Métodos no invasivos ni destructivos para el estudio del patrimonio cultural: método
electromagnético de georadar en prospección arqueológica, detección de fracturas y
humedad en monumentos históricos, murales y pintura sobre tabla.
José Ortega Ramírez ( a1 ).
Luis Ángel Villa Alvarado ( 1 ).
Maksim Bano ( 2 ) y Pascal Sailhac ( 2 ).
( 1 ) Laboratorio de Geofísica del INAH, Moneda No. 16, Centro
Histórico, México,D.F 06060.
( 2 ) Ecole et Observatoire des Sciences de la
Terre,Université de Strasbourg/CNRS. 5, rue René Descartes, 67084,
Strasbourg Cedex, France, C.N.R.S
( a ) E-mail: jorteg@gmail.com
Prólogo.
Como parte de las actividades de colaboración y participación en investigación
aplicada que el Laboratorio de Geofísica desarrolla en el marco de los diferentes proyectos
institucionales relacionados con el patrimonio cultural que requieren información sobre: el
estado textural y estructural de muros y acabados que soportan pintura mural, la condición
o situación física de la madera que sostiene pintura al óleo, la localización de fracturas,
fisuras y su distribución espacial en profundidad en trabajos de restauración de inmuebles
históricos e igualmente para la detección de oquedades y prospección arqueológica,
aplicamos los métodos geofísicos no invasivos ni destructivos y producimos por medio de
la imaginología modelos en 3-D.
Como sabemos que no existe un método universal en geofísica, en la mayoría
de los trabajos de investigación aplicada que hemos realizado, hemos utilizado los métodos
de tomografía de resistividad eléctrica y de georadar multi-frecuencias, además de contar
con magnetometría y electromagnéticos de inducción. No obstante, en este trabajo nos
limitaremos a la presentación de ejemplos de estudios en donde el georadar es el método
predominante aplicado a la prospección de muros con murales para identificar sistemas de
fracturas y de edificios arqueológicos con problemas de estabilidad de estructuras
así como a la identificación de grietas y fisuras de estructuras arquitectónicas coloniales del siglo
XVI o de galerías de insectos en madera que sirven de soporte a obras pictóricas antiguas.
Con estos ejemplos ponemos de manifiesto la importancia, la rapidez y la alta definición
que tiene el método electromagnético de georadar en el estudio del patrimonio cultural.
Introducción.
La herencia arqueológica y cultural de México es muy abundante, ocupa el sexto lugar
entre las más ricas del mundo después de Italia, España, China, Alemania y Francia con
un total de 29 sitios considerados Patrimonio de la Humanidad. Tenemos a lo largo del
territorio importantes y bien conocidos vestigios arqueológicos que varían desde pinturas
rupestres hasta arquitectura monumental arqueológica del periodo Posclásico. Igualmente,
los edificios históricos son considerados trascendentes para la humanidad y deben ser
protegidos por las instituciones y autoridades en acuerdo con la sociedad, por lo que en los
estudios de restauración y de conservación, el uso de técnicas o métodos no destructivos
incluyendo los geofísicos, son importantes para identificar aspectos o rasgos problemáticos
dentro y fuera de las estructuras.
Dentro de las técnicas geofísicas, el Radar de Penetración Terrestre o georadar
es un método de investigación muy rápido y sensible a las variaciones de los tres
componentes o parámetros físicos: la permitividad dieléctrica, la conductividad eléctrica y
la permeabilidad magnética del subsuelo (Davis and Annan, 1989) y ofrece una mayor
resolución que las otras técnicas geofísicas para la localización de estructuras enterradas
cercanas a la superficie.
Este método ha sido aplicado al menos desde hace 25 años en la prospección
arqueológica en varias partes del mundo para el mapeo y prospección de objetos enterrados.
Por medio de esta técnica, podemos detectar materiales no muy profundos en el subsuelo,
incluyendo aquellos que no son magnéticos como plásticos y madera y definir la
profundidad a la que se encuentran.
El georadar o GPR puede darnos igualmente imágenes en 3-D del subsuelo para
obtener mayor información sobre las estructuras arqueológicas enterradas y de esta manera,
proporcionarnos un contexto más comprensivo del mismo. Además, el GPR es la primera
técnica en la investigación de monumentos culturales que tienen importancia histórica y/o
artística (Gracia et al., 2000; Leckebush, 2000; Leucci, 2002; Barilaro et al., 2007; Blanco
et al., 2008; Perez-Gracia et al., 2009). También en el contexto de la restauración y
conservación, este método puede ser aplicado para obtener información principalmente
sobre ciertos daños estructurales, incluyendo fracturas, fisuras, y arreglos texturales que
provocan desprendimientos de acabados dentro de la construcción, por lo que el GPR
puede ser usado para mejorar los planes o proyectos de acción para los estudios de
restauración y conservación.
En efecto, desde la Carta de Atenas de 1931, la Carta de Venecia en 1964 y la Conferencia General de la Organización de las Naciones Unidas para
la Educación la Ciencia y la Cultura en su 17a reunión de 1972, muchas organizaciones
dedicadas a la conservación, protección, restauración y valoración del patrimonio cultural,
tales como ICOMOS (International Council Of Monuments and Sites) y UNESCO han
afirmado la importancia de los análisis no destructivos (NDT por sus siglas en inglés) para
evaluar monumentos históricos y más recientemente, el ICOMOS en su 14ava Asamblea en
Victoria Falls, Zimbabwe, de Octobre de 2003, estableció en su Artículo 2 que : « la
investigación científica de la pintura mural debe realizarse hasta donde sea posible por
medio de métodos no destructivos ni invasivos ».
Incluso se ha instaurado el 18 de abril
como el Día Internacional de Monumentos y Sitios (`World Heritage Day'), considerados
como Patrimonio Cultural, reflejando así la preocupación de la sociedad por su
mantenimiento y conservación, lo cual se traduce en la última década en un incremento
continuo en el uso de métodos no destructivos (NDT) para detectar defectos y anomalías en
edificios históricos y en general, en muchos de los bienes considerados como patrimonio
cultural.
Por ejemplo, la arquitectura tradicional de edificios históricos es a menudo
frágil e irremplazable y debe ser salvaguarda a través de la conservación y la restauración
con el propósito de mantenerlos con un mínimo de intervención, para lo cual el
conocimiento de la estructura del subsuelo, del estado de las fundaciones, de las
características estructurales y de los posible daños en sus elementos es importante. Este
conocimiento puede ser obtenido a través de la aplicación de métodos geofísicos como
medio de monitoreo y diagnóstico para prevenir o retardar la degradación de los inmuebles
considerados herencia cultural, ya sean prehispánicos y/o coloniales.
Metodología.
-El GPR es un método de prospección con amplias aplicaciones en arqueología
y patrimonio cultural (e.g., Goodman D., 1994; Conyers, L.B., and Goodman, D., 1997;
Pérez-Gracia V., et al., 2000; Pieraccini et al., 2005; Pérez-Gracia, V.et al., , 2008), y ha
probado ser exitoso en una gran variedad de aplicaciones, por ejemplo: 1) para la búsqueda
de tumbas o de restos humanos (cf. Vaughan, 1986; Bevan, 1991); 2) para la detección de
fundaciones enterradas, muros, pisos y objetos hechos por el Hombre (cf.
Vaughan, 1986; Imai et al., 1987; Sternberg y McGill, 1995) y 3), y en la restauración de antiguas ciudades
enterradas por erupciones volcánicas ( Conyers, 1996; Tohge et al., 1998).
El georadar está compuesto por antenas que emiten pulsos electromagnéticos
cortos (1-60 ns) cercanos a la banda de VHF/UHF (30-3000 MHz). Los pulsos son
transmitidos hacia el medio estudiado. La reflexión de estos pulsos se produce en la
interface entre las zonas con diferentes propiedades electromagnéticas. Parte de la energía
es regresada a la superficie y recibida por la antena receptora y parte es propagada a través
del medio discontinuo.
La antena receptora incorpora un circuito electrónico denominado
"demodulador", conectado a un circuito receptor amplificador a donde llegan las ondas
electromagnéticas causando la generación de una banda de pulsos de audiofrecuencia,
mismos que son enviados a través de un cable de fibra óptica a la unidad central, donde la
señal es reconstruida, procesada y guardada. Cada pulso recibido se presenta como una
traza por lo que, moviendo la antena sobre la superficie del medio, se puede obtener una
imagen que revele la existencia de anomalías debidas a variaciones de las propiedades
electromagnéticas y la resolución dependerá principalmente de las características de los
materiales y de la banda de frecuencia de la onda. Entre más alta sea la frecuencia, más
grande será la resolución, sin embargo tendremos una menor penetración en profundidad
(Orlando, 2007); al contrario, con las de bajas frecuencias, se tiene mayor penetración pero
menor resolución.
En los ejemplos presentados en este trabajo, utilizamos antenas con centro de
frecuencia de 200 MHz, 400MHz, 900 MHz, 1500 MHz y 2600 MHz para resoluciones de
varios decímetros hasta centímetros respectivamente.
Los datos fueron analizados usando las paqueterías de programas de cómputo
especializadas para el procesamiento de señales electromagnéticas:
Post-Processing software for Subsurface Interface Radar; Radan 7.0 for Windows XP TM Profesional y el
3D QuickDraw for Radan 7.0, ambos de la Geophysical Survey Systems.
Estudios de caso.
1.- Determinar la distribución y profundidad de fracturas previa restauración del mural
"La Unión de América Latina ", del Maestro Roberto Montenegro, ubicado en la
Secretaria de Educación Pública, en el centro histórico de la ciudad de México.
El mural « La Unión de América Latina » (1924), del Maestro Roberto Montenegro
(Guadalajara, 1887-DF, 1968) tiene 137.85 metros cuadrados y se ubica en las instalaciones
de la Secretaría de Educación Pública (SEP), sobre el muro que ocupaba el altar principal
del antiguo templo del Convento de Santa María de la Encarnación del Divino Verbo,
construido entre 1639 y 1648 y clausurado en 1918 por instrucciones del entonces titular de
la SEP, José Vasconcelos, para convertirse en la Biblioteca Iberoamericana desde 1924;
sin embargo, después del terremoto de 1985, el edificio fue cerrado debido a fallas
estructurales y el acervo bibliográfico transferido a otras instituciones.
Posteriormente el edificio se restauró y las obras concluyeron en 1991, año en
el que se acondicionó como Salón Hispanoamericano y desde entonces, funciona como
salón de recepciones de la Secretaría de Educación Pública.
El mural presentaba fisuras superficiales en el lado sur (ver Fig. nº
1) y se requería para su restauración del conocimiento de éstas, su profundidad y distribución, así
como del arreglo y distribución de los componentes del muro que sirve de soporte a la obra
pictórica considerada como un bien cultural. Por ello, su estudio se programó siguiendo las
normas establecidas en el 14ava Asamblea del ICOMOS de 2003, utilizando el método no
invasivo ni destructivo electromagnético de georadar, con las frecuencias de 2600 MHz y
400 MHz.
Debido a la necesidad urgente de resultados para programar las actividades de
restauración, los trabajos de prospección geofísica se limitaron a una parte de la superficie
en donde someramente se observaban las fisuras, para lo cual dividimos dicha porción en
diferentes tamaños y las denominamos como Superficie I, II, III y IV. (ver Fig. nº 2). Los
resultados más sobresalientes de acuerdo a los objetivos planteados son:
a).- En la Superficie I, de 6.0m de ancho por 4.8m de largo y con la frecuencia
de 2600 MHz, se observan reflexiones múltiples e hipérbolas (ver Fig.
nº 3).
Las primeras corresponden a la fractura principal que muestra una profundidad máxima de 15 cm y las
segundas son difracciones provocadas por un objeto dentro del muro. Estas últimas con la
frecuencia de 400 MHz y modeladas en 3-D, definen una zona reflectora originada por
una estructura cilíndrica a aproximadamente 25 cm de profundidad (ver Fig. nº 4).
b).- Sobre la Superficie II de 2.0 m de ancho por 2.30 m (ver Fig. nº 2), se
elaboró un modelo en 3-D a partir de los resultados de los sondeos con la antena de 2600
MHz. En este modelo, se confirma que la fractura principal no tiene más de 15 cm de
profundidad (ver Figs. 5A, B, C y D), identificada por medio de los cambios de las
propiedades electromagnéticas entre los materiales constructivos y el aire.
d).- Finalmente la Superficie IV (ver Fig. nº 2) de 4.80 m por 3.10 m, presenta
varios arreglos de anomalías entre 20 y 30 cm (ver Fig. nº 7 A y B), que pueden
corresponder a un nicho tapiado y una estructura constructiva de la pared del antiguo
templo.
Figura nº 1 -
Mural « La Unión de América Latina ». Los puntos rojos y blancos señalan la
fractura visible en superficie.
Figura nº 2 -
Superficies sondeadas denominadas
I, II III y IV (gráfica elaborada por el Rest. Israel García Corona del
CENCROPAM-INBA).
Figura nº 3 -
Superficie
I, Líneas nº 15 y 21 a 1.40 m y 2.0 m del origen. Las reflexiones
en forma de hipérbolas corresponden a materiales incluidos en el muro entre 10 y 15 cm de
profundidad. Las fracturas más sobresalientes se encuentran representadas por las
reflexiones múltiples en la parte superior izquierda señaladas por las flechas en color rojo.
Figura nº 4 -
Superficie-I, modelos en 3-D a 25 cm de profundidad, en (A) con la
frecuencia de 2600 MHz y en (B) con la antena de 400MHz. Obsérvese la simetría de los
rasgos señalados por las flechas.
Figura nº 5 -
Superficie II mostrando grietas o fisuras representadas en las figuras por los
colores claros y brillantes como el blanco, amarillo, rojo y azul, en (A) a 1 cm de
profundidad, en (B) a 2 cm, en (C) a 7 cm y en (D) a 12 cm. La disminución de la
intensidad de las reflexiones varía con la profundidad.
Figura nº 6 -
Superficie número III en 3-D a 19 cm de profundidad. Obsérvese la simetría
de los reflectores en la parte superior y la línea refractiva que corta la superficie.
Figura nº 7 -
En (A), modelo en 3-D a 20 cm de profundidad y en (B), corte en planta a 30
cm. Las flechas en color verde señalan las anomalías más importantes. Obsérvese la
simetría en los rasgos, probablemente se trata de elementos constructivos arquitectónicos
más antiguos que el mural.
Conclusiones.
1.- Con base en los resultados de la superficie nº II y de acuerdo a los objetivos
propuestos, podemos asegurar que la grieta no es profunda y que no hay necesidad de una
intervención drástica para corregirla, no tiene más de 15 centímetros de profundidad y no
está involucrado el muro principal (véase Fig. nº 5).
2.- El muro de soporte del mural no está constituido por un solo elemento ni
tampoco por un solo tipo de material, prueba de esto son los radargramas obtenidos con la
frecuencia de 2600MHz de la superficie I, y que corresponden a las líneas 15 y 21 (ver Fig.
nº 3) registradas sobre el eje de las X's de abajo hacia arriba y de sur a norte. Esta
información es muy importante porque justificaría la distribución de la humedad y/o de las
fracturas que puedan formarse en los lugares en donde se encuentran estas anomalías. Es
también importante señalar que desde el punto de vista estructural, la actividad sísmica en
su momento podría causar mayores daños en las zonas antes tapiadas.
3.- Las hipérbolas observadas en la figura nº 3 pueden haberse originado por
conductos antiguos fabricados con materiales no metálicos, probablemente cerámicos.
4.- La distribución de las anomalías y la geometría que presentan sugieren que
se trata de antiguos nichos tapiados durante la preparación del muro que sirve de lienzo a la
pintura mural.
II.- Determinar los arreglos texturales y estructurales del interior del muro testero de la
Iglesia del Siglo XVI de Santa María, Huiramangaro, Mich., previa intervención
estructural de restauración, utilizando georadar con altas frecuencias (1500
MHz).
El muro está construido de acuerdo al trabajo de Tesis Doctoral de la Dra. Laura Lelo de
Larrea López, por "piedra irregular rejuntada con lodo conteniendo un núcleo central
también de lodo compactado con piedras más pequeñas con un espesor entre los 1.35 a 1.50
metros de ancho", igualmente menciona que "su recubrimiento o revoque se compuso de
una mezcla de lodo y cal, y en su origen seguramente la capa externa consistió en una
lechada de cal como pintura final". Igualmente el muro testero de acuerdo a comentarios
del Dr. Roberto Sánchez del Centro INAH, Mich., está constituido por adobes de 30 cm
por lado con un probable relleno intermedio de piedra y lodo.
Actualmente el muro presenta desplome y agrietamiento, por lo que su restauración es inminente dada la importancia histórica del mismo, por ello el conocimiento
textural y estructural de su interior es necesario para programar los trabajos que se
requieran para darle estabilidad nuevamente. Para ello, los trabajos de prospección
geofísica tuvieron como objetivos principales:
1) explorar el subsuelo de los alrededores de la iglesia con georadar utilizando
antenas de baja frecuencia y tomografía de resistividad eléctrica, para identificar probables
fallas geológicas que pudieran estar relacionadas con los daños estructurales que presenta y,
2) sondear el muro utilizando la antena de alta frecuencia de 1500
MHz, como una primera aproximación para conocer hasta 60 cm de profundidad el arreglo de las
grietas, las texturas y las estructuras de los materiales de construcción para entender él
porque del desplome que presenta. Para esto, el muro se subdividió en 4 superficies a las
que hemos denominado Superficie 01 de 2.20 m de ancho X 5.60 m de largo; Superficie 02,
de 2.10 m X 5.50 m; Superficie 03 de 1.70 m X 5.20 m; y Superficie 04, de 1.80 m X 5.20
m de largo (ver Fig. nº 8).
Figura nº 8 -
Aspecto general del muro testero y ejemplo de sondeos sobre una de las
superficies sondeadas con una cuadrícula de control.
Dada la extensión del trabajo y por motivos de espacio, nos limitaremos
únicamente a describir el inciso 2 con los resultados más sobresalientes de la prospección
con georadar sobre el muro testero a 5 cm, 15 cm, 30 cm y 50 cm de profundidad.
A 5 cm (ver Fig. nº 9), en la Superficie 01 se observan dos zonas reflectoras: la
primera atraviesa la superficie de arriba hacia abajo y corresponde a la grieta observable
superficialmente y la segunda, cerca de la cota N+3.07 en la base. En la Superficie 02, se
observan una zona horizontal muy reflectora en la base y una línea vertical arriba, que
corresponde a la fractura visible superficialmente, mientras que en las Superficies 03 y 04,
las anomalías se sitúan de manera transversal en la parte superior.
Figura nº 9 -
Muro testero con imágenes procesadas en 3-D (planta) de cada una de las
superficies señaladas al pie de la figura a 5 cm de profundidad. Las flechas en color
amarillo y rojo señalan las anomalías principales y en las superficies 01 y 02, las fracturas
observables en superficie.
A 15 cm de profundidad, los rasgos principales son la aparición de una zona
con múltiples reflexiones a N+3.97 (ver Fig. nº 10) y una zona horizontal bien definida a
N+7.30 en la Superficie 04 y las grietas o fracturas en las superficies 01 y 02 siguen siendo
visibles en las imágenes en 3-D.
Figura nº 10 -
A 15 cm de profundidad se observan las grietas o fracturas y se hacen visibles
una zona de N+2.302 a N+3.97 con múltiples difracciones señaladas por las flechas, así
como la zona horizontal en la Superficie-02 en color blanco encima de la cota N +2.302.
A 30 cm de profundidad la anomalía horizontal detectada desde los primeros 5
cm en la superficie 02 entre las cotas N+2.302 y N+3.97 desaparece (ver Fig. nº
11), mientras que la fractura permanece.
Figura nº 11 -
A 30 cm de profundidad, las flechas señalan las anomalías principales.
A 50 cm, los materiales son semejantes a los descritos para 30 cm de profundidad, aunque las superficies 03 y 04 muestran en sus partes medias, reflexiones con
arreglos geométricos semejantes a adobes (ver Fig. nº 12).
Figura nº 12 -
Imágenes en planta del modelo en 3-D para 50 cm de profundidad.
Obsérvese estructuras horizontales entre N+3.07 y N +7.30 en las superficies 03 y 04.
Conclusiones.
1.- La grieta o fractura visible superficialmente en la denominada Superficie 02 desaparece
entre 15 y 20 cm, lo cual indica que se trata de un rasgo del acabado o aplanado y no tiene
incidencia en la estructura del muro.
2.- La parte inferior de la pared debajo de la cota N + 3.97 de las superficies sondeadas y
probablemente hasta el piso del muro presenta una zona con múltiples difracciones hasta
una profundidad de 60 cm, sin embargo su altura disminuye en relación inversa (ver Fig.nº 13) lo cual sugiere que la base de "piedra y lodo" podría tener una forma aproximada de
un trapecio, es decir una base más ancha que la cima a partir de la cual se inicia la pared
con el adobe como material constructivo.
Figura nº 13 -
A 60 cm de profundidad, aparentemente el relleno cambia de
composición y
la zona de difracciones de la base se reduce drásticamente. Las flechas en color amarillo
muestran las zonas con anomalías las más importantes.
3.- El muro testero está construido en su base, hasta la mitad aproximadamente, por
materiales de tipo "piedra y lodo" y por adobe en la parte superior.
4.- De acuerdo con lo anterior, el tipo de materiales y su arreglo estructural determinan el
desplome del muro; por ejemplo, si observamos el corte longitudinal (ver Fig. nº 14) el
desplome se efectúa precisamente en donde de acuerdo a nuestros resultados existe un
cambio textural del muro a N + 3.97, lo mismo sucede a N + 7.30 donde se manifiesta al
menos en los primeros 20 cm una zona anómala horizontal.
5.- Finalmente nuestras inferencias a partir de la interpretación de los datos
electromagnéticos coinciden con los resultados de las diferentes calas que se realizaron, lo
cual corrobora lo aquí expuesto (ver Fig. nº 15).
Figura nº 14 - Corte longitudinal del muro testero. Obsérvese que el desplome se inicia
exactamente en la cota N + 3.97 y se nota un cambio más en N+ 7.30 señalados por las
flechas color rojo; estos corresponden al lugar donde se identificaron varias anomalías
señaladas en las figuras nº 9 y 10 a 5cm y 15 cm de profundidad respectivamente.
Figura nº 15 -
Diferentes calas y su posición espacial con relación a los resultados
obtenidos. Obsérvese por ejemplo la cala nº 3: corresponde a la zona con abundantes
difracciones provocadas por los tamaños y forma de los componentes sedimentarios.
También en la cala 02, la denominada " viga de arrastre" se evidencia entre los 5 y 15 cm
de profundidad (ver Figs. Nº 9 y 10).
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