ARCHÉOLOGIE - L’archéométrie

ARCHÉOLOGIE - L’archéométrie

L’archéométrie désigne, d’une manière générale, toutes les recherches visant à appliquer des techniques scientifiques au domaine archéologique. De telles applications ont pour but de fournir des données quantitatives et objectives aptes à déterminer la localisation et l’étendue des gisements, à faciliter la datation des occupations, la provenance des mobiliers, la compréhension des technologies anciennes et l’environnement des sites.

En France, l’archéométrie liée aux sciences exactes s’est engagée dans quatre voies principales: la prospection, la datation, l’analyse des matériaux et le traitement des données. Ces divers types de recherches, auxquelles s’ajoutent celles qui sont liées à l’environnement (faune et flore), à l’anthropologie, etc., reposent sur la collaboration d’archéologues et de divers spécialistes au sein d’équipes pluridisciplinaires. Dans une collaboration idéale, l’archéologue définit une problématique: en liaison avec les archéomètres et selon les possibilités techniques, un programme de mesures est arrêté; après sa réalisation, l’exploitation des résultats est effectuée conjointement par les archéologues et les archéomètres, ceux-ci connaissant bien les limites d’interprétation. Il serait tout aussi néfaste à la science archéologique que l’archéomètre définisse seul ses objectifs de recherche ou que l’archéologue assure seul la constitution des échantillonnages ou l’interprétation des mesures.

Dans le domaine des sciences exactes, même si la quête de techniques scientifiques par l’archéologie remonte à un temps relativement ancien – ainsi pour la préhistoire européenne –, c’est l’avènement de nouvelles méthodes d’analyse, de datation ou de prospection après la Seconde Guerre mondiale qui a précipité l’éclosion de l’archéométrie. D’une part, l’accélération des connaissances des phénomènes radioactifs a débouché, en particulier, sur la datation par le radiocarbone ou par thermoluminescence, sur l’analyse par activation, etc. D’autre part, l’amélioration des techniques radioélectriques et électroniques a permis, entre autres, la conception d’appareils divers de prospection, de traitements des données de base.

Les mathématiques liées à l’archéologie faisant l’objet d’une présentation distincte et les sciences environnementales étant présentées isolément, seules la prospection, la datation et l’analyse seront étudiées ici.

La prospection

La prospection archéologique constitue une phase préparatoire de toute recherche méthodique. Bien menée, elle peut apporter des renseignements assez riches pour permettre l’économie d’une fouille. Depuis une trentaine d’années, avec l’apport de la technologie, l’archéologie fait appel de plus en plus à des techniques modernes pour détecter, à partir de la surface du sol, des vestiges enfouis dans le proche sous-sol. Des mesures effectuées méthodiquement, la plupart du temps selon un quadrillage régulier plaqué horizontalement sur le sol, débouchent sur des cartographies faciles à lire; généralement, on établit des courbes de même valeur de la grandeur mesurée, analogues aux courbes de niveau en topographie. De plus en plus, ces courbes sont tracées automatiquement par suite d’un traitement direct des données enregistrées sur le terrain.

Les méthodes électromagnétiques offrent une panoplie large de détecteurs de métaux – malheureusement utilisés par les pilleurs du patrimoine national – aux méthodes utilisant les sources à grande distance. La plus intéressante est la méthode Slingram qui permet, comme l’a montré A. Tabbagh avec l’équipe du C.N.R.S. de Garchy, de mesurer simultanément la conductivité électrique et la susceptibilité magnétique. Elle est préférable à la méthode magnétique car elle fournit directement une valeur de la susceptibilité apparente du sol. Les radars-sol permettent, quand l’absorption du signal électromagnétique n’est pas trop forte, d’avoir une description fine de la structure verticale des terrains.

En 1946, R. J. C. Atkinson eut le premier l’idée de recourir au contraste des résistivités électriques pour localiser des fossés préhistoriques. Désormais, plusieurs appareils permettent de réaliser méthodiquement ces mesures, avec différentes dispositions quadripolaires des électrodes. Un courant électrique est injecté par deux électrodes, et la différence de potentiel, liée à la résistivité du sous-sol, est enregistrée aux bornes de deux autres électrodes. La mise en œuvre est longue et les résultats influencés par les conditions climatiques. La méthode est cependant d’une grande efficacité depuis que l’enregistrement automatique des données est pratiqué sur des quadripôles roulants en contact permanent avec le sol; l’utilisation d’électrodes électrostatiques (sans contact) ouvre de nouvelles prospectives d’application.

Dans les années cinquante, le développement des magnétomètres à protons atteignant la sensibilité de 0,1 nanoTesla, soit 2 millionièmes du champ magnétique terrestre (C.M.T.), M. J. Aitken s’en servit pour l’étude de structures archéologiques enfouies. En effet, l’hétérogénéité des susceptibilités magnétiques du sol et du sous-sol, étudiée préalablement par F. Le Borgne, modifie localement le C.M.T. La mesure précise et systématique du champ total local permet de détecter ces anomalies, liées aux structures. Les interprétations des cartographies sont souvent délicates; mais les structures d’argile cuite possédant une forte susceptibilité magnétique, telles que des fours, sont très localisables avec ces magnétomètres. Certains appareils performants atteignent une sensibilité de 0,2 milliardième du C.M.T.

La vulgarisation de l’aviation de tourisme et la mise au point d’émulsions photographiques très sensibles dans les domaines visible et infrarouge sont à l’origine du développement de la prospection aérienne. Elle trouve un prolongement plus technique dans la prospection thermographique. À l’aide d’un scanner analysant le rayonnement infrarouge du sol, la présence de structures archéologiques peut être mise en évidence dans certaines conditions pédologiques, climatiques et horaires.

La prospection chimique, encore pleine d’avenir, n’a guère connu de succès que pour la détermination de zones habitées ou d’aires de nécropole à partir des cartographies de sels de phosphore. Des essais ont été tentés en vue de la prospection gravimétrique, mais la faible différence des masses spécifiques et la faible sensibilité des appareils de mesure limitent son extension au domaine archéologique.

La datation

Dans toute étude archéologique, la nécessité de situer une civilisation, une production mobilière, des monuments sur l’échelle continue du temps passé s’impose fondamentalement. Le classement chronologique établi à partir de comparaisons typologiques ou d’observations stratigraphiques répondait déjà à cette préoccupation. Les nouvelles méthodes de datation en laboratoire permettent de vérifier ces classements, ce qui est d’autant plus important que les civilisations étudiées sont « sans texte ».

Pour ce faire, les scientifiques utilisent des matériaux archéologiques, d’une part marqués par un fait humain (chauffage, cassure, mort, etc.), d’autre part révélant l’évolution interne d’une grandeur physico-chimique. Deux possibilités existent: ou la grandeur datante a été autrefois figée par le fait marquant dans son évolution, ou elle évolue depuis ce même fait à partir d’une valeur initiale, selon une loi mathématiquement formulable. Ainsi, soit la date de ce fait, soit le temps écoulé peuvent être retrouvés avec des précisions inégales, souvent liées à l’état d’avancement de la technique.

Dans la datation archéomagnétique, on utilise les variations séculaires du C.M.T. Ce champ, superposition d’un champ dipolaire et d’un champ non dipolaire à caractère local, présente en effet des variations aléatoires de son intensité et de sa direction, caractérisées par les angles d’inclinaison et de déclinaison. Dans les argiles cuites, l’hématite et la magnétite, oxydes de fer, sont capables, au-dessus de leur température de Curie (respectivement 675 ⁰C et 565 ⁰C), de conserver une aimantation thermorémanente colinéaire et proportionnelle au C.M.T. Si l’objet n’a pas été déplacé (four, foyer), la direction du C.M.T. est directement retrouvée. À partir des courbes d’étalonnage établies sur du matériel bien daté, on détermine la chronologie d’un autre matériel; il s’agit typiquement d’une méthode de datation relative.

Dans la dendrochronologie, la croissance irrégulière, liée aux conditions climatiques, des cernes des arbres est exploitée. Chaque cerne correspond à une année. Pour tout morceau de bois retrouvé, une séquence peut être précisée. Si par ailleurs une courbe d’étalonnage établie à partir d’autres morceaux bien datés existe pour la même zone géographique, la datation revient à chercher la coïncidence de la séquence avec une partie de cette courbe.

La datation par le radiocarbone a été élaborée par Libby en 1946. Le carbone 14 provient de la transformation de l’azote par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère. Ce carbone, radioactif, ayant une période de 5 730 ans, est assimilé dans une certaine proportion, en plus du carbone 12 stable, par les matières vivantes. Après la mort de ces matières, faute de nouvelles assimilations, la concentration du carbone 14 diminue exponentiellement, par suite des désintégrations spontanées. La concentration relative restante du carbone 14 permet de déterminer la date de la mort de la matière organique (bois, cuirs, ossements, etc.). La concentration initiale de carbone 14 n’ayant pas été constante dans le temps, des corrections peuvent être apportées (calibration) en combinant des études de dendrochronologie avec la date apparente qui est donnée par le carbone 14. La concentration du carbone 14 est mesurée par comptage des radiations ou, depuis peu, des atomes dans des accélérateurs.

La thermoluminescence doit son nom au fait que des minéraux (par exemple le quartz et le feldspath dans les argiles cuites) peuvent, lorsqu’ils sont réchauffés, restituer sous forme de lumière une énergie stockée. Or tout chauffage archéologique a ainsi annulé toute énergie stockée. Depuis ce moment, une nouvelle énergie a été emmagasinée, proportionnellement au temps, par suite des rayonnements internes alpha, bêta et gamma dus aux désintégrations naturelles des traces radioactives d’uranium, de thorium et de potassium. De plus, les rayonnements gamma ou cosmiques de l’environnement ont contribué au stockage de cette énergie. La dose énergétique globale stockée depuis le fait marquant est déterminée dans un premier temps; ensuite, à partir de mesures des rayonnements internes ou des concentrations chimiques, la dose énergétique stockée annuellement est calculée. Par une règle de trois, on peut alors retrouver le temps écoulé depuis le dernier chauffage ayant atteint 400⁰ à 500 ⁰C. Dans la méthode D.A.T.E., les différences de stockage d’énergie dans deux pièges du quartz sont utilisées.

Pour les obsidiennes, on fait intervenir la pénétration de la couche hydratée, proportionnelle au temps, à partir d’une fracture archéologique. Pour ce même matériau, mais aussi pour des verres, le dénombrement des traces de fission spontanée débouche sur une datation. La racémisation des acides aminés est employée pour retrouver la date de vie des ossements. Quant aux minéraux très anciens, on emploie la méthode du potassium-argon.

L’analyse

Les premiers outils de l’homme préhistorique ont été des pierres dont la dureté permettait d’entamer des matériaux plus tendres. Avec l’apparition du feu, il sut utiliser les argiles, les dégraisser avec d’autres minéraux, pour obtenir des poteries. Des pierres lui servirent à confectionner les foyers, élever des monuments, bâtir des édifices. À l’époque historique, divers minéraux servirent à l’aménagement des habitats, à leur décor. Pour couler des métaux tels que le bronze, le sable fut employé. On comprend dès lors l’intérêt d’identifier les matériaux minéraux archéologiques, d’autant qu’ils sont le mieux conservés. Parallèlement, les objets métalliques, outils ou monnaies, offrent un domaine d’étude similaire, plus limité chronologiquement mais comportant d’intéressants problèmes technologiques et économiques.

Il est possible de mettre en évidence des migrations de populations, des contacts entre des habitants, des courants de diffusion ou d’influence, des phénomènes économiques, des données technologiques, etc., d’autant que les méthodes les plus récentes d’analyse atteignent de très grandes sensibilités. Le développement de l’archéométrie se relie ainsi à la révolution due aux méthodes d’analyse physique en chimie.

Pour l’identification d’une provenance, théoriquement, un matériau élaboré est comparé à un échantillon, absolument nécessaire, de la source présumée. Parfois, à partir d’une cartographie de certaines données analytiques, une origine approximative peut être retrouvée.

Les premiers examens visuels se prolongèrent par l’usage du microscope optique. Après les recherches de quelques pionniers, parmi lesquels on compte S. W. Dugdale en 1656 et Stukeley en 1740, l’analyse pétrographique s’est développée depuis le début du XX^e siècle. Parmi les grands succès des études fondées sur l’emploi de lames minces figure l’identification, en 1951-1952 par J. Cogne et P. R. Giot, d’un important lot de haches armoricaines, taillées dans une dolérite définie de type A. Consécutivement, l’atelier de débitage de ces haches fut identifié à Plussulien (Côtes-du-Nord), puis fouillé. Devant un problème d’identification, toute technique d’analyse suffisamment discriminante peut convenir; ainsi, les courbes de thermoluminescence ont été utilisées pour classer en groupe des pierres marbrières. Depuis une décennie se dessine une évolution très nette vers des techniques d’analyse de plus en plus fine. Cependant, le microscope optique, avec ses actuels perfectionnements, garde tout son intérêt.

Une seconde voie consiste à faire appel aux techniques d’analyse chimique. Par exemple, pour les obsidiennes où des variations de concentration des éléments alcalins ou alcalino-terreux sont observables, l’emploi combiné des analyses chimiques, des densités et des indices de réfraction a permis d’obtenir des classifications significatives. Par ailleurs, l’analyse chimique des métaux ou de leurs alliages apporte beaucoup à la connaissance de la métallurgie antique.

Assez rapidement, les chercheurs passèrent à l’étude des éléments à l’état de traces pour une meilleure caractérisation des matériaux, minéraux ou métalliques. Désormais, des concentrations de quelques parties par million (ppm) peuvent être mesurées.

L’identification d’un objet lithique homogène à une source géologique constitue le problème le plus aisé, aucun mélange ou alliage ne venant compliquer l’interprétation des analyses. Cependant, il est plus facile de disposer d’un objet élaboré posant un problème que d’une mine ancienne reconnue. Dans les identifications, tout dépend de la dispersion ou de la concentration des éléments chimiques à comparer et du nombre d’éléments examinés, le nombre variant généralement de 8 à 38. Les recouvrements, plus ou moins importants, donnent plus ou moins de signification à la conclusion, encore que l’archéomètre se méfie des coïncidences malencontreuses.

Actuellement, diverses techniques, dont l’ancienneté varie, sont employées pour résoudre des problèmes archéologiques. Dans la spectrographie optique d’émission , l’échantillon réduit en poudre est vaporisé dans un arc, l’émission de chaque élément se traduit par des raies. Depuis le milieu des années quatre-vingt, des améliorations viennent de l’emploi de lasers ou de sources à plasma. La spectrométrie d’absorption atomique est fondée sur l’absorption sélective spectrale de la lumière par des atomes libres de l’échantillon. Quant à la spectrométrie de fluorescence X , ses limites de détection atteignent 1 à 6 ppm pour presque tous les éléments allant du fluor à l’uranium. Cette méthode est non destructive, mais il faut des échantillons de grande taille; les microscopes électroniques et les excitateurs protoniques permettent toutefois de réduire les tailles des échantillons. Enfin, dans l’analyse par activation , l’échantillon est soumis à un intense faisceau, neutronique ou protonique, durant un certain temps, ce qui produit des isotopes instables de beaucoup d’éléments. Le spectre de rayons gamma émis durant la décroissance radioactive de ces isotopes peut être comparé à des tables d’émission de référence; les concentrations décelables sont parfois inférieures au ppm. Cette méthode n’est pas destructive.

L’activation neutronique, la méthode la plus sensible, et la fluorescence X, d’une sensibilité fort acceptable, sont très utilisées. Certains chercheurs exploitent les éléments majeurs, d’autres les éléments mineurs. C’est la problématique archéologique qui permet éventuellement d’opter pour telle ou telle technique, au vu des discriminations nécessaires. La disposition d’échantillons étalons est absolument nécessaire pour pouvoir comparer les résultats obtenus avec différentes techniques d’analyse.

Encyclopédie Universelle. 2012.