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.

Au(x) feu(x) !

L’étude des foyers de la grotte des Fraux, dont l’objectif est la détermination de la fonction de chacun de ces paléo-feux, est fondée sur des observations macroscopiques et sur la caractérisation des états de chauffe des structures par l’archéométrie. Ainsi, la taille, l’organisation, les températures atteintes devraient-elles permettre d’appréhender la fonction des foyers (éclairage, chauffage, séchage, cuisson…). Un des objectifs de notre travail est de déterminer l’impact des foyers sur leur environnement (le réseau souterrain des Fraux) et sur le cadre de vie des occupants de la grotte. Par ailleurs, nous avons entamé un travail de classification des paleo-feux en fonction de leur impact sur le substrat (couleur, épaisseur de la zone rubéfiée…). L’année 2010 a notamment été mise à profit pour déterminer les « paléotempératures » de plusieurs foyers de la grotte par thermoluminescence. Suite à cette étude, il nous est apparu important de comparer les intensités de chauffe trouvées sur les foyers archéologiques à celles de feux « réels », reproduits de façon expérimentale.

Mise en place du feu expérimental n°3 d'après la sole de cuisson F4 tretrouvée dans le secteur 13 de la grotte des Fraux

Aussi avons-nous conduit en extérieur, du 25 au 30 septembre 2010, une session de travail expérimental instrumentée. Elle a porté sur la reproduction de 3 modèles de foyers archéologiques de la grotte des Fraux. Cette session de travail a permis de mesurer les températures atteintes par les modèles expérimentaux et de suivre en temps réel les variations de températures au sein des matériaux via plusieurs dizaines de thermocouples. Les thermocouples nous permettent en effet de connaître l’histoire thermique précise en certains points du substrat. Nous avons également pu travailler sur la question de la propagation de la chaleur au sein d’un milieu homogène (ou non), observer les impacts du feu sur le substrat (rubéfaction, sécahge, craquèlement…)  et estimer les quantités de matériaux substrat nécessaire à la reproduction de chaque modèle archéologique. Enfin, nous avons quantifié les combustibles nécessaires à la conduite de feux permettant d’atteindre les températures enregistrées sur les modèles archéologiques.

Le premier modèle expérimental correspond a un foyer du secteur 13 de la grotte, installé sur un substrat principalement argileux. Il nous a permis d’étudier voir la propagation de la chaleur dans un milieu homogène.

Modèle expérimental n°1 : substrat argileux homogène

Le second modèle reprend la configuration d’un foyer du secteur 8 de la grotte : une sole d’argile aménagée sur le substrat argileux. L’argile ayant servi au façonnage de la sole expérimentale provient d’un secteur non archéologique de la cavité.

Modèle expérimental n° 2 construit d'après la sole découverte dans le secteur 8 de la grotte.

Enfin, le troisième modèle correspond à la sole foyère F4 du secteur 13 : une sole façonnée en argile a été aménagée sur un support gréseux.

Chaque foyer expérimental a fait l’objet de plusieurs chauffes, toutes instrumentées. Un point de blocage, autour de 100°C, a été observé dans l’enregistrement des températures : il correspond à l’étape d’évaporation de l’eau présente dans les matériaux. Une fois ce palier passé, les températures en surface varient entre 600 et 800°C. À 2 cm de profondeur elles sont autour de 500°C ; à 4 cm autour de 300°C. Au-delà, elles restent généralement inférieures à 250°C.

Suivi des variations de températures en temps réel par le terminal d'acquisition relié aux 60 thermocouples disposés dans les foyers expérimentaux

Les matériaux mis en œuvre dans la réalisation des modèles expérimentaux ont été prélevés en vue de l’étude de leur susceptibilité magnétique ainsi que de leur température par thermoluminescence. Ces analyses nous permettront notamment d’évaluer l’évolution de la susceptibilité magnétique ainsi que la marge d’erreur autour des paléotempératures mesurées pour les foyers archéologiques.

Ces premiers tests effectués, il nous reste  à traiter l’ensemble des données et des prélèvements acquis pendant ces 5 jours de travail expérimental. Un des objectifs pour l’année 2011 étant de reproduire ce travail dans un environnement confiné similaire à celui de la grotte des Fraux, dans le but d’évaluer l’impact d’un feu en termes d’énergie dégagée, de chaleur ressentie, de lumière émise, de fumée…

par Aurélie Brodard