Scanner à rayons X d’œuvres d'art
par Dr Marc Ghysels

October 25, 2005

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Depuis la fin des années 70, le scanner à rayons X sonde le corps des patients afin de diagnostiquer la cause de leur mal. S’il a, en son temps, véritablement révolutionné la pratique du diagnostic médical, le recours, aujourd’hui, à son usage dans le domaine de l'art pourrait à terme modifier le mode d’appréciation de certaines œuvres. En effet, la qualité et la fiabilité des images d’une œuvre obtenues par un scanner à rayons X -- ou tomodensitométrie -- permettent de « déshabiller » celle-ci, et par là même de mettre en évidence sa structure interne.

Appelé plus simplement "scanner", il permet, par une précision accrue de la mesure de densité des éléments constitutifs de l'objet examiné, de mieux les dissocier, tandis qu'ils se confondent généralement sur un cliché radiographique classique. Il trouve dès lors toute sa place et son utilité parmi les disciplines scientifiques ayant pour objet d’étudier l’histoire des œuvres d'art : mode de fabrication, fonctions initiales, usages ultérieurs, conservation, etc.

En radiologie conventionnelle, le faisceau de rayons X projette sur le cliché les ombres cumulées des éléments constitutifs de l’objet qu’il traverse. Dans ce cas, les éléments de faible densité sont totalement masqués par l'ombre des éléments plus denses. Le scanner va pallier cet inconvénient car il permet de visualiser, de manière indépendante, chacun de ses éléments constitutifs. Son principe est de réaliser des coupes successives à travers l'objet. L’enregistrement de ces images, dans un format digital, permet de construire, dans un second temps, des coupes dans n'importe quel plan de l'espace, grâce à un programme informatique de manipulation d'images. Ce dernier permet également, en additionnant les coupes, de visualiser la globalité de l'objet tout en offrant la possibilité de modifier, à la demande, la transparence des éléments qui le composent. Ces opérations vont révéler son histoire en termes de :

- techniques de fabrication : démontrer, par exemple, pour une terre cuite si elle fut modelée en colombin, tournée ou estampée,
- dommages naturels : oxydation, érosion, fissuration, etc.,
- réparations : imprégnation, infiltration, collage d'éclats ou de fragments, etc.,
- restaurations : reconstitution juste et intelligible des parties détériorées,
- voire d’artifices de montage.

La technique d'imagerie par scanner, lorsqu’elle est associée à une interprétation pertinente des images obtenues, constitue un puissant outil de diagnostic, susceptible d'apporter des éléments de preuve sur l'état physique interne d'une œuvre d'art. Si elle peut contribuer à établir l’histoire d'une œuvre, conjointement à d'autres techniques d'observation et d'analyse, elle ne constitue pas un test de datation.

Comme tout équipement sophistiqué, le scanner a ses limites d'utilisation. Destiné essentiellement à l'examen des êtres humains, les objets tridimensionnels qui lui sont soumis auront un diamètre de 50 cm maximum et un poids qui n’excèdera pas celui d'un homme. S’il est susceptible d'examiner la plupart des matières, il est toutefois nécessaire pour les objets en métal de recourir à un scanner industriel.

Son utilisation pour l'étude des antiquités ne date pas d'hier : dès 1979, année où le prix Nobel de Médecine fut attribué à Allan M. Cormack et Sir Godfrey N. Hounsfield pour leur invention du scanner, le docteur Derek Harwood-Nash publiait le premier article relatant l'investigation par celui-ci d'une momie égyptienne. Il notait déjà tout le bénéfice que pourrait tirer de son usage, par essence non destructif, des domaines scientifiques tels que l'égyptologie, la paléontologie, l'archéologie, etc.

Depuis, grâce à ce caractère non destructif, l'étude par scanner des objets du passé s'est généralisée, permettant entre autres de les préserver intacts pour les générations futures. Il est par exemple possible de scanner un sarcophage égyptien contenant une momie, d’identifier, au niveau de son thorax, les scarabées en faïence ou en pierre qui y ont été enfouis afin de visualiser, avec précision, leur face inférieure sur laquelle sont éventuellement gravés des hiéroglyphes. Il suffira ensuite de les photographier afin qu'un égyptologue puisse les lire, et connaître ainsi l'histoire du défunt tout en maintenant le sarcophage inviolé.

D’autres applications, relatives à l'étude d’objets qui font partie de l'héritage culturel, ont été détaillées tant dans la presse, les revues spécialisées que sur internet, telle l'étude des instruments à cordes (violons, violoncelles, guitares...), vases archéologiques en terre cuite, verres antiques, netsuke en bois et en ivoire, vrais et faux fossiles, œufs de dinosaure. Plus récemment, les développements suivants ont vu le jour : modélisation d'instruments de musique anciens, identification d'œuvres d'art par les compagnies d'assurances, reproduction stéréolithographique en résine époxy, etc.

L'intérêt de scanner des œuvres d’art repose sur le principe suivant : chaque grain de matière constitutif d'un objet possède une densité mesurable, plus ou moins différente des grains adjacents, car la composition des matières non-synthétiques est rarement homogène. Or, la densité de ces grains est parfaitement stable dans le temps parce qu’elle est essentiellement fonction de la concentration et du poids atomique moyen de ses atomes constitutifs. Qu'une altération physique ou chimique de l'objet survienne, elle se traduira immanquablement par une modification de la densité de la matière. Ainsi, à titre d'exemple, un processus d’oxydation se traduira par une diminution de densité des grains de matière oxydés par rapport à ceux qui ne le sont pas.

Etant un instrument de mesure de la densité de la matière, le scanner est particulièrement adapté pour détecter toute altération de l'état de celle-ci. Le résultat de l'examen est généralement affiché sous la forme d'une image où les grains de matière les plus denses sont représentés en gris foncé ou en noir, alors que les grains moins denses apparaissent en gris plus clair. Malheureusement, ces images, en échelle de gris, ne parlent pas toujours d'elles-mêmes ! Il convient dès lors de les interpréter. De la même manière, en médecine, le radiologue interprète-t-il, par exemple, un scanner de la colonne pour déterminer si les vertèbres sont ou non fracturées. La qualité de cette interprétation sera évidemment fonction de plusieurs critères tels que la qualité du scanner utilisé, son calibrage initial, l’ajustement des paramètres de réalisation de l'examen, le type d'algorithme de construction des images utilisé, etc.

Outre son caractère non destructif, l'analyse par scanner d'un objet bénéficie, par rapport à d'autres tests scientifiques, d'un avantage considérable : elle permet d'examiner l'objet dans sa totalité plutôt que de se limiter à l’examen d’un échantillon.

Dans des conditions optimales d'utilisation, son « pouvoir de résolution », c'est-à-dire le diamètre minimal d’un grain de matière pour lequel le scanner est encore capable de mesurer une valeur de densité, avoisine 0,05 mm. Ce pouvoir de résolution est donc largement suffisant pour identifier, par exemple, une faille dans une sculpture en bois, ivoire, terre cuite ou pierre, même si cette faille est invisible à l'œil nu ou à la radiographie conventionnelle.

Fig. 1		Fig. 2

Scanner un objet en bois offre l’avantage supplémentaire de déterminer l'ampleur des dégâts provoqués par des vers à bois ou des termites, voire de diagnostiquer la présence d'œufs ou de larves d’insectes xylophages vivants. Ce dernier diagnostic posera alors l’indication d’un traitement conservateur, telle l’anoxie sous atmosphère d’azote.

Par ailleurs, dans le domaine de l’art tribal, certaines sculptures cachent occasionnellement en leur sein ou sous une couche de substances organiques condensées, des stigmates rituels, fétiches ou charges magiques dont la découverte non invasive peut offrir une meilleure compréhension de leur nature et fonction originelles.

Les objets constitués d’autres matières organiques de faible densité telles les fibres végétales, le cuir, la corne, etc., peuvent également être étudiés par scanner, en dépit de l'absence de cernes de croissance visibles. Ainsi, le mode de tissage de certains textiles enfouis, et donc non observables, peut aisément être révélé par cette technique.

Fig. 3		Fig. 4

L’examen scanner du stûpa birman en ivoire (fig. 3), illustré ci-contre, révèle tout le mystère qu’il renferme en mettant au grand jour un bouddha debout, finement sculpté par évidement de la matière au travers des pertuis du claustra. Ce bouddha forme un ensemble d’un seul tenant comme le prouve la présence ininterrompue du canal du nerf dentaire à travers toute la pièce. En effet, l’ivoire provient d’une incisive hypertrophiée, nécessairement innervée du vivant de l’éléphant.

L'examen de la tête ekoï, illustrée plus loin, révèle l'existence d'un crâne humain sous la peau d'antilope qui le recouvre. Ceci nous autorise à penser que son origine remonte à une époque antérieure à celle du protectorat britannique au Nigeria (fin du XIXème s.). En outre, l'étude anatomique du crâne démontre l’insertion, dans la mâchoire supérieure, de dents provenant à l’évidence d’un mammifère carnassier, donnant à cette tête un aspect particulièrement effrayant comme le veut d'ailleurs la tradition. Enfin, l'examen des sinus frontaux découvre une charge magique, de composition partiellement métallique, enfouie sous la paroi osseuse des sinus et recouverte d'argile et de peau d'antilope. C'est probablement grâce au fait que cette charge était totalement invisible qu'elle n’en fut pas extraite avant d’arriver sur le marché occidental.

Fig. 5		Fig. 6		Fig. 7

En effet, l’argile étant au départ de consistance molle, elle garde en mémoire la trace de tout ce qui est entré en contact avec elle avant cuisson, que ce soit l’empreinte du support sur lequel elle a été modelée, les empreintes des doigts de l’artiste ou la trace de ses outils. Vu son caractère relativement adhésif, l’argile fraîche incorpore, parfois, de la poussière ou des résidus de densités variables. Ces stigmates permettent au radiologue de suivre à la trace la séquence des étapes créatives de l’œuvre et d’éventuellement en pointer les incohérences, pour lesquelles il conviendra de trouver une explication plausible, dans un domaine où, comme l’affirment de nombreux experts interrogés récemment par Thomas Fuller, les faux abondent.

Le scanner d’une terre cuite permet aussi d’étudier la granulométrie des particules métalliques qu’elle renferme de même que sa densité globale. En effet, en règle générale, dans une même sculpture, tant la granulométrie que la densité globale de la terre restent constantes, l’artiste puisant, en principe, dans le même stock d’argile pour réaliser son œuvre. De surcroît, le scanner met en évidence les structures de soutien, métalliques ou organiques, utilisées par l’artiste en cours de modelage, qu’elles aient franchi ou non l’étape de la cuisson. Enfin, deviennent apparents le mode d’assemblage des pièces estampées, la qualité de l’engobe, les retouches avant cuisson ou les traces d’anciennes peintures.

A contrario, lorsque des éléments de terre déjà cuite – par exemple des briques de fouille – sont successivement découpés, taillés, creusés, assemblés, raclés, poncés, peints, etc, pour constituer in fine une sculpture d’apparence originale, il ressort à l’examen scanner toute une gamme d’autres signes qui, le plus souvent, démontrent un montage récent.

Selon une enquête menée par Sheila Farr et publiée dans le Seattle Times début 2003, les montages d’œuvres en terre cuite ont essentiellement pour objet de tromper l’amateur d’art peu averti qui accorderait une confiance absolue à l’analyse par thermoluminescence (TL) pour juger de l’authenticité d’une œuvre.

Or, rappelons que la vocation de la TL est de déterminer l’âge de la dernière cuisson d’un objet en terre cuite. Cette mesure est réalisée sur quelques échantillons millimétriques, prélevés par forage dans l’objet. Si elle permet d’établir l’ancienneté de la matière prélevée, en aucun cas la TL ne permet de prouver que la forme actuelle de l’objet correspond à celle qu’il avait lors de la cuisson de la matière analysée.

Un détail important concerne l’influence qu’aurait un examen scanner sur une TL ultérieure. A cette fin, en collaboration avec le laboratoire Archéolabs, nous avons scanné dix objets et onze échantillons de terre cuite dont les âges avaient tous été déterminés, au préalable, par TL. Les TL ont été refaites, dans les mêmes conditions, après examen scanner, laissant toutefois Archéolabs dans l’ignorance de la dose de rayons X qu’avaient subie ces spécimens. Après dépouillement des résultats, l’âge déterminé par TL, tant des dix objets que des onze échantillons, était resté identique à celui d’avant leur passage au scanner.

Cette expérience confirme donc celles, non publiées, d’autres laboratoires selon lesquelles l’investigation par scanner d’une antiquité, réalisée dans des conditions d’examen appropriées, ne modifie en rien le résultat de la TL.

Fig. 8		Fig. 9		Fig. 10		Fig. 11

L'étude par scanner de sculptures en pierre, dans leur totalité, n’a pas encore été décrite dans la littérature. La raison réside probablement dans l'incompatibilité apparente qui existe entre la puissance de pénétration relativement faible des rayons X issus des scanners médicaux (par comparaison aux scanners industriels) et la densité élevée de cette matière.

L'expérience démontre toutefois que cette puissance est suffisante pour les sculptures en pierre n’excédant pas 40 cm de diamètre. Leur examen par scanner est même source d'informations précieuses sur l'état physique profond de la matière, chose impossible avec les autres types d’analyses scientifiques qui, en général, étudient essentiellement la surface de la sculpture, ou des échantillons de celle-ci.

Ainsi, le scanner peut démontrer si une sculpture est constituée de plusieurs blocs et préciser s’ils sont de même nature grâce à l’analyse de leur densité, de l’orientation de leurs veines ou des strates sédimentaires, de leur richesse en inclusions métalliques naturelles.

En cas de réparations, deviennent apparents, dans la profondeur de la roche, des éléments distincts tels que les structures métalliques de soutien, trous de forage, joints de ciment ou injections de résine.

De même, les cas de malfaçons seront détectés, telle une tête qui serait fixée sur un corps réalisé dans une pierre différente.

Enfin, le scanner peut donner quelques indications sur la « croûte » de la sculpture, et même trouver en profondeur la cause d’anomalies de surface. Ainsi, la présence d’une faille circonférentielle ne traduit pas nécessairement une pierre cassée et recollée mais peut correspondre à l’érosion naturelle d’une strate sédimentaire oxydée.

L’examen scanner -- ou tomodensitométrique -- d’une œuvre va donc enrichir l’étude de son histoire en permettant de :

- découvrir son contenu,
- dévoiler son mode de fabrication,
- lever un doute sur son état général,
- généraliser les conclusions d’analyses ponctuelles,
- révéler la nature et l’importance d’une restauration,
- documenter un bilan de conservation,
- mettre à jour une falsification.

Il en résulte que cet examen touche un vaste public qui va du collectionneur à la police scientifique en passant par le marchand, l’expert et l’historien de l’art, le conservateur de musée, l’anthropologue, l’ethnologue, le paléontologue, le luthier, l’archiviste scientifique, mais aussi les ateliers de restauration, les salles de ventes, les cabinets d’avocats, les compagnies d’assurances, etc.