Study of a reliquary cross from the Novodevichy Convent with natural science techniques

 
PIIS086960630012633-5-1
DOI10.31857/S086960630012633-5
Publication type Article
Status Published
Authors
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: National Research Centre “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: NRC “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Occupation: principal researcher
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: 1 Acad. Kurchatov Sq
Occupation: Researcher
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: NRC “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Occupation: Engineer researcher
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Russian Federation, Moscow
Occupation: Researcher
Affiliation: NRC Kurchatov Institute
Address: Russian Federation, Moscow
Occupation: Deputy head of department
Affiliation: National Research Cente “Kurchatov Institute”
Address: Moscow, Russia
Occupation: research engineer
Affiliation: National Research Centre "Kurchatov Institute"
Address: Russian Federation, Moscow, Kurchatov Square, 1
Journal nameRossiiskaia arkheologiia
EditionIssue 4
Pages165-183
Abstract

16th–17th century reliquary cross found during salvage activities of the Institute of Archaeology RAS in the Novodevichy Convent was studied in National Research Centre “Kurchatov Institute”. The research process included 2 stages. Initially, several radiation diagnostic techniques of nuclear physics were applied: neutron tomography, neutron diffraction, neutron gamma-ray analysis (prompt gamma-ray induced by fast-neutron beam). Moreover, the X-ray synchrotron diffraction and energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) were used to refine the data obtained. At the first stage of the study the reliquary cross was not opened. Most of the research techniques used were of non-destructive nature. Leaves of the cross were cast from copper-based alloy (Cu–Sn–Pb–tin lead bronze). Under an oxide layer, cast inscriptions were revealed by means of neutron tomography. Gas chromatography analysis showed fat acids, possibly representing the remains of organic fibers, and petroleum hydrocarbons (bitumen?) in the filling of the cavity. Upon opening the leaves, partly mineralized remains of cochineal stained wool fibers were examined with light microscopy and FTIR. The authors suggest that individual parts of the cross and its leaves were joined by soldering.

KeywordsMoscow Rus, medieval reliquary cross (encolpion), holy relic, neutron tomography, neutron gamma-ray analysis, infrared spectroscopy, X-ray synchrotron diffraction, chromatography
AcknowledgmentThe study was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research within the framework of scientific project No. 17-29-04129.
Received07.04.2020
Publication date21.12.2020
Number of characters28241
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной
1 В НИЦ «Курчатовский институт» изучен бронзовый рельефный энколпион XVI–XVII вв. (рис. 1, 1). Мощевик найден в 2017 г. экспедицией ИА РАН в Новодевичьем монастыре (подробное исследование традиционными методами, включая тематическую историографию, см. Беляев, 2020). Крест был закрыт штифтами (рис. 1, 2, 3).
2 Цель работы – получение с помощью естественнонаучных методов новой информации о материале и технологии изготовления древнерусского реликвария (креста-энколпиона), его вложении. В качестве аналитического инструментария представлена комплексная методика исследования, основанная на достижениях высокотехнологичной, неразрушающей ядерной диагностики.
3 Приборы, методы и материалы. Исследования проводились в два этапа (первоначально крест-мощевик не открывался). Использовались комплекс ядерно-физических методов: нейтронная томография, нейтронная дифракция, нейтронно-радиационный анализ (НРА); дополнительные методы энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (ЭРМ), оптической и растровой электронной микроскопии (РЭМ) и синхротронной рентгеновской дифракции. После вскрытия предмета для изучения заполнения створок применялись оптическая микроскопия, инфракрасная спектрометрия и газовая хроматография (ГХ), газовая хроматография с масс-спектрометрией (ГХ-МС).
4
Gresh_1

Рис. 1. Технологические особенности изготовления креста-энколпиона по данным нейтронной томографии, растровой и оптической микроскопии. 1 – макрофотография энколпиона; 2, 3 – схема устройства запорных штифтов (нейтронные томографичесие срезы); 4 – томографический срез оглавия (вид сверху); 5 – томографический срез полой втулки (уровень половины глубины); 6 – оглавие (деталь общей макрофотографии); 7 – томографический срез оглавия (фронтальный); 8 – оптическое изображение полой втулки оглавия (вид сверху): 9 – РЭМ – изображение материала, заполняющего стыковочный шов втулки, черной стрелкой отмечено место ЭРМ-анализа; 10 – оптическое изображение материала, заполняющего стыковочный шов втулки (отраженный свет). Fig. 1. Peculiarities of manufacturing technology of the reliquary cross based on neutron tomography, scanning and optical microscopy data

5

Указанные методы на протяжении нескольких десятилетий популярны в мировой исследовательской практике изучения археологических и исторических объектов, в том числе изделий из металла и органических материалов (Ogilvie, 1970; Hilling, 1976; Low et al., 1977; Evershed et al., 1990; Derrick, Stulik, 1999; Deschler-Erb et al., 2004; Ingo et al., 2004; Siano et al., 2006; Friedman et al., 2008; Lehmann et al., 2010; Oudbashi et al., 2013; Bonaduce et al., 2017). В последнее время они все чаще используются и в работах отечественных ученых как неоднократно доказавшие свою эффективность (Ениосова, 2016; Пожидаев и др., 2016; Коваленко и др., 2019; Преснякова и др., 2019).

6 На нейтронной томографической установке ДРАКОН реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт» (КИ) были получены томографические срезы и построена 3D-модель креста-энколпиона из Новодевичьего монастыря, изучены его отдельные детали и внутренняя полость. Исследована поверхность под окислами. Метод нейтронной дифракции использовался до вскрытия креста для уточнения природы вложений (минерал или органика). Исследования проводились на нейтронном дифрактометре ДИСК (ИР-8, НИЦ КИ). Размер нейтронного коллимированного пучка составлял 3 мм2. Анализ охватывал всю толщину створок и их содержимое.
7 Для изучения минеральной части заполнения креста (до вскрытия) применялся метод НРА (Говор и др., 2017). Исследовался элементный состав отобранных (по результатам томографии) участков энколпиона по всей толщине створок и сопутствующих им пустот, а также состав оглавия. Измерения проводились по мгновенному гамма-излучению реакции (n, n'γ, где n – падающий нейтрон, n‘– рассеянный нейтрон, γ – гамма квант) на пучке быстрых нейтронов (ГЭК № 2) реактора ИР-8. В качестве данных по интенсивностям характеристического гамма-излучения в (n, n’γ) реакции использовались результаты работы (Говор и др., 1978) и измерения эталонов. Диаметр нейтронного пучка составлял 30 мм.

Number of purchasers: 0, views: 1634

Readers community rating: votes 0

1. Belyayev L.A., 2020. Cross from the Novodevichy Convent: archaeological context and typology of reliquary crosses of the 16th–17th centuries. RA [Russian archaeology], 4, pp. ???. (In Russ.)

2. Bio-Rad. IR Spectral Databases (Electronic resourсe). URL: https://www.bio-rad.com/ru-ru/product/ir-spectral-databases?ID=N0ZXNZE8Z.

3. Bonaduce I., Ribechini E., Modugno F., Colombini M.P., 2017. Analytical approaches based on gas chromatography mass spectrometry (GC/MS) to study organic materials in artworks and archaeological objects. Analytical Chemistry for Cultural Heritage. Cham: Springer, pp. 291–327.

4. Broda J., Przybyło S., Kobiela-Mendrek K., Binia D., Rom M., Grzybowska-Pietras J., Laszczak R., 2016. Biodegradation of sheep wool geotextiles. International Biodeterioration & Biodegradation, 115, pp. 31–38.

5. Cardamone J.M., 2010. Investigating the microstructure of keratin extracted from wool: Peptide sequence (MALDI-TOF/TOF) and protein conformation (FTIR). Journal of molecular structure, vol. 969, no. 1–3, pp. 97–105.

6. Chen H.L., Jakes K.A., Foreman D.W., 1996. SEM, EDS, and FTIR examination of archaeological mineralized plant fibers. Textile research journal, vol. 66, no. 4, pp. 219–224.

7. Chernova O.F., Tselikova T.N., 2004. Atlas volos mlekopitayushchikh. Tonkaya struktura ostevykh volos i igl v skaniruyushchem elektronnom mikroskope [Hair atlas of mammals. Fine structure of overhair and spines in scanning electron microscope]. Moscow: Tov-vo nauch. izd. KMK. 430 p.

8. Derrick M.R., Stulik D.C., 1999. Infrared Spectroscopy in conservation science. Scientific tools for conservation. Los Angeles: Getty Conservation Instit. 235 p.

9. Deschler-Erb E., Lehmann E.H., Perinet L., Vontobel P., Hartmann S., 2004. The complementary use of neutrons and x-rays for the non-destructive investigation of archaeological objects from Swiss collections. Archaeometry, vol. 46, no. 4, pp. 647–661.

10. Eniosova N.V., 2016. The chemical composition of non-ferrous metal from Gnezdovo. Istoricheskiy zhurnal: nauchnyye issledovaniya [History Journal: Researches], 6, pp. 724–733. (In Russ.)

11. Evershed R.P., Heron, C., Goad, L.J., 1990. Analysis of organic residues of archaeological origin by high-temperature gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. Analyst, vol. 115, no. 10, pp. 1339–1342.

12. Friedman E.S., Brody A.J., Young M.L., Almer J.D., Segre C.U., Mini S.M., 2008. Synchrotron radiation-based x-ray analysis of bronze artifacts from an Iron Age site in the Judean Hills. Journal of Archaeological Science, vol. 35, no. 7, pp. 1951–1960.

13. Golikov V.P., Lantratova O.B., Sinitsyna N.P., 2005. Chemical and technological research of materials from the burials of the Ascension Monastery necropolis in the Moscow Kremlin. Issledovaniya v konservatsii kul’turnogo naslediya: materialy konf. [Studies in the preservation of cultural heritage: Conference proceedings], 1. Moscow: Indrik, pp. 51–63. (In Russ.)

14. Govor L.I., Cherepantsev Yu.K., Akhmed M.R., al’-Nadzhar S., al’-Amili M.A., al’-Assafi N., Rammo N., 1978. Atlas spektrov gamma-izlucheniya ot neuprugogo rasseyaniya bystrykh neytronov reaktora [Atlas of gamma radiation spectra from inelastic scattering of fast neutrons in a reactor]. Moscow: Atomizdat. 328 p.

15. Govor L.I., Greshnikov E.A., Zaytseva I.E., Kovalenko E.S., Kurkin A.V., Murashov M.M., Podurets K.M., Somenkov V.A., Glazkov V.P., Blagov A.E., Yatsishina E.B., 2017. Studies of two-part medieval Russian reliquary crosses by nuclear physics methods. KSIA [Brief Communications of the Institute of Archaeology], iss. 249, part II, pp. 348–365. (In Russ.)

16. Hilling O.R., 1976. Neutron Radiographic Enhancement Using Doping Materials and Neutron Radiography Applied to Museum Art Objects. Practical Applications of Neutron Radiography and Gaging. H. Berger, ed. West Conshohocken: Amer. Soc. for Testing and Materials Intern., pp. 268–276.

17. Ingo G.M., Angelini E., De Caro T., Bultrini G., Mezzi A., 2004. Combined use of XPS and SEM+EDS for the study of surface microchemical structure of archaeological bronze Roman mirrors. Surface and Interface Analysis, vol. 36, no. 8, pp. 871–875.

18. Kolobylina N.N., Greshnikov E.A., Vasil’yev A.L., Tereshchenko E.Yu., Zaytseva I.E., Makarov N.A., Kashkarov P.K., Yatsishina E.B., Koval’chuk M.V., 2017. Electron microscopy study of an Old Russian niello decorated reliquary cross of the 12th century. Kristallografiya [Crystallography], vol. 62, no. 4, pp. 543–550. (In Russ.)

19. Kolobylina N.N., Greshnikov E.A., Vasiliev A.L., Tereschenko E.Yu., Zaytseva I.E., Makarov N.A., Kashkarov P.K., Yatsishina E.B., Kovalchuk M.V., 2017. Electron microscopy study of an Old Russian (XII century) encolpion cross with black inlay. Crystallography Report, vol. 62, no. 4, pp. 529–536.

20. Kovalenko E.S., Podurets K.M., Greshnikov E.A., Zaytseva I.E., Agafonov S.S., Kolobylina N.N., Kaloyan A.A., Govor L.I., Kurkin V.A., Yatsishina E.B., 2019. Study of an Old Russian bronze reliquary cross with non-destructive methods. Kristallografiya [Crystallography], vol. 64, no. 5, pp. 826–831. (In Russ.)

21. Lehmann E.H., Deschler-Erb E., Ford A., 2010. Neutron Tomography as a valuable tool for the non-destructive analysis of historical bronze sculptures. Archaeometry, vol. 52, no. 2, pp. 272–285.

22. Low M.D., Baer N.S., 1977. Application of Infrared Fourier Transform Spectroscopy to Problems in Conservation: General Principles. Studies in Conservation, vol. 22, no. 3, pp. 116–128.

23. Makarov N.A., Greshnikov E.A., Zaytseva I.E., Podurets K.M., Kovalenko E.S., Murashov M.M., 2020. Invisible holy relics. Relics and materials inserted in medieval reliquary crosses based on the data from comprehensive analytical studies. KSIA [Brief Communications of the Institute of Archaeology], 258, pp. 25–45. (In Russ.)

24. Mirnezhad S., Safapour S., Sadeghi-Kiakhani M., 2017. Dual-mode adsorption of cochineal natural dye on wool fibers: Kinetic, equilibrium, and thermodynamic studies. Fibers and Polymers, vol. 18, no. 6, pp. 1134–1145.

25. NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library (NIST 14) (Electronic resource). URL: http://www.sisweb.com/nist.

26. Ogilvie R.E., 1970. Applications of the solid state x-ray detector to the study of art objects. Application of science in examination of works of art: proceedings of the seminar. Boston: Museum of Fine Arts, pp. 84–87.

27. Oudbashi O., Emami S.M., Ahmadi H., Davami P., 2013. Micro-stratigraphical investigation on corrosion layers in ancient Bronze artefacts by scanning electron microscopy energy dispersive spectrometry and optical microscopy. Heritage Science, vol. 1, no. 1, pp. 1–10.

28. Pozhidayev V.M., Kamayev A.V., Devlet E.G., Greshnikov E.A., Nuretdinova A.R., Sivitskiy M.V., 2016. Gas chromatographic study of the contents remains from a medieval spherical-conical vessel. Zhurnal analiticheskoy khimii [Journal of Analytical Chemistry], vol. 71, no. 11, pp. 1209–1212. (In Russ.)

29. Presnyakova N.N., Vasil’yev A.L., Tereshchenko E.Yu., Yatsishina E.B., 2019. Peculiarities of the use of electron microscopy methods in historical metal studies. Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti SPb. gos. politekhn. univ. Fiziko-matematicheskiye nauki [St. Petersburg State Polytechnic University Journal - Physics and mathematics], vol. 12, no. 3, pp. 92–100. (In Russ.)

30. Sajed T., Haji A., Mehrizi M.K., Boroumand M.N., 2018. Modification of wool protein fiber with plasma and dendrimer: Effects on dyeing with cochineal. International journal of biological macromolecules, 107, pp. 642–653.

31. Salvadó N., Butí S., Tobin M.J., Pantos E., Prag A.N., Pradell T., 2005. Advantages of the use of SR-FT-IR microspectroscopy: applications to cultural heritage. Analytical Chemistry, vol. 77, no. 11, pp. 3444–3451.

32. Siano S., Bartoli L., Santisteban J.R., Kockelmann W., Daymond M.R., Miccio M., De Marinis G., 2006. Non-destructive investigation of bronze artefacts from the Marches National Museum of Archaeology using neutron diffraction. Archaeometry, vol. 48, no. 1, pp. 77–96.

33. Svetogorov R.D., Sul’yanov S.N., 2018. High-resolution powder diffraction at the RSA station of the Kurchatov synchrotron radiation source. IX Natsional’naya kristallokhimicheskaya konf., 4–8 iyunya 2018 g.: tez. [IX National crystal chemistry conference, June 4–8, 2018: Abstracts]. Suzdal’, p. 81. (In Russ.)

34. Zhang J., Palmer S., Wang X., 2010. Identification of animal fibers with wavelet texture analysis. WCE 2010: Proceed. of the World Congress on Engineering. Hong Kong: Intern. Assoc. of Engineers, Newswood Ltd, pp. 742–747.

Система Orphus

Loading...
Up