JOSÉ LUIS RUVALCABA SIL*  Y GUY DEMORTIER

LABORATOIRE D´ANALYSE PAR RÉACTIONS NUCLÉARIS, LARN

FACULTÉS UNIVERSITAIRES NOTRE-DAME DE LA PAIX

22 RUE MUZET, B5000 NAMUR, BELGIQUE.

|Abstract: Metals conception within indigenous cosmogony and their significance to pre-Hispanic societies determined their use, and directed as well main goldworking developments. Metal colour was very important because American metallurgy was directed to surface treatment of artefacts. Analytical techniques using ion beams allow non-destructive analyses and complete characterisation of surface composition. Gold artefacts from America are ideal for this analysis techniques. This paper presents results of development and application of non-destructive PIXE, RBS and NRA techniques to analyse microscopically and macroscopically jewellery and artefacts from pre-Hispanic America. Alloy composition, element concentration and gilding techniques can he determined without taking samples frorn the objects.

La metalurgia del oro en América nació hace más de 3.500 años en Perú (Lechtman, 1988: 344). Los conocimientos metalúrgicos comenzaron a desarrollarse paulatinamente y a propagarse hasta llegar a Mesoamérica a principios del periodo posclásico. Los conceptos del universo y de la relación hombre-naturaleza, los símbolos y los significados asociados a los metales Preciosos, los recursos naturales y el papel del metal en la sociedad en los ámbitos religioso, político y social, determinaron el uso de los metales preciosos y el desarrollo de la tecnología metalúrgica de una manera muy particular y única en el mundo (Levine, 1 994). El metal y su color en la concepción que del cosmos tenían las culturas prehispánicas determinó una de las principales directrices de esta orfebrería. La metalurgia del oro se orientó hacia los cambios en el color de los metales; es decir, hacia la modificación de su superficie. Las aportaciones más importantes y originales de estas culturas a la orfebrería son, sin duda alguna, la técnica de la cera perdida y los procesos de dorado, en particular el dorado por eliminación u oxidación (depletion gilding), mediante el cual los metales menos nobles de la aleación son eliminados de la superficie de ornamento (Bray, 1 978a: 136; Bray, 1978b; Bray, 1993: 182).

En el contexto de la arqueología, el análisis de los objetos permite un mejor conocimiento de las culturas, de sus relaciones y de las tecnologías utilizadas por las sociedades antiguas. Así mismo, las cuestiones relativas al origen y a la autenticidad de las piezas, así como la importante información respecto al deterioro, la conservación y la restauración de los objetos, están estrechamente ligadas al conocimiento de su composición. Los materiales que constituyen los objetos arqueológicos no son en general homogéneos, y las piezas son con frecuencia únicas. Por ello, se requieren métodos de análisis no destructivos, completos y precisos, a fin de obtener informaciones con un significado inteligible para responder a las cuestiones propias de la arqueología (Bird, 1983: 357).

Las técnicas de análisis mediante haces de partículas han sido utilizadas para el estudio de una gran variedad de materiales en áreas interdisciplinarias como la biología, la medicina, la geología, las ciencias del medio ambiente, el arte, la historia y la arqueología. En lo que concierne al arte, a la historia y a la arqueología, los objetos analizados mediante estas técnicas son de naturaleza muy variada: papeles, vidrios, tintas, pinturas, huesos y dientes, obsidianas, cerámicas y metales (bronces, oro y otros metales preciosos. Demortier, 1991: 334; Swann, 1955: 576). En el caso particular de los metales preciosos, estas técnicas son virtualmente no destructivas. En general, la capa de corrosión superficial del material es muy delgada y el resultado del análisis proporciona una evaluación de la composición de la superficie y del interior de la aleación sin necesidad de tomar ninguna muestra de la pieza. Un análisis de esta naturaleza es un medio para identificar la tecnologías utilizadas en la metalurgia antigua: la preparación de aleaciones, las técnicas de fabricación, las técnicas de soldadura, los procedimientos de dorado son algunos ejemplos. La utilización de estas técnicas ha dado como resultado la caracterización de joyas, artefactos y ornamentos de diversos orígenes y épocas, como también de las tecnologías utilizadas para su realización (Demortier, 1986: 152 , 1992: 481; Meyer y Demortier; 1990: 300; Demortier, 1996: 347, 1977). El origen es difícil de determinar, ya que frecuentemente los metales son reciclados mediante fundición. No obstante un análisis de las trazas o de isótopos puede dar indicios del origen del metal.

Dado que la metalurgia del oro en América se orientó hacia la modificación de las propiedades de la superficie del metal, las técnicas de análisis mediante haces de iones son particularmente apropiadas para su estudio: las joyas y los ornamentos fabricados por medio de esta tecnología son objetos |ad doc para caracterizarlos valiéndose de estas técnicas.

El presente trabajo expone algunos de los aspectos y de los resultados más importantes de una investigación que se ha llevado a cabo en el contexto de la arqueometalurgia del oro de América (Ruvaleaba, 1977). Los objetivos de esta investigación son los siguientes:

- Implementar y orientar las técnicas de análisis mediante haces de iones para llevar a cabo el estudio no destructivo de joyas y ornamentos de oro elaborados por medio de las tecnologías metalúrgicas de América.

- Empleando las técnicas de análisis así desarrolladas, caracterizar las técnicas de fabricación y de acabado utilizadas en la fabricación de los objetos.

- Para comprender mejor los procesos que intervienen en estas tecnologías, realizar la reproducción en el laboratorio de algunas de las tecnologías más originales, en particular en lo que concierne a los procedimientos de dorado.

Dada la extensión de este trabajo, se exponen aquí los resultados más sobresalientes respecto a los dos primeros objetivos. En la bibliografía se dan mayores detalles de lo que aquí se analiza. Debe hacerse hincapié en que se trata, en todos los casos, de la caracterización no destructiva de las piezas. Los resultados del proceso de reproducción y su caracterización serán publicados en breve.

Las técnicas de análisis que emplean haces de iones producidos mediante aceleradores de partículas permiten realizar el estudio y la caracterización completa de la superficie de los materiales. Existe una gran variedad de técnicas, entre las cuales destacan las técnicas PIXE (Proton Induced X-ray Emission), RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy) y NRA (Nuclear Reaction Analysis) (Demortier, l 992).

Cuando un haz de iones interacciona con los electrones de los átomos de un material, puede producirse la ionización de los átomos. Para que regresen a su estado natural, se lleva a cabo la emisión de rayos X característicos de los átomos del material. Este fenómeno es la base de la técnica PIXE (Demortier, 1977; Johansson y Campbell, 1988, 1995; Folkamann, 1975: 429; Koltay; 1988). A partir del conjunto de rayos X característicos se determina la composición elemental de los elementos de número atómico superior a once (sodio). La sensibilidad de la técnica permite determinar fracciones de ppm. En el caso de aleaciones de oro, la profundidad de análisis es de diez micras.

Cuando las partículas del haz inciden y penetran en el material se llevan a cabo interacciones con los núcleos de los átomos y, como consecuencia, las partículas son dispersadas. La forma como las partículas son dispersadas depende sólo de la identidad de los átomos del material. A partir de este hecho, el análisis cuantitativo de la composición de los elementos y su distribución desde la superficie puede determinarse mediante la espectroscopia RBS (Chu et al., 1978; Leavitt et al. 1995: 37; Watt y Grime, 1987; Feldman y Myer 1978).

Cuando los iones del haz penetran en los núcleos de los átomos se producen reacciones nucleares y se produce la emisión de otras partículas y de rayos gamma. A partir de las partículas que se producen, de los rayos gamma que son emitidos y de sus energías, puede realizarse el análisis cuantitativo de los elementos ligeros y determinarse su perfil de concentraciones. Esto constituye la base de la técnica NRA (Feldaman y Myer, 1978; G. Deconnick, l978 Tesmer y Nastasi, 1995: 37; Amsel y Lanford, 1984: 435).

Las tres técnicas que hemos mencionado han sido utilizadas para llevar a cabo un análisis y un estudio no destructivos de ornamentos propios de la metalurgia del oro de América. Debe aclararse que los objetos no se tornan radiactivos tras la irradiación con el haz de partículas. La información que se obtiene concierne principalmente a la composición de la aleación y al perfil de concentraciones de los elementos. No obstante, con base en esta información pueden determinarse los aspectos más importantes de la tecnología utilizada en la fabricación de las piezas: la composición de las aleaciones y su homogeneidad, el uso de soldaduras, los tipos de dorado (eliminación, fusión, electroquímico) y los procesos propios de las técnicas metalúrgicas.

La manera de realizar el estudio de una pieza mediante estas técnicas se explica en el siguiente esquema general:

a) Para efectuar un primer análisis el objeto es estudiado mediante la técnica PIXE. La pieza se irradia en el aire a presión atmosférica utilizando un haz externo de protones que incide sobre la región cuya composición se desea conocer. El área de la región de irradiación depende del tipo de estudio que se desea realizar; 1mm ^|2 es un valor usual. Cambiando las condiciones de irradiación es posible determinar si la superficie es homogénea, si ha sido dorada o simplemente si no es homogénea. Si la pieza es homogénea, este tipo de análisis es suficiente para su estudio completo.

b) Si la superficie no es homogénea, la pieza debe ser irradiada en una cámara al vacío para determinar el perfil de concentración de los elementos mayores de la aleación. Las técnicas PIXE y RBS se combinan para estudiar la superficie del objeto y determinar, por ejemplo, el tipo de dorado utilizado en la fabricación del ornamento. Actualmente se llevan a cabo innovaciones en el dispositivo experimental para poder realizar este tipo de análisis con un haz externo, sin necesidad de introducir la pieza en una cámara de vacío.

c) El análisis de la superficie y su homogeneidad a nivel microscópico se realiza mediante un haz de 10 micras de diámetro y la combinación de RBS y de PIXE. Este tipo de análisis permite determinar el perfil de concentraciones en tres dimensiones. Con este método se ha logrado caracterizar la técnica de dorado por eliminación (depletion gilding).

d) Si se desea conocer la composición y el perfil de concentraciones de los elementos ligeros en la superficie (carbón y oxígeno, por ejemplo) puede efectuarse un análisis combinando las técnicas PIXE, RBS y NRA, a fin de determinar simultáneamente la composición de los elementos mayores y de los elementos ligeros en la región de irradiación.

En las siguientes secciones de este trabajo se presentan los resultados del uso combinado de las técnicas PIXE y RBS para el análisis de ornamentos y joyas de oro propios de la metalurgia de América.