Caractérisation thermique de structures de combustion de la grotte des Fraux : soutenance de la thèse d’Aurélie Brodard

Mardi 29 janvier 2013, Aurélie Brodard soutiendra sa thèse de doctorat consacrée à la caractérisation thermique de structures de combustion de la grotte des Fraux par les effets de la chauffe sur les minéraux (thermoluminescence et propriétés magnétiques), à l’Université Michel de Montaigne de Bordeaux 3. Aurélie a réalisé ce doctorat en Physique des archéomatériaux sous la direction conjointe de Pierre Guibert et François Lévêque.

Résumé de la thèse :

Les structures de combustion constituent un témoin de la fréquentation humaine et leur étude permet d’appréhender un aspect du mode d’occupation d’un lieu donné. Ainsi, pour compléter les approches classiques qui s’intéressent à la typologie des foyers, à la fréquence des feux, à la nature des combustibles, etc., une caractérisation thermique de ces structures a été réalisée. Elle s’appuie sur les impacts thermiques enregistrés par les sédiments soumis aux feux et plus précisément sur les modifications des propriétés de thermoluminescence (TL) et de magnétisme avec la chauffe. Le statut et le mode d’occupation de la grotte de Fraux (Dordogne), occupée à l’Âge du bronze, posent question car celle-ci a livré autant de vestiges de nature domestique (sols de circulation, foyers, mobiliers) que symbolique (manifestations pariétales, dépôts de mobilier). La place prépondérante des foyers parmi dans la grotte a induit une étude spécifique de ces structures (plus de 60 foyers présentant un état de conservation exceptionnel).

L’étude de plusieurs foyers de la grotte des Fraux a permis de tester le potentiel de paléothermomètres fondés sur deux propriétés indépendantes à savoir la TL des grains de quartz et le magnétisme des oxydes de fer contenus dans les sédiments. Le paléothermomètre TL a été élaboré en comparant les signaux TL d’échantillons provenant de foyers archéologiques à ceux de références thermiques chauffées en laboratoire. Pour le magnétisme deux pistes ont été exploitées : les températures de déblocage de l’aimantation rémanente et l’évolution de la signature magnétique (minéralogie et taille de grain) avec la chauffe. La détermination des paléotempératures atteintes par les sédiments substrats des structures de combustion apporte une première indication sur leur intensité de chauffe.

 

Mesure de susceptibilité magnétique sur un foyer de la grotte des Fraux

Des feux expérimentaux ont été réalisés dans le but d’étalonner les informations paléothermométriques obtenues en termes d’énergie mise en jeu et de quantité de combustible consommé. Ils ont permis de valider les références thermiques et de caractériser les impacts thermiques dans le sédiment.

Expérimentation instrumentée conduite dans le cadre de la thèse d’Aurélie Brodard sur la base des modèles des foyers de la grotte des Fraux

Ces expérimentations ont aussi servi de base à une modélisation de propagation de la chaleur dans les sédiments. Les simulations effectuées dans ce modèle numérique permettent d’estimer un temps minimal de fonctionnement des structures de combustion. Nous disposons ainsi d’un nouvel outil pour la caractérisation thermique de foyers archéologiques.

Localisation et caractérisation des foyers de la grotte des Fraux : du Master 2 à la thèse de doctorat…

Au mois de juin 2009, Aurélie Brodard a soutenu son master 2 Pro de Sciences et Technologies (mention physique) à l’université de Bordeaux 1. Le mémoire de stage qu’Aurélie a conduit sous la co-direction de Pierre Guibert et François Lévêque avait pour sujet la localisation et la caractérisation des foyers de la grotte des Fraux. Son travail a été placé sous la co-tutelle de deux laboratoires de recherche : le CRP2A de Bordeaux (Centre de Recherche en Physique Appliquée à l’Archéologie) et le LIENSs de la Rochelle (Littoral, Environnement et Sociétés).

Couverture du mémoire de Master 2 Pro d'Aurélie Brodard

Couverture du mémoire de Master 2 Pro d'Aurélie Brodard

La grotte des Fraux, de par la qualité exceptionnelle de son état de conservation, offrait à Aurélie l’opportunité d’en faire un site de développement méthodologique, tout particulièrement pour les approches archéométriques. C’est ainsi qu’a été amorcée une approche exploratoire sur la localisation et la caractérisation des températures des foyers.

La première partie de son mémoire était dédiée à la localisation des structures de combustion via d’une part des mesures de champ magnétique couplées à une poursuite laser et, d’autre part, des mesures de susceptibilité magnétique permettant de spatialiser les foyers sur des surfaces étendues et d’appréhender leur profondeur.

La seconde partie de son mémoire est consacrée à la caractérisation des paléo-températures de la sole foyère du secteur 13 de la grotte, selon 2 méthodes : la thermoluminescence et le magnétisme. La thermoluminescence des grains de quartz a permis à Aurélie, après établissement de courbes de référence thermique, d’associer à chaque prélèvement du foyer une paléo-température. Des mesures réalisées en laboratoire sur des blocs d’argile provenant de la grotte ont quant à elles montré que la susceptibilité magnétique croît avec la température de chauffe atteinte. Le couplage entre thermoluminescence et susceptibilité magnétique sur les prélèvements de la sole foyère a permis d’établir une relation entre paléo-température et susceptibilité magnétique.

Ainsi, dans ce mémoire, Aurélie a t’elle développé une nouvelle méthode de prospection en milieu souterrain appliquée à la détection des foyers, mais aussi une nouvelle méthodologie de caractérisation des paléo-températures des structures de combustion.

Ce nouveau champ de recherche pluridisciplinaire a naturellement conduit Aurélie Brodard – sur les conseils de ses directeurs de Master 2 – a poursuivre son travail sur les Foyers de la grotte des Fraux dans le cadre d’une thèse de doctorat intitulé : « Reconstruction d’éléments du cadre de vie de populations de l’âge du Bronze : une caractérisation de structures de combustion de la Grotte des Fraux (Dordogne) par les effets de la chauffe sur les minéraux (luminescence et magnétisme), modélisation, interprétation archéologique ».

La thèse, inscrite à l’université de Bordeaux 3, fait l’objet d’une allocation ministérielle. Le travail, qui consiste en la caractérisation thermique de foyers (tels qu’ils témoignent de l’impact d’une occupation humaine sur un site) sera co-dirigé par Pierre Guibert du CRP2A et François Lévêque du LIENSs.

Un couplage entre magnétisme et thermoluminescence permettra de caractériser un état de chauffe et d’établir une cartographie des paléo-températures atteintes par le support sédimentaire de foyers, ce qui est inédit dans la communauté. Ce projet devrait aboutir à la mise au point d’un nouvel outil de caractérisation des environnements occupés par l’Homme. Les données seront calibrées en termes d’énergies mises en jeu grâce à des expérimentations archéologiques, ce qui servira de base à une modélisation des feux.

Aurélie dans la grotte des Fraux

Aurélie dans la grotte des Fraux

À la poursuite du champ magnétique

À la suite du test de couplage des approches de thermoluminescence et magnétiques réalisées en octobre 2008 – notamment dans le secteur 18, au niveau d’une aire fortement rubéfiée correspondant à une structure de combustion – François Lévêque a considéré que le levé du profil en prospection magnétique (procédé non destructif) aurait gagné en finesse a bénéficier de davantage de données par unité d’espace. L’un des objectifs de cette nouvelle campagne de prospection magnétique est de parvenir à produire une haute résolution spatiale de la variation du champ magnétique et de générer des données 3D de cette variation. Pour pallier au manque de données, François a décidé de passer à un mode d’acquisition dynamique (en continu) en réalisant un positionnement déconnecté de l’acquisition des mesures du champ magnétique avec la station trimble (aimablement prêtée à l’équipe par la société GEOTOPO). Cette station permet de localiser, au cm près, un prisme solidarisé au capteur de champ magnétique. Les deux séries temporelles de mesures sont synchronisées.

prospection magnétique

prospection magnétique via un mode d'acquisition dynamique solidarisant capteur de champ magnétique et prisme.

Cette opération a été réalisée sur plusieurs m3, sur la zone cible prospectée en octobre, autour du foyer F4. En moins d’une heure, cette opération a permis d’acquérir quelque 16 000 points de mesure à comparer aux 400 points de mesure acquis l’an passé (en 2 heures de temps, sur une surface d’environ 10 m2).

Magnétisme et luminescence : couplage de méthodes à la grotte des Fraux

Lors de la campagne de printemps 2008, des structures de combustion ont été identifiées dans le secteur 13 de la grotte. Ces dernières se matérialisent sous la forme de zones rubéfiées, colorées et par la concentration de produits de combustion. Si l’archéologie a permis de cartographier ces différents indices, peu d’éléments sont susceptibles de préciser la fonction des feux (éclairage ? feu domestique ?).

Nous avons décidé avec Pierre Guibert de l’IRAMAT à Bordeaux, François Levêque et Vivien Mathé de l’Université de La Rochelle (Centre Littoral de Géophysique, Laboratoire de magnétisme environnemental) de réaliser un test couplant différentes approches en vue de l’analyse des structures de combustion.

Plusieurs questions se sont posées à nous dans la perspective d’une modélisation des feux dans la grotte des Fraux :

la conduite de prospections géophysiques en milieu souterrain.

la cartographie des structures et leur organisation dans l’espace ;

la mise en place de méthodes d’études non destructives ou à faible impact ;

la question des paléo-températures ;

L’idée retenue par l’équipe a été de coupler les approches thermoluminescentes et magnétiques.

Le test opéré cette semaine aux Fraux visait à :

– observer, sur une zone où des structures archéologiques sont avérées, les liens de corrélation entre les indices de chauffe et la cartographie des anomalies magnétiques ;

– rechercher, dans un secteur choisi, des structures de combustion en utilisant un mode de prospection non destructif (magnétisme).

Dans le premier secteur (secteur 13), les mesures se sont focalisées autour du foyer F4 et ont consisté dans le levé d’un double profil en prospection magnétique.

Secteur 13 - Profil magnétique sur 6 mètres linéaires

Secteur 13 - Profil magnétique sur 6 mètres linéaires

Dans une seconde étape, la cartographie d’une zone d’un ½ m² a été réalisée à l’aide de deux capteurs de susceptibilité magnétique.

Secteur 13 - cartographie du foyer F4 par susceptibilité magnétique

Secteur 13 - cartographie du foyer F4 par susceptibilité magnétique

Résultats préliminaires et premières observations :

Sur le profil général apparaissent des feux d’intensités différentes selon qu’il s’agit de foyers à plats (aménagés sur le substrat de blocs de grès) ou de structures qui procèdent de la mise en œuvre d’argile. La question des types de matériaux employés est ici primordiale.

La cartographie réalisée selon une maille de 25 cm² (1/2 journée de mesures) a permis de tester deux types de capteurs (susceptibilimètres) qui ont livré des images similaires. L’image produite fait clairement apparaître une sole d’argile ainsi que deux zones chaudes localisées en périphérie de cette structure.

Un bloc de grès d’apparence non altéré, à quelques centimètres de la sole, a longuement interrogé l’équipe. Les mesures montrent que seule la périphérie du bloc a été altérée par le feu sur quelques millimètres, mais son état de surface (non transformé par la chauffe) résulterait d’un processus post-dépositionnel.

Après cette opération, un échantillonnage a été réalisé dans la perspective de mesurer les paléo-températures (TL). La stratégie de prélèvement a résidé dans l’utilisation des résultats de la susceptibilité magnétique dans le but d’échantillonner les zones de différentes valeurs en privilégiant des transects. 21 échantillons, répartis y compris sur des zones non chauffées, ont ainsi été prélevés. 12 prélèvements complémentaires ont été réalisés en dehors de la zone mesurée en susceptibilité afin d’établir un transect général de la structure.

Secteur 13 - localisation des prélèvements pour la thermoluminescence.

Secteur 13 - prélèvements d'un échantillon de la sole foyère pour la thermoluminescence.

Secteur 13 - localisation des prélèvements pour la thermoluminescence.

Secteur 13 - localisation des prélèvements pour la thermoluminescence.

Dans le secteur 18 (une galerie étroite localisée dans le réseau gauche de la cavité) aucune investigation archéologique n’a jusqu’à présent été réalisée. Cependant, des cuvettes et de zones fortement charbonneuses sont apparues en surface. L’objectif de la prospection magnétique visait à mettre en évidence des zones de combustion, pour partie masquées par des produits de combustion ou des faciès de surface altérant la perception des couleurs et des formes des éventuelles structures.

Les mesures ont été opérées selon un pas régulier (35 cm), sur un segment de la galerie long de près de 10 mètres.

Secteur 18 - profil magnétique sur 10 mètres linéaires.

Secteur 18 - profil magnétique sur 10 mètres linéaires.

Dans ce secteur, des épandages de produits de combustion, mais également des faciès détritiques liés à la paroi, engendrent un bruit de fond/un signal de base de la susceptibilité magnétique élevé. L’hypothèse de la présence de lits détritiques riches en minéraux ferrugineux – antérieurs à l’occupation – sur un des cotés de la galerie peut aussi être évoquée. Cependant, les 4 transects révèlent une succession d’anomalies magnétiques qui signale très probablement des zones de feu. Dans le détail, on observe que les crêtes des foyers (poins hauts de ces structures) délivrent le signal de susceptibilité le plus fort. Ces observations devront être complétées dans la semaine qui vient par une cartographie et un levé topographique qui permettront de corréler ces informations.