Non-invasive methods for the study of wall decorations in art history and archaelogy Metodi non invasivi per lo studio degli apparati decorativi di interesse archeologico e storico-artistico

Wall paintings and mosaics, especially those of archaeological and art historical interest, represent a complex object of study. They are characterized by the presence of a highly valuable decorated surface and several underlying preparation layers, acting as interface to the structural support. The presence of hidden defects within this structure can be related to the ageing and deterioration of materials, inhomogeneities can be the result of past restoration interventions on the ancient artwork. This thesis project introduces a combined in-situ non-invasive approach to characterize ancient wall decorations and their underlying support in art historical and archaeological field. For this purpose, experimental in-situ and laboratory tests are aimed to evaluate the applicability, potentialities and limitations of the combination of four portable electromagnetic methods: - Multispectral imaging (MI), using a modified camera with visible, infrared and ultraviolet filters (300-1000 nm), applied to analysis of the decoration layer; - Holographic subsurface radar (HSR), with 6.4-6.8 GHz antenna), applied to analysis of the shallow subsurface layers; - Infrared thermography (IRT), applied to analysis of the subsurface structure; - High resolution ground penetrating radar (GPR), with a full polar 2 GHz antenna for the investigation of the internal structure of the wall. Operating with different frequencies and related different penetration depth and resolution, these techniques can provide complementary information regarding the surface (i.e. materials, pigments, degradation phenomena, restorations etc.) and its underlying layers (i.e. structural integrity, differences in materials, presence of humidity, detachments, cracks etc.). The in-situ tests were performed on some representative case studies in Italy and Greece, which date to different periods and are characterized by different site conditions and conservation state of the analyzed decorations. The in-situ experimental approach, proposed in the thesis, was integrated by laboratory tests, using additional non-invasive methods: Digital Holographic Speckle Pattern Interferometry and Stimulated Infrared Thermography (DHSPI-SIRT). The experimental approach has shown that the applicability of in-situ methods is strongly conditioned by the intrinsic characteristics of decorated surfaces (high value, geometry, degradation state), to which the use of non-invasive contact methods (GPR and HSR) is limited. The in-situ results are strongly influenced by logistics and acquisition conditions. The key contribution of this thesis is evaluation of advantages and limitations of the tested in-situ non-invasive investigation approach for the diagnostics of ancient wall paintings and mosaics. This experimental research has shown that portability, remote access, immediate visualization and interpretation of data are crucial in the development of general guidelines (non-invasive investigation protocol) for the diagnostics of wall paintings and mosaics. These characteristics are essential for efficient interdisciplinary collaboration between scientists, art historians, archaeologists, conservators and curators, aimed at correct monitoring and conservation planning of wall paintings and mosaics.

Pitture e mosaici parietali, soprattutto quelli di interesse storico-artistico e archeologico, rappresentano un oggetto di studio complesso. Oltre alla struttura fisica, generalmente costituita da una superficie esterna decorata e preziosa e dai diversi strati di preparazione che fungono da interfaccia con il supporto strutturale e che caratterizzano tutti i tipi di decorazioni parietali senza distinzione di tipologia e di epoca di realizzazione, si deve infatti tener conto anche della componente molto importante legata alla storia e alla vetustà  del manufatto. Questo comporta la possibilità  che ci siano presenti anomalie legate al degrado dei materiali e dei supporti e disomogeneità  legate ai restauri che possono aver interessato l'opera nel tempo. La possibilità di ottenere informazioni preliminari in modo non invasivo su tutti gli strati e sulle eventuali anomalie ivi presenti, costituisce pertanto un punto chiave nella diagnostica in-situ delle decorazioni parietali soprattutto per quelle di interesse storico-artistico o archeologico. Il presente progetto di ricerca, attraverso un approccio di tipo sperimentale, mira a testare le potenzialità e limiti di alcuni metodi elettromagnetici per indagini in situ di tipo non invasivo su pitture e mosaici parietali antichi. A tale scopo, sono stati presi in considerazione quattro diversi metodi di indagine: - l'Imaging Multispettrale (MI), utilizzando una macchina fotografica modificata e quattro differenti filtri (VIS-UV- e tre bande IR), per analisi, nel range 300-1000 nm, sulla superficie esterna decorata; - il Radar Olografico (HSR), utilizzando un'antenna con 5 frequenze comprese tra 6.4 GHz e 6.8 GHz, per l'analisi dei primi strati al di sotto della superficie esterna decorata; - la Termografia infrarossa (IRT), per l'analisi delle anomalie sub-superficiali; il georadar (GPR) ad altissima risoluzione, con un'antenna full polar da 2 GHz, per l'analisi della struttura interna dell'apparato murario al di sotto della superficie decorata. Operando con frequenze diverse, corrispondenti a profondità di indagine e risoluzioni differenti, queste tecniche possono in generale fornire informazioni preliminari sulla superficie (per esempio su materiali, pigmenti, stato di degrado, precedenti interventi ecc.) e sugli strati sottostanti (integrità strutturale, differenze nei materiali, presenza di umidità, distacchi, crepe, ecc.). Le misure in-situ sono state condotte su alcuni casi studio rappresentativi in Italia e in Grecia, relativamente a manufatti che risalgono a epoche diverse, in differenti contesti e differenti stati di conservazione. L'approccio sperimentale ha dimostrato che l'applicabilità dei metodi in situ è fortemente condizionata dalle caratteristiche intrinseche delle superfici di pregio (alto valore storico artistico, geometria, stato di degrado), che limitano l'uso dei metodi non invasivi a contatto (GPR e HSR) e che i dati sono inoltre fortemente dipendenti dalla logistica e dalle modalità di acquisizione. La sperimentazione in situ proposta nella tesi è stata integrata con test di laboratorio, utilizzando anche altri metodi non-invasivi, quali l'interferometria olografica e termografia infrarossa attiva (DHSPI-SIRT). Questo lavoro di ricerca ha evidenziato che portabilità, uso a distanza, immediata visualizzazione e interpretazione dei dati sono elementi cruciali nello sviluppo di un approccio non invasivo alla diagnostica di pitture murali e mosaici e risultano fondamentali per la caratterizzazione preliminare, per l'efficiente monitoraggio, la corretta diagnosi e l'adeguata pianificazione degli interventi sulle decorazioni parietali di interesse storico-artistico e archeologico nell'ottica di un'efficace collaborazione interdisciplinare tra componente scientifica e umanistica (storici dell'arte, archeologi) e con conservatori e curatori di questi preziosi beni.