Caractérisation des pigments sur les peintures de chevalet par des méthodes optiques non-invasives

L’étude des peintures de chevalet par des méthodes scientifiques poursuit plusieurs objectifs : accroître les connaissances sur les techniques artistiques, étudier la vie matérielle des œuvres – c’est-à-dire les diverses transformations de l’œuvre depuis le temps de sa création – et proposer une assistance scientifique à la conservationrestauration. Les méthodes utilisées pour analyser les peintures évoluent dans le temps et varient selon les laboratoires. Leurs mises en œuvre dépendent des problématiques rencontrées. En effet, on ne fera pas les mêmes analyses physicochimiques si l’on cherche à déterminer la palette d’un peintre ou si l’on souhaite dater une toile. Les méthodes d’analyse sont très nombreuses et multi-échelles, des accélérateurs à la fluorescence X, en passant par la photographie, la radiographie, les microscopies optiques et électroniques, les analyses chimiques… Autant que faire se peut, les prélèvements (même microscopiques) peuvent être évités afin de privilégier les analyses dites « non invasives » – c’est-à-dire sans contact, sans prélèvement et sans dommage – dans un but évident de préserver l’intégrité de l’œuvre d’art. L’évolution des techniques, la miniaturisation et la diminution des prix des appareils permettent l’émergence de nouvelles méthodes d’analyse, dont l’imagerie hyperspectrale, technique utilisée auparavant dans le domaine militaire qui se développe depuis une dizaine d’années dans le domaine de l’analyse du patrimoine culturel.

Parmi les diverses questions que pose un tableau, notre étude va se focaliser sur la caractérisation des pigments utilisés par un peintre. Ils sont en effet responsables de la couleur que l’on voit lorsque l’on observe une œuvre. La couleur est la perception d’une lumière diffusée par un objet par l’œil et interprétée par le cerveau. Comme il s’agit d’une perception subjective, des méthodes de mesure de la couleur ont été développées afin de la caractériser d’une manière objective. L’objectif est donc de caractériser les pigments sans prélèvement, en s’appuyant sur la sensation colorée. Les techniques d’analyse développées dans cette étude s’insèrent dans l’ensemble des méthodes optiques, dans les domaines visible et infrarouge (nous ne traiterons pas l’ultraviolet) : la photographie, la spectrophotométrie, et l’imagerie hyperspectrale. L’optique n’étant pas limitée au seul rayonnement visible, nous utiliserons également une méthode basée uniquement sur le rayonnement infrarouge : la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier.

La conservation du patrimoine

Au Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France (C2RMF), comme dans les autres laboratoires chargés d’analyser et de préserver le patrimoine culturel dans le monde, les scientifiques s’activent à découvrir les faces cachées des objets d’art (peintures, sculptures, objets du quotidien, de culte, etc…) pour plusieurs raisons. La première – et la plus fondamentale – est de permettre que ces objets soient transmis aux générations futures dans le meilleur état possible. En effet, les œuvres d’art se dégradent avec le temps, elles perdent leurs couleurs par exemple, ou se déforment. Parfois, elles sont l’objet d’accidents (vol, déchirure, tag), et même lorsqu’il ne leur arrive rien de particulier, le temps et les conditions de conservation (humidité, température) font que les œuvres se dégradent plus ou moins vite. Mieux connaître les constituants des œuvres permet de mieux les conserver et de mieux les restaurer également. La seconde raison réside dans l’amélioration de nos connaissances en histoire de l’art et des techniques : en effet, savoir comment est fabriquée une statue ou quelle est la technique d’un peintre contribue à en savoir plus sur les connaissances techniques d’une époque, ou encore l’évolution des techniques. On peut aussi obtenir des informations sur une œuvre non datée par exemple grâce à ces connaissances, bien contextualisées et parfois datées.

Ainsi, les objectifs des laboratoires de conservation-restauration des œuvres d’art sont doubles :
– Savoir comment l’œuvre a été fabriquée, c’est-à-dire quels sont ses constituants matériels, quelles ont été les étapes de l’élaboration de l’œuvre…
– Etudier son état de conservation, c’est-à-dire les modifications de son état original (éventuellement les restaurations passées), et son vieillissement. [ICOM-CC 2008].

De nombreux laboratoires existent dans le monde pour la conservation restauration du patrimoine, à la National Gallery of Art de Londres et celle de Washington, au Getty Museum de Los Angeles… Chacun de ces laboratoires utilise des techniques communes ou qui leur sont propres pour analyser les œuvres. Le C2RMF, par exemple, dispose d’un accélérateur de particules dédié à l’analyse du patrimoine en son laboratoire unique au monde. Les peintures, sculptures et autres objets d’art sont radiographiés, soumis aux différentes analyses (diffraction aux rayons X, fluorescence aux rayons X, photographie, réflectographie infrarouge, spectrophotométrie, microscope optique…) pour étudier leur composition et la mise en œuvre des matériaux.

Nature des pigments historiques

Les pigments sont définis dans le Dictionnaire des Matériaux du peintre comme de « fines poudres blanches ou colorées, insolubles ou très peu solubles dans le milieu de dispersion, utilisées pour leurs caractéristiques optiques dans la préparation de crayons, encres, enduits, pastels, peinture, etc. » [Perego 2005] Les couleurs sont utilisées en les dispersant par broyage dans un liant (huile, eau, jaune et/ou blanc d’œuf…) avant leur application sur un support.

Etant donnée la variété des pigments présents sur les peintures de chevalet, la première étape consiste à choisir une période d’application de notre méthode d’analyse aux tableaux. Le travail sur la question des mélanges de pigments nécessitait (au moins dans un premier temps) de se placer à une époque où les mélanges de pigments étaient assez limités (mélange de deux ou trois pigments). C’est pourquoi nous avons choisi la période pré-XVIII ème siècle. Nous avons donc fait la liste des pigments que l’on peut rencontrer à cette période là pour créer notre base de données, comprenant 20 pigments [Kühn 1970]. Le nombre de pigments est ainsi limité, et les mélanges de l’époque ne mettent pas en jeu (en général) plus de 3 pigments simultanément.

Cependant, quelle que soit la taille de notre base de données, et même si elle reste incomplète, elle constitue un point de départ qui pourra être enrichi par la suite, et elle permet d’avoir une vision assez précise de ce que l’on analyse, car les pigments les plus courants appartiendront à cette base et d’autres techniques pourront analyser ceux qui ne lui appartiennent pas.

On s’intéresse à la fois à la composition chimique des pigments et à leurs propriétés optiques, car ce sont elles qui sont à l’origine de la couleur. La stabilité des pigments sera également évoquée car les tableaux analysés sont anciens et l’altération des pigments joue énormément sur la couleur sous laquelle ils se présentent actuellement. Les informations données ici sont tirées du Dictionnaire des matériaux du peintre, de François Perego [Perego 2005] et des différents volumes de l’ouvrage Artists’ Pigments : A handbook of their history and characteristics [Feller 1987; Roy 1993; West Fitzhugh 1997; Berrie 2007] .

Les jaunes

On distingue deux grands types de pigments jaunes : les jaunes à base d’oxyde de fer (comme l’ocre jaune) et les jaunes à base de plomb (jaune de plomb et d’étain, jaune de Naples).
– Ocre jaune : Il s’agit d’un pigment minéral, composé de terres argileuses contenant de l’oxyde de fer. Les ocres (qu’elles soient jaunes ou rouges) sont utilisées depuis le paléolithique. L’ocre jaune doit sa couleur à un pourcentage (de moins de 25%) d’oxyde de fer ferrique nommé goethite, de formule α-FeOOH, et est composée également d’argiles et de quartz, dont les proportions varient beaucoup selon les zones géographiques. On distingue les ocres par leur faible teneur en Fe2O3 des oxydes de fer (qui, eux, ont une teneur supérieure à 65% – et en générale proche de 100% – en Fe2O3). L’ocre jaune est utilisée dans toutes les périodes de la peinture. Il est très stable à la lumière et change de couleur lorsqu’on l’expose à une chaleur trop forte (devient rouge).

– Jaunes de plomb et d’étain : Il y a deux jaunes de plomb et d’étain, qu’on appelle PbSn I et PbSn II. Il s’agit de pigments inorganiques de synthèse. Le jaune II est le plus ancien (il est utilisé entre le XIVème et le milieu du XVème siècle), alors que le jaune I (qui est le plus répandu) est utilisé entre le milieu du XVème siècle et le milieu du XVIIIème siècle. Le jaune I a pour formule Pb2SnO4 alors que le jaune II répond à la formule Pb(Sn,Si)O3. Ils sont tous les deux très stables à la lumière.

– Jaune de Naples : Le jaune de Naples (ou jaune d’antimoine de plomb, ou encore jaune de plomb et d’antimoine, ou jaune PbSb) est un pigment inorganique de synthèse. Dès le XVIème siècle dans la peinture italienne, on identifie parfois une variété intermédiaire PbSbSn (entre le jaune de plomb et d’étain et le jaune de Naples) qui évolue rapidement en PbSb – l’utilisation de la forme intermédiaire étant très limitée nous ne l’inclurons pas dans la base de données. L’utilisation du jaune de Naples devient fréquente dans la peinture à partir de la seconde moitié du XVIIème siècle. Sa formule est Pb3(SbO4)2. Il est très stable à la lumière.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Notions introductives et état de l’art
I. 1. La conservation du patrimoine
I. 2. Nature des pigments historiques
I. 2. 1. Les jaunes
I. 2. 2. Les bleus
I. 2. 3. Les verts
I. 2. 4. Les rouges
I. 2. 5. Les bruns
I. 2. 6. Les noirs et blanc
I. 3. L’analyse des pigments
I. 3. 1. Les méthodes invasives
I. 3. 2. Les méthodes non invasives
I. 4. L’optique
I. 4. 1. Les bases de l’optique
I. 4. 2. Historique de la spectrophotométrie
I. 4. 3. Historique de la photographie
I. 4. 4. Historique de l’imagerie spectrale
I. 5. Etat de l’art des techniques optiques appliquées à l’analyse d’œuvres d’art
I. 5. 1. La spectrophotométrie appliquée aux œuvres d’art au XIXème siècle
I. 5. 2. L’élaboration de bases de données optiques de pigments
I. 5. 3. Les problématiques de conservation-restauration des œuvres
I. 5. 4. Application des méthodes optiques à l’étude du patrimoine culturel
CHAPITRE II Présentation des appareils et comparaison des données optiques
II. 1. Présentation des différents appareils
II. 1. 1. Les spectromètres de type FORS
II. 1. 2. Les caméras hyperspectrales
II. 1. 3. Le spectromètre infrarouge en mode ATR (LCB)
II. 1. 4. L’appareil photographique Hasselblad
II. 2. La génération des données optiques
II. 2. 1. La génération des spectres
II. 2. 2. La génération des images
II. 2. 3. Le calcul des coordonnées CIELab
II. 3. Comparaison des données optiques en fonction des appareils utilisés
II. 3. 1. Comparaison des spectres
II. 3. 2. Comparaison des images
II. 3. 3. Comparaison des L*a*b* (comparaison des couleurs) en photographie et en spectrophotométrie
CHAPITRE III Identification et quantification des pigments par méthodes traditionnelles
III. 1. La fabrication des échantillons de peinture
III. 1. 1. La préparation des planches
III. 1. 2. Les échantillons pigment+blanc
III. 1. 3. Les échantillons pigment-pigment et pigment-pigment-blanc
III. 2. Exploitation des spectres visibles et infrarouges
III. 2. 1. L’identification des pigments à partir des spectres visibles
III. 2. 2. La quantification des pigments en mélange à partir des spectres visibles
III. 2. 3. La spectrométrie IR pour qualifier et quantifier les pigments
III. 3. La caractérisation des pigments à partir des fausses couleurs traditionnelles
III. 3. 1. Les images fausses couleurs (IR et UV) pour l’identification des pigments purs
III. 3. 2. Le cas des mélanges
CHAPITRE IV Méthodologie des composites variables
IV. 1. Rappels
IV. 1. 1. Rappels sur l’imagerie hyperspectrale
IV. 1. 2. Rappels sur l’imagerie en fausses couleurs traditionnelle
IV. 2. Le choix des bandes pour la construction du composite variable
IV. 2. 1. L’analyse des spectres
IV. 2. 2. Choix et minimisation du nombre de composites fausses couleurs
IV. 3. Utilisation des autres données optiques tirées de l’image
IV. 3. 1. Utiliser les coordonnées CIELab
IV. 3. 2. Utiliser les spectres ponctuels
IV. 4. Etude des mélanges
IV. 4. 1. L’influence de l’ajout de blanc
IV. 4. 2. Les mélanges pigment-pigment
CHAPITRE V Application aux tableaux
V. 1. Présentation des tableaux
V. 1. 1. Vénus présente l’Amour à Jupiter, Junon, Neptune et Amphitrite
V. 1. 2. L’Apparition de la Vierge à Saint Martin
V. 2. Analyse des tableaux à l’aide des composites variables
V. 2. 1. Les rouges
V. 2. 2. Les bruns
V. 2. 3. Les jaunes
V. 2. 4. Les bleus
V. 2. 5. Les verts
V. 3. Confrontation aux autres méthodes d’analyse
Conclusion générale

Lire le rapport complet