples taken from the murals, both uncleaned and cleaned, have been obtained over depths of 80 km (the cleaned sample) and 100 krn (the uncleaned sample). It has been found that the uncleaned sample has more Fe at all depths than does the cleaned sample and that portions of the uncleaned pigment appear to be pure Fe20,. The shapes of depth profiles of Fe in the cleaned and uncleaned samples are similar to the shapes of diffusion curves; this finding is in agreement with the mechanism of surface layer formation proposed in our earlier papers. Les murales des tombes trouvCes ti Beni Hasan (environ 2100 BC) sont obscurcies par des couches superficielles grises qui ressemblent ti du roc. Leur formation implique l'enltvement, sous la surface, de calcite (CaCO,) partiellement soluble sous l'action d'eau qui se condense ii la surface. Afin dlCtudier le mCcanisme de formation de la couche superficielle ainsi que l'effet du nettoyage de ces peintures effectuC dans le cadre de restaurations rCcentes, on a fait appel ti des microprobes PIXE. On a determink les profils de concentration du fer en fonction de la pofondeur (jusqu'ti 80 pm pour des Cchantillon nettoy6 et jusqu'ti 100 p m pour llCchantillon non-nettoyt) pour des Cchantillons peints en rouge prClevCs sur les murales. On a trouvC que, h toutes les profondeurs, 1'Cchantillon qui n'a pas CtC nettoyt contient plus de fer que celui qui a CtC nettoyC et que des portions du pigment non-nettoy6 semblent etre du Fe20, pur. Les formes des profils des concentrations du Fe en fonction de la profondeur dans les Cchantillons nettoye et non-nettoy6 ressemblent aux formes des courbes de diffusion; ce rCsultat est en accord avec le mecanisme de formation de la couche superficielle qui a CtC proposC dans nos communications antkrieures. Faisant l'hypothtse que la temperature de diffusion a CtC constante au cours des demiers 4 000 ans, on a dCterminC les coefficients de diffusion apparents pour la migration de l'ion Fe dans le substrat qu'est le calcaire peint; DFc(") = ( l r 4 + 0,5) X 10-16 cm2/s pour 1'Cchantillon qui n'a pas Cte nettoy6 et DFe(c) = (0,7 + 0,4) X 10-l6 cm2/s pour 1'Cchantillon qui a 6tC nettoy6 alors que les erreurs sont Cgales ii 95% de l'I.C. bast sur les dCviations standard de la pente de la courbe. Ces coefficients sont en accord avec le mCcanisme d'une migration lente du Fe dans le substrat peint, dans un environnement aride. Les diffkrences observkes pour les valeurs de D, obtenues pour les Cchantillons nettoyCs et non-nettovCs sont attribuCes ti un enlkvement partiel de la couche de neinture dans 1'Cchantillon nettoy6 qui se serait produit au cours de...