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.

Caractériser les argiles de la grotte des Fraux

Dans le cadre du programme de caractérisation des paléo-feux de la grotte des Fraux, l’analyse des matériaux (substrat mais également argiles mobilisées dans la construction de soles de cuisson) est rapidement apparue primordiale. C’est dans cette perspective que l’IRAMAT-CRP2A de Pessac a déterminé  l’intensité de signaux TL (thermoluminescence) de plusieurs échantillons d’argile de la cavité. Des différences d’intensité sont apparues entre un échantillon d’argile prélevé sur la sole F4 (secteur 13) et un échantillon d’argile non archéologique des Fraux, destiné à servir de référence. Ces différences d’intensité atteignent un facteur 10 ; elles s’expliquent par une différence de concentration des minéraux luminescents dans la sole et l’argile de référence.

Ces mesures montrent que l’argile de la sole du foyer F4 est distincte de l’argile utilisée comme référence, soulevant ainsi la question de la variabilité minérale des sources d’argile locale (argile au sens de sédiment fin riche en argile) et celle d’un éventuel traitement anthropique spécifique du matériau ayant servi à confectionner la sole.

La mission réalisée début mars 2011 à la grotte des Fraux avait pour objectif d’échantillonner, à l’intérieur comme à l’extérieur de la grotte, différentes argiles destinées à être analysées puis comparées au matériau prélevé sur les structures archéologiques. Nadia Cantin va ainsi procéder, pour chaque prélèvement, aux analyses suivantes : granulométrie ; XRD sur l’ensemble de chaque échantillon ;  mesure en radioéléments ; éventuelle analyse élémentaire ; et enfin l’exoscopie des grains de quartz (dans le but de différencier transport éolien et transport fluviatile). Aurélie Brodard (doctorante) et François Lévêque (du LIENSs) réaliseront quant à eux les mesures de susceptibilité magnétique.

Nadia Cantin échantillonnant l’argile du secteur 17 de la grotte des Fraux

Onze échantillons ont été prélevés dans la grotte : 2 à proximité des foyers analysés et 9 autres en différents points du réseau (sol, mur d’argile…). Deux échantillons ont été prélevés en extérieur, dans les formations superficielles : 1 dans une carrière d’argile locale (colluvions issues de formations fluviatile) ; 1 autre correspond à une argile bleue (provenant d’un étage jurassique).

Prélèvements effectués au fond du secteur 8 de la grotte des Fraux

Les analyses en cours permettront notamment de faire avancer le débat sur la nature et l’origine de l’argile utilisée pour la confection de la sole F4 et de son éventuel traitement anthropique, par apport de dégraissant provenant des niveaux d’altération des blocs de grès de la grotte.

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