Ocena stanu zachowania drewna archeologicznego wydobytego z Jeziora Lednickiego

Transkrypt

1 Ocena stanu zachowania drewna archeologicznego wydobytego z Jeziora Lednickiego M. Broda, B. Mazela Instytut Chemicznej Technologii Drewna, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Określenie stopnia degradacji drewna archeologicznego oraz czynników, które ją spowodowały, jest nieodzownym warunkiem doboru właściwych środków i metod postępowania konserwatorskiego, jak również ustalenia warunków ekspozycji obiektu po konserwacji. Błędna ocena stanu zachowania mokrego drewna archeologicznego oraz niewłaściwy dobór impregnatu lub parametrów do przeprowadzanego zabiegu mogą powodować poważne następstwa w postaci wysychania i kurczenia się drewna, co może prowadzić do jego nieodwracalnego zniszczenia. Dlatego też precyzyjna ocena stopnia degradacji drewnianych obiektów archeologicznych jest tak istotna. Materiał badawczy Próbki drewna archeologicznego pozyskano ze stanowiska archeologicznego na Ostrowie Lednickim. We wczesnym średniowieczu, za panowania Mieszka I oraz Bolesława Chrobrego, rejon ten stanowił jeden z ważniejszych punktów osadniczych na mapie tworzącego się państwa pierwszych Piastów. Na przełomie X/XI wieku znajdował się tutaj jeden z najważniejszych grodów monarchii wczesnopiastowskiej. Do dnia dzisiejszego na wyspie zachowały się pozostałości grodu z czasów panowania Mieszka I (tuż przed 966 rokiem), najstarszego w Polsce zespołu preromańskiej architektury pałacowo-sakralnej oraz wolno stojącego kościoła cmentarnego z grobami, a także relikty dwóch mostów, poznańskiego i gnieźnieńskiego, łączących niegdyś wyspę z brzegami jeziora (rys. 1).

2 Rys. 1. Mapa stanowiska archeologicznego na Ostrówie Lednickim. Legenda: 1. Gród z reliktami kamiennej architektury. 2a. Most tzw. poznański. 2b. most tzw. gnieźnieński. Rys. według G. Wilke. Materiał badawczy stanowiły plastry drewna dębowego, datowanego na X-XI wiek, pozyskane z 12 elementów konstrukcyjnych mostu poznańskiego (po 1 plastrze z każdego elementu), pochodzących z działki nr 4, pasa nr 2 (szerokość działki 4x4 m), z głębokości 11 metrów od lustra wody. Drewno odznaczało się zmienioną barwą od czarnej przez brązowo rdzawą. Na badanych belkach dębowych nr 8, 9, 10 i 11 stwierdzono występowanie dwóch stref degradacji: strefy bielastej (zachowanej na powierzchni belek fragmentarycznie), która charakteryzowała się jasnym, miodowym zabarwieniem, znaczną kruchością i gąbczastą strukturą oraz strefy twardzielowej, która zachowana była w bardzo dobrym stanie i cechowała się ciemną, prawie czarną barwą oraz znacznie większą twardością. W przypadku pozostałych belek zachowała się jedynie warstwa twardzielowa o znacznej twardości i ciemnej barwie. Rys. 2. Element konstrukcyjny mostu poznańskiego, belka nr 9. Widoczna szczątkowo zachowana warstwa bielasta. Fot. K. Królikowska-Pataraja.

3 Rys. 3. Fragmenty pali mostu poznańskiego, wystające z dna Jeziora Lednickiego. Fot. K. Radka. Metody oceny stanu zachowania drewna archeologicznego Ocena stanu zachowania drewna z Jeziora Lednickiego obejmowała analizę chemiczną, badania własności fizycznych oraz pełną analizę mikroskopową. Klasyczne, destrukcyjne metody oceny stopnia degradacji drewnianego materiału archeologicznego uzupełniono metodą niedestrukcyjną: analizą gęstości drewna z wykorzystaniem tomografu komputerowego. Analiza mikroskopowa Analizę mikroskopową drewna archeologicznego przeprowadzono z wykorzystaniem mikroskopu światła odbitego Nikon SMZ 2T, mikroskopu stereoskopowego Nikon Eclipse E 200 (max. pow. X 400) oraz Nikon Eclipse 50 (max. pow. x1000) połączonego z kamerą Nikon DS-Fi1C, a obserwacje submikroskopowe przeprowadzono z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego firmy JEOL 6300 i JEOL JSM-6380LA. Analizę drewna wykonano w poprzecznym, wzdłużnym oraz stycznym kierunku anatomicznym. Zastosowane techniki posłużyły do oceny zmian w elementach anatomicznych drewna zdegradowanego i porównania ich z drewnem dębu współczesnego. Analiza mikroskopowa warstwy bielastej drewna dębu archeologicznego (rys. 4) wykazała wysoki stopień jej degradacji, przejawiający się w wyraźnej deformacji ścian komórkowych, znacznym zmniejszeniu ich grubości (co świadczy o degradacji ściany wtórnej komórek i wiąże się ze zmniejszeniem zawartości składników węglowodanowych) oraz obecności blaszki środkowej, co z kolei wiąże się z dużą zawartością ligniny. Ściany wtórne bielu cechują się różnymi fazami rozkładu, nie obserwuje się zmiany ich grubości. Analiza

4 warstwy twardzieli zewnętrznej, znajdującej się bezpośrednio pod warstwą bielastą (rys. 5), wykazała pojedyncze, niewielkie rozwarstwienia ściany pierwotnej od blaszki środkowej, z kolei w warstwie twardzieli wewnętrznej (rys. 6) obserwowano komórki o znacznej grubości ściany, które zachowały niezmieniony kształt, zbliżony do kształtu komórek drewna dębu współczesnego, co świadczy o dobrym stanie zachowania tej warstwy drewna. Rys. 4. Przekrój poprzeczny bielu próbki nr 11 drewna dębu archeologicznego. Fot. K. Królikowska- Pataraja. Rys. 5. Przekrój poprzeczny twardzieli wewn. drewna dębu archeologicznego. Fot. K. Królikowska- Pataraja.

5 Rys. 6. Przekrój poprzeczny twardzieli zewn. drewna dębu archeologicznego. Fot. K. Królikowska- Pataraja. Ocena właściwości fizycznych Ocena stopnia degradacji drewna archeologicznego na podstawie analizy właściwości fizycznych obejmowała oznaczenie wilgotności maksymalnej i gęstości umownej. Dodatkowo, bazując na uzyskanych wynikach, wyznaczono ubytek masy. Wilgotność maksymalną drewna archeologicznego określono na podstawie masy próbek kilkakrotnie nasycanych wodą przy ciśnieniu 50 hpa oraz masy drewna absolutnie suchego, wysuszonego do stałej masy w temperaturze 105 C. Gęstość umowną drewna określono jako stosunek masy próbki absolutnie suchej do jej objętości w stanie maksymalnego nasycenia. Tabela 1. Wybrane właściwości fizyczne drewna z Ostrowa Lednickiego. Nr próbki Wilgotność Gęstość umowna Ubytek masy % maksymalna % kg/m ,4 405,0 31, ,4 474,9 19, ,5 324,7 45, ,7 422,8 28, ,9 546,9 7,3 10 b 692,5 194,3 67, ,6 254,1 46,9 11 b 459,4 114,2 80,6

6 11 154,8 465,8 21, ,9 399,6 32,3 b warstwa bielasta Oceniając na podstawie przeprowadzonych analiz stopień degradacji drewna z wód Ostrowa Lednickiego można stwierdzić, że największej destrukcji uległa część bielasta drewna zachowana na powierzchni plastrów z belek nr 10 i 11. Średnia wilgotność maksymalna części bielastej wynosiła 576%. Wysoka wilgotność oraz znaczny średni ubytek masy tej strefy (74%) świadczą o daleko posuniętym rozkładzie. Strefa drewna twardzielowego charakteryzowała się z kolei relatywnie niskim stopniem destrukcji. W badanym drewnie wilgotność maksymalna wahała się w zakresie od 116,8% (plaster nr 8) do 242,5% (plaster nr 6). Wartości te są prawie 3 i 5 razy wyższe niż dla zdegradowanego drewna bielu. Wraz z obniżeniem wilgotności odnotowano wzrost gęstości umownej badanych elementów. Badane próbki drewna archeologicznego cechowały się gęstością zmieniającą się w szerokim zakresie od 114,23 kg x m 3 (dla warstwy bielastej plastra nr 11) do 546,99 kg x m 3 (dla warstwy twardzieli plastra nr 8). Z przeprowadzonych badań wynika, że ubytek masy części twardzielowej drewna z wód Ostrowa Lednickiego wynosił od 7,3 do 46,9%. Niewielki ubytek tkanki drzewnej sugeruje więc dobry stan zachowania tych elementów. Największy stopień degradacji (67,1-80,6%), oznaczony na podstawie ubytku masy drewna, wykazała warstwa bielu, co sugeruje zaawansowany stopień degradacji tej części. Analiza składu chemicznego Analiza składu chemicznego jest jedną z tradycyjnych metod określania stopnia degradacji drewnianych obiektów archeologicznych. Daje ona możliwości poznania zmian udziału procentowego poszczególnych składników drewna, co ułatwia zrozumienie procesów towarzyszących mikrobiologicznemu rozkładowi tkanki drzewnej. Określenie ubytku lub wzrostu udziału danego składnika jest możliwe tylko wtedy, gdy przed procesami rozkładu znany jest skład chemiczny danego surowca. W analizie drewna archeologicznego jedyną możliwością jest odniesienie uzyskanych wyników do średnich wartości charakterystycznych dla drewna współczesnego. Analiza chemiczna drewna z Ostrowa Lednickiego obejmowała oznaczenie zawartości celulozy, ligniny, holocelulozy, substancji rozpuszczalnych w zimnej i gorącej wodzie, substancji mineralnych i rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych (zgodnie z normą

7 PN-92/P-50092) oraz oznaczenie substancji rozpuszczalnych w 1% NaOH (według procedury opracowanej przez Prosińskiego (1984)). Rys. 7. Zawartość substancji mineralnych w drewnie archeologicznym z wód Ostrowa Lednickiego i współczesnym drewnie dębu [wyrażona w %]. 11A warstwa bielasta plastra nr 11. Zawartość substancji mineralnych w badanych próbkach, w porównaniu z drewnem dębu współczesnego, uległa znacznemu zwiększeniu. Ponad pięciokrotnie wyższy udział (4,9%) stwierdzono w warstwie bielastej próbki nr 11. Jest to zjawisko naturalne, które wiąże się z procesem mineralizacji, bardzo często obserwowanym w drewnie archeologicznym. Miarodajnymi wskaźnikami zaawansowania procesów rozkładu tkanki drzewnej w drewnie archeologicznym są wartości ilorazu udziału celulozy i holocelulozy do zawartości ligniny, czyli C/L i H/L. Na rys. 8 przedstawiono wartości ilorazów udziału celulozy i holocelulozy do ligniny w drewnie dębu archeologicznego i współczesnego. W drewnie dębu współczesnego wartości ilorazów C/L są wysokie i wynoszą 1,85 dla bielu i 1,60 dla twardzieli. Wielkość ilorazu C/L bielu badanego drewna archeologicznego próbki nr 11 jest prawie 5- krotnie niższa i wynosi 0,4, co wskazuje na wysoki stopień degradacji tej warstwy. Dla warstwy twardzieli próbek o numerach 1, 6, 12 odnotowano wyraźne obniżenie wartości ilorazu C/L. Uzyskane wyniki zawierają się w przedziale od 0,58 do 0,67, co wskazywać może na

8 stosunkowo zaawansowany stan rozkładu drewna. Dla pozostałych próbek wielkość ilorazu C/L zawiera się w przedziale 1,36-1,55, co potwierdza dobrą kondycję warstwy twardzielowej. Waliszewska (2009) podaje, iż wielkość ilorazu H/L w drewnie dębu współczesnego jest wysoka i wynosi dla bielu 3,28, a dla twardzieli 3,03. W drewnie dębu archeologicznego z wód Ostrowa Lednickiego iloraz H/L warstwy bielastej wynosi 0,68, a wyraźne obniżenie ilorazów H/L odnotowano też dla próbek twardzieli nr 1, 6 i 12, co potwierdza wcześniejsze analizy i wskazuje na degradację wspomnianych warstw drewna. Dla pozostałych próbek uzyskane wyniki są zbliżone i zawierają się w przedziale od 2,2 do 2,32, odpowiadając wartościom uzyskanym dla drewna dębu współczesnego (Fengel i Weneger 1989). Stanowi to potwierdzenie wcześniejszej hipotezy o generalnie dobrej kondycji badanego drewna archeologicznego (warstwy twardzielowej), pomimo ponad tysiącletniego okresu zalegania na dnie jeziora. Rys. 8. Wartości ilorazów: zawartości celulozy do zawartości ligniny (C/L) oraz holocelulozy do ligniny (H/L) w poszczególnych próbkach drewna z wód jeziora Lednickiego i współczesnego drewna dębowego. 11A warstwa bielasta plastra nr 11. Niedestrukcyjne metody oceny stanu zachowania drewna archeologicznego

9 Tradycyjne techniki badawcze, jak analiza chemiczna oraz ocena właściwości fizycznych, mają istotne ograniczenia w badaniach drewna archeologicznego. Przede wszystkim są to techniki inwazyjne, wymagające pobierania i przygotowywania znacznych ilości materiału, co wiąże się z koniecznością zniszczenia przynajmniej części zabytkowego obiektu, ponadto niejednokrotnie są one długotrwałe i kosztowne. Stąd konieczność poszukiwania alternatywnych metod niedestrukcyjnych, które pozwalałyby na precyzyjną ocenę stanu zachowania drewnianych obiektów archeologicznych bez narażania ich na destrukcję. Jedną z takich metod jest badanie za pomocą tomografu komputerowego. Tomografia jest zbiorem metod, w których trójwymiarowy obraz badanej próbki rekonstruuje się na podstawie analizy wielu dwuwymiarowych obrazów, otrzymanych przez naświetlanie próbek pod różnymi kątami. Jest to system obrazowania pośredniego - w wyniku naświetleń promieniami Roentgena nie uzyskuje się bezpośrednio obrazu badanego obiektu, lecz obraz ten jest tworzony na drodze przetwarzania danych pomiarowych w komputerze, gdzie następuje tzw. rekonstrukcja obrazu (Kozakiewicz 2004). Niebywałą zaletą tej metody, podobnie jak innych metod niedestrukcyjnych, poza nieniszczącym, bezinwazyjnym charakterem, jest prostota pomiarów oraz możliwość wielokrotnych powtórzeń, co znacznie podwyższa precyzję oznaczeń. Celem badania była ocena przydatności tomografii komputerowej do oznaczenia gęstości mokrego drewna archeologicznego oraz korelacja uzyskanych danych z wynikami otrzymanymi metodą tradycyjną. Pomiar przeprowadzono na 4 plastrach pobranych z próbek o numerach 5, 7, 11 i 10 wydobytych z dna jeziora Lednickiego. Próbki nr 10 i 11 zawierały warstwę bielastą, a próbki o numerach 5 i 7 samą twardziel. Rys. 9. Przykładowe tomogramy plastra drewna archeologicznego z belki nr 10.

10 Ze względu na konieczność przeprowadzenia dodatkowych analiz, mających na celu oznaczenie stopnia destrukcji, badanie wykonano na mokrym materiale, zawierającym wodę oraz lód. Woda zawarta w tkance drzewnej nie ma większego wpływu na otrzymane wyniki. Współczynnik pochłaniania wody wynosi 0 jednostek Hounsfielda (HU). Rys. 10. Próbka nr 10 plaster dębu z belki nr 10, zdjęcie makroskopowe. Fot. K. Królikowska-Pataraja. Tabela 2. Wyniki pomiarów gęstości drewna próbki nr 10 uzyskane metodą tomografii komputerowej. Próbka nr 10 Liczba pomiarów Strefa pomiaru Twardziel [HU] Biel [HU] 1 36,16-854,90

11 2 99,80-16, ,74-824, ,93-24, ,19 Największe różnice w gęstości dla próbki nr 10 odnotowano pomiędzy warstwą bielastą i twardzielową. Jest to związane z naturalną, różną gęstością tych warstw oraz ze zmianami związanymi z procesem degradacji. Dla warstwy bielastej gęstość wynosi od -9,19 do -854,90 HU. Wskazuje to na dużą zawartość powierza w strukturze drewna, mało tkanki zbitej (wartość -854,90 HU - czarna strefa na zdjęciu, rys. 9 - zbliżona jest do współczynnika pochłaniania powietrza, który wynosi HU), co świadczy o znacznej degradacji drewna w obrębie tej warstwy. Dla twardzieli próbki gęstość w poszczególnych miejscach wynosi od 36,16 do 148,93 HU. Wskazuje to na występowanie zbitej struktury i świadczy o niemal nienaruszonym stanie tej warstwy drewna archeologicznego, co potwierdza wyniki uzyskane metodami tradycyjnymi. Podsumowanie Wyniki oceny stanu zachowania drewna archeologicznego wydobytego z Jeziora Lednickiego, potwierdzone analizą chemiczną, makro- i mikroskopową, analizą właściwości fizycznych oraz metodą tomografii komputerowej wskazują, że największy stopień degradacji wykazała warstwa bielu. Strefa twardzieli, znajdująca się bezpośrednio pod warstwą bielastą, posiadała znamiona destrukcji, natomiast wewnętrzna część twardzielowa została zachowana w niemal niezmienionym stanie. Wyniki przeprowadzonych analiz pozwalają dodatkowo na stwierdzenie, iż warunki środowiska, jakim są wody jeziora Lednickiego, sprzyjają zachowaniu drewna archeologicznego i wydają się być odpowiednie dla konserwacji in situ. Badania przeprowadzono w ramach pracy doktorskiej mgr Katarzyny Królikowskiej- Pataraji pt.: Identyfikacja przyczyn i stopnia degradacji drewna archeologicznego z wybranych stanowisk słodkowodnych, wykonanej w Instytucie Chemicznej Technologii Drewna na Wydziale Technologii Drewna Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.

12 The assesment of the state of preservation of archaeological wood excavated from Lednickie Lake M. Broda 1, K. Królikowska-Pataraja 2, B. Mazela 1 1 Institute of Wood Chemical Technology, Poznan University of Life Sciences, 2 Department of Special Research and Technician Documentation, Department of Conservation and Restoration of Art Works of Warsaw Art Academy The evaluation of the degree of archaeological wood degradation and the damaging factors is a prerequisite for the selection of appropriate measures and methods of conservation, as well as for determination of the object exposure conditions after the conservation process. Insufficient evaluation of the state of wet archaeological wood and inadequate selection of impregnation solution or parameters of the procedure being performed may cause serious consequences in the form of drying and shrinkage of the wood, which leads to irreversible damage. Therefore, accurate assessment of the degree of degradation of wooden archaeological objects is so important. The object of the research were the fragments of the structural elements of the "Poznan" bridge. There were made of oak wood dating back to the X-XI century excavated from the Lednickie Lake. Wood was characterized by the changed color from black through brown and rusty. On the tested beams of oak two zones of degradation were found: sapwood area (preserved in fragments on the beams surface), characterized by a light, honey color, significant fragility and spongy structure. The heartwood area, which was maintained in a very good condition and was characterized by a dark, almost black color and considerable hardness. The assessment of the degradation degree of wood from Lednickie Lake included chemical, physical and a full microscopic analysis. Classic, destructive methods were

13 supplemented by non-destructive techniques: analysis of wood density by using a CT scanner and analysis of chemical composition by using near-infrared spectroscopy FTIR. The results have shown that the weight loss of wood from the Lednickie Lake ranged from 7.3 to 46.9%. Therefore a slight loss of wood tissue suggests a good state of maintenance of these elements. A sapwood zone showed the highest rate of degradation ( %), determined on the basis of the loss of wood mass. The microscopic analysis also indicates a widespread degradation of the area. A good condition of wood tissue in the studied archaeological object has been found in the layer of the inner heartwood. The part of the heartwood zone, located directly under a layer of sapwood, shows degradation. The results of other analysis confirm that the most degraded part of examined wood is a sapwood zone, while the heartwood area, in particular its inner zone, has been maintained almost intact. Presented results allow the conclusion that such environmental conditions like water of the Lednickie Lake, are sufficient for archaeological wood maintenance and appear to be suitable for the in situ preservation. The study was conducted as a part of doctoral dissertation.: "Identification of the causes and the state of degradation of archaeological wood from selected freshwater reservoirs" performed at the Institute of Chemical Wood Technology at the Faculty of Wood Technology, Poznan University of Life Sciences.