Application de méthodes physiques à l'archéologie

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Une des nombreuses manières de faire « parler » un objet archéologique est de l’envoyer en laboratoire pour qu’il nous livre des informations liées à sa structure intrasèque. La datation, la caractérisation, la provenance sont autant d’’éléments obtenus grâce à l’étude de certaines propriétés physiques et chimiques propres au matériau étudié.

Introduction

L’étude de documents anciens, la prospection, ou même la chance, nous permettent de situer un ancien lieu où l’homme à séjourné. La fouille, qu’elle soit préventive ou programmée, permet de découvrir des structures monumentales (bâtiment ou ce qu’il en reste) ou des objets. On pense alors, quand on parle d’objets archéologiques, aux poteries, aux objets métalliques tels que la fibule ou des pièces de monnaie, aux éléments de bois conservés, enfin tout objet qui permet d’expliquer comment vivait les gens à des époques données. Certes ces objets nous apportent des éléments majeurs, mais on peut aller beaucoup plus loin et chercher des éléments tels que des petits fragments de bois ou de charbon, des scories, restes métalliques de fabrication, des graines, le contenu d’une amphore,… Tous ces éléments sont considérés comme importants de nos jours et sont observés avec minutie lors des fouilles. L’objet est pris en photo, relevé sur un plan, prélevé, nettoyé, étiqueté, pour se retrouver soit dans une réserve soit au musée si la pièce est représentative du site ou d’une époque.

Mais que se passe-t-il entre le site de fouille et le musée ? La vie d’un objet archéologique ne s’arrête pas nécessairement après le site de fouille. Il est étudié sous toutes les coutures pour qu’il nous révèle tous ses secrets. Et là il y a toutes sortes de manières de faire parler un objet, comme un passage au laboratoire.

Quelles sont les réponses que l’on peut obtenir d’un objet qui passe entre les mains de scientifiques ? Beaucoup d’éléments que seul une étude macroscopique, c’est-à-dire l’objet vu à l’œil nu, ne pourrait totalement divulguer. Alors que peut nous apprendre l’étude du tout petit ? Tout d’abord des informations intrinsèques, propre à l’objet. On peut ainsi obtenir des renseignements sur l’atelier de fabrication d’un objet. Chaque atelier ayant sa propre recette, mélangeant des « ingrédients » différents et en quantités différentes, on peut ainsi déterminer le lieu où il a été fabriqué. C’est la même chose pour des objets réalisés dans des matériaux géologiques, comme l’obsidienne par exemple qui est un verre naturel obtenu par refroidissement de certaine lave et ayant des signatures chimiques propres pour chaque lieu géographique.

L’étude de l’objet peut nous révéler également son « cycle de vie » comme ses étapes de production (comment il a été fabriqué), sa distribution (reconstituer les courants commerciaux) et son usage (utilisation, réparation,…), ainsi que son abandon (altérations) jusqu’à ce qu’il soit découvert par notre archéologue en herbe.

Connaître ces différentes étapes sans les replacer sur une échelle chronologique ne nous apporte pas tous les renseignements qu’un archéologue souhaiterait avoir. Connaître la chronologie permet de repérer des moments forts de l’évolution des cultures humaines, de dater des événements. La datation des unités stratigraphiques (couche archéologique d’une même période d’occupation ou de non occupation) est donc importante et peut se faire de plusieurs manières comme l’étude de textes ou de la typologie (science des classifications par type) d’une série d’objet, mais on obtient alors une datation dite « relative » (succession chronologique avec le besoin d’un référent). En faisant appel à un processus interne aux matériaux à dater, généralement une propriété physique, biologique ou chimique, on peut obtenir une datation dite « absolue » (date calendaire).

Les informations obtenues en laboratoire ne s’arrêtent pas à une étude subjective du comportement sociaux-culturel d’un peuple. Cela peut nous permettre d’aller encore plus loin vers une archéologie plus concrète : l’archéologie expérimentale. Connaissant les modes de production d’un objet à telle ou telle période, on peut essayer de refaire ces objets aujourd’hui avec les méthodes d’antan les comprendre et les comparer.
Une autre application de l’étude microscopique d’objets archéologiques, et qui est beaucoup plus d’actualité, se trouve être la conservation/restauration de ces mêmes objets. Eh oui, connaître les phénomènes d’altération permet de palier à leur dégradation et ainsi pouvoir les conserver plus longtemps pour permettre aux générations futures d’en profiter.

Mais que subissent donc ces objets ? Là les choses se corsent un petit peu. On ne peut pas faire tout et n’importe quoi. Il y a des règles et des choix à faire. Les analyses en laboratoires peuvent être destructrices, c’est-à-dire que l’objet archéologique qui nous arrive, on parle alors d’échantillon, ne sera pas tel quel quand il repartira. Il faut donc bien réfléchir aux conséquences. Ces mêmes analyses sont coûteuses, eh oui, rien n’est gratuit dans ce bas monde et encore moins lorsqu’il s’agit de l’utilisation d’équipement qui n’est pas donné. Donc autre point à prendre en compte. Mais le plus important, à mon sens, est quel genre d’informations on veut obtenir et sur quel genre d’objet on travail. On n’utilisera pas le même type d’analyse selon que l’objet soit en métal, en verre, ou composé de sédiments. De plus, pour une même méthode d’analyse les échantillons sont préparés différemment.

Ayant pris tous ces éléments en compte, il ne nous reste plus qu’à voir quelles sont les différentes méthodes physiques, et chimiques, qui peuvent être appliquées au monde de l’archéologie et plus particulièrment la méthode de datation au carbone 14. Petit nota bene, ces méthodes, particulièrement les non-destructives, sont également applicable aux œuvres d’art.

Datation

Auparavant, le concept de la chronologie était basé sur une suite de liens, comme le type de technologie utilisée. Mais dans certain cas cela entraînait une certaine confusion (Bowman, 1990) comme cela a été le cas pour la datation de Stonehenge que l’on supposait être postérieur au tholos de Mycènes. Même pour les époques historiques, les techniques de datations peuvent jouer un rôle important. On s’est aperçu qu’en fonction de la culture ou du lieu, les écrits peuvent entraîner quelques erreurs dans l’élaboration d’une chronologie du fait des utilisations que l’on veut leur donner.

Interviennent alors les analyses au laboratoire. Et là encore le type de méthode de datation dépend de plusieurs éléments : composition de l’échantillon à dater et la période chronologique auquel appartient l’unité stratigraphique. Chaque méthode a son propre domaine d’application avec ses limites.

Le Carbone 14

Le carbone, au même titre que l’hydrogène, est un composant de la matière organique. Les deux matériaux possédant du carbone pur sont le diamant et le graphite et leur différence provient de l’arrangement atomique (liaison au niveau de l’atome). En archéologie, le diamant n’est pas une matière que l’on trouve fréquemment, alors que les restes de matières organiques de cultures anciennes nous dévoilent leurs secrets par la datation.

  • 1) Historique

La prédiction de la présence d’isotopes [1] de carbone radioactifs dans la nature a permis au scientifique américain Willard Libby d’établir les bases de la méthode du carbone 14 (14C). Les aspects théoriques ont été formulés dans le milieu des années 1940, et en 1946, un premier article suggérait la présence de ces isotopes de carbone dans tout être vivant.

La première détection de carbone radioactif dans de la matière biologique est réalisée un an après par Libby en collaboration avec Ernest Anderson et des scientifiques de Pennsylvanie. En 1949, un essai exposait que le niveau de carbone radioactif contemporain était globalement le même dans un morceau de bois. Cet article contenait également les résultats obtenus de deux échantillons archéologiques. En 1960, Libby obtient le Prix Nobel en chimie pour son travail réalisé sur le carbone radioactif.

La datation au 14C a eu un impact notable en archéologie, et plus particulièrement sur la période de la préhistoire dû à l’absence de document écrit qui laissait une place importante aux conjectures.

  • 2) Principes de base : 14C

Dans la nature, il existe trois isotopes de carbone : 12C, 13C et le 14C. Leur concentration dans l’atmosphère diffère. Le 12C, atome le plus stable, est présent à 99%, et un peu moins d’un pourcent pour le 13C, alors que le 14C, qui est présent en teneur encore plus faible que le 13C, est radioactif. Ces deux caractéristiques, faible concentration et radioactivité, sont déterminantes pour l’étude de la datation et essentiellement celle de la Préhistoire.

    • A. Formation du 14C

Une des caractéristiques du 14C est qu’il se forme de manière continue. Ce phénomène se passe dans la haute atmosphère. Après formation, les atomes de 14C se combinent à l’oxygène pour former du 14CO2 (gaz carbonique), qui est chimiquement indiscernable du CO2 contenant les autres isotopes.

Ce CO2 se mélange dans l’atmosphère, se dissout dans les océans, et via la photosynthèse et la chaîne alimentaire, se retrouve dans les plantes et les êtres vivants connus sous le nom de biosphère. Sous certaines conditions, et en particulier si la production de 14C est constante, il existe un équilibre entre la formation de 14C et sa désintégration dans l’atmosphère. Ainsi, en principe, la concentration est constante dans chaque être vivant, et ceci à travers le monde.

Cycle du 14C (Fortin, 2006 (Internet)
Fortin, 2006 (Internet)

A la mort de l’organisme, le 14C cesse de participer à l’échange de carbone avec la biosphère et ne prend plus de 14C. Il est alors libre de se désintégrer sans compensation, selon la réaction suivante :

Le 14C n’étant plus renouvelé, sa radioactivité décroît alors lentement à raison de la moitié tous les 5568 ± 30 ans, c’est la période de demi-vie propre au 14C (période adoptée par la convention internationale).

Ainsi, si on mesure aujourd’hui l’activité du 14C (At) d’un échantillon organique, on peut, en la comparant à l’activité du carbone moderne Ao, en déduire le temps t qui s’est écoulé depuis sa mort. C’est ce que l’on appelle l’âge. Cet âge est calculé à partir de la formule de décroissance exponentielle radioactive :

Loi de désintégration d’atome radioactif

At —> activité carbone de l’échantillon (échantillon archéologique)
Ao —>activité carbone moderne (échantillon standard de référence)
(Lambda) —>constante de désintégration Ln2/T égale à 0.69314/T,
T étant la période de demi-vie du 14C utilisée par convention, soit environ 5568 ans

    • B. Les variations de la teneur en carbone 14 dans l’atmosphère

Dès le début, la théorie que la concentration de 14C dans l’atmosphère était constante a été mise en doute. En 1949, J. Arnold, et W. Libby publiaient une courbe sur la concentration de 14C dans des échantillons de dates connues pour tester cette technique de datation. Durant les années 50, l’avancé technique pour la détection du 14C a permis de constater une divergence non négligeable entre les dates obtenues par 14C et les dates historiques d’échantillons égyptiens. La datation d’arbres par dendrochronologie vers la fin des années 50 par Hessel de Vrie a permis de confirmer cette divergence. Ceci a entraîné le besoin de calibrer les résultats 14C et de les convertir en âge calendaire. Comme il n’existe pas de façon théorique de prédire le facteur de correction, des courbes de calibrations empiriques, c’est-à-dire qui s’appuie sur l’expérience et non sur la théorie, sont nécessaires pour relier les âges 14C avec les âges connus.

IntCal04 est la dernière courbe de calibration officielle qui permet de remonter jusqu’à 26 000 ans BP [2] (IntCal04, 2004). Elle a été établie à partir de fossiles d’arbres datés par la dendrochronologie, de sédiments varvés et de coraux datés par la méthode U/Th (Uranium-Thorium). D’autres courbes tentent de remonter jusqu’à 50 000 ans telles que la courbe CalPal.

Ces variations de concentration de 14C dans l’atmosphère ont des origines diverses à la fois d’ordre naturel tel que les fluctuations du Champ Magnétique Terrestre, l’activité du soleil ou les glaciations, et d’ordre anthropique avec la combustion de matière fossiles et les essais nucléaire à l’air libre.

  • 3) Méthodologie

Une des assertions fondamentales dans la datation du radiocarbone est qu’il n’y a pas d’autre processus dans l’échantillon après sa mort autre que sa désintégration radioactive qui a diminué la quantité de 14C. Toute matière carbonée ajoutée à l’échantillon est considérée comme contamination et il faut l’éliminer avant toute datation pour éviter de fausser celle-ci. On peut avoir pour chaque pourcent de contamination une introduction de près de 80 années d’écart (Bowman, 1990). On fait alors subir à l’échantillon un prétraitement chimique qui diffère selon le matériau (os, charbon, coquille,…)

    • A. Prétraitement

Pour les matières carbonée à base de carbonate (coquille, coquillage), il est nécessaire d’éliminer la couche superficielle de celui-ci pour ne garder que le cœur de la coquille qui est le moins susceptible d’avoir été contaminé. Une brève attaque acide (acide chlorhydrique : HCl) est donc nécessaire.

Le prétraitement des os fait également appel à une action acide sur le matériau. Le but est d’extraire le collagène [3] de la masse minérale pour être dater. C’est la méthode dite de Longin « dispersion aqueuse de la protéine osseuse à pH contrôlé ». Pour cela on broie l’os avant de lui faire subir une attaque acide longue et assez concentrée pour dissoudre les minéraux et les carbonates. Ce qu’il nous reste est une matière brunâtre qu’il faut rincer, passer à l’étuve à 90°C pendant 12 heures avant de la centrifuger pour obtenir une solution limpide et homogène (le dépôt au fond correspond à des résidus polluant). Cette solution est ensuite mise à l’étuvage à 100°C.

Concernant les matières carbonisées et plus particulièrement le charbon (composé d’environ 50% de matière carbonée), les contaminations qui auraient pu s’introduire après déposition de l’échantillon ne sont pas combinées chimiquement à la structure mais se trouvent dans les interstices de la matière. La plupart des laboratoires de 14C résolvent ce problème par l’introduction d’un bain acide (HCl par exemple) pour supprimer les carbonates avant d’être nettoyé à l’eau ionisée pour revenir à un pH neutre [4]. La seconde étape est un bain alcalin (NaOH) pour se débarrasser de l’acide humique. On revient de nouveau à un pH neutre par des bains d’eau successifs. Un deuxième bain d’acide permet d’éliminer tout CO2 absorbé durant l’étape basique. C’est ce qu’on appelle le prétraitement AAA.

Les étapes de prétraitement permettent d’éliminer ces acides humiques sans distinction et donc de nous donner un âge qui se rapproche le plus possible de l’âge réel. Pour cela, il faut contrôler que l’on a bien tout éliminé, et on utilise plusieurs moyens de contrôle comme l’utilisation du spectromètre infrarouge ou Raman.

Spectre infrarouge d’un échantillon de charbon de Kébara (Israël) après prétraitement

Exemple de dix mesures réalisées par spectrométrie Raman sur un échantillon de charbon (Yizhaq et al., 2005). Dix mesures au moins car faible reproductivité

Spectre infrarouge d’un échantillon de charbon de Kébara (Israël) non traité
    • B. Mesure du 14C

Avant toutes mesures du 14C, il est nécessaire d’extraire le CO2 de l’échantillon soit pas combustion de celui-ci, soit pas dissolution. Une fois cette étape réalisée, il existe deux méthodes de détection du 14C :

  • celle par datation conventionnelle, qui détecte l’un des produits de désintégration, les particules bêta, émis par le 14C (compteur à gaz ou à scintillation liquide),
  • celle par accélérateur de spectrométrie de masse (AMS : accelerator mass spectrometry), qui mesure directement le nombre, ou la proportion du nombre, d’atomes de 14C par rapport aux atomes de 13C ou 12C contenus dans l’échantillon.

Pour chacune de ces méthodes, les échantillons sont préparés de manières différentes.

Méthode conventionnelle
Trois procédures peuvent être utilisées :

  • le compteur à gaz où le CO2 est converti en méthane (CH4) par catalyse (Ru étant le catalyseur) avec de l’hydrogène (H2) à 470°C. Le CH4 purifié est conservé pendant deux semaines pour que le radon se désintègre avant d’être utilisé pour le compteur à gaz (Obelic et al., 2004),
  • le scintillateur liquide (LSC-A) qui consiste à absorber le CO2 dans une ligne sous vide où une fiole est remplie d’un mélange d’absorbant (Carbosorb E) et d’un scintillateur (Permafluor B) (Obelic et al., 2004),
  • le scintillateur liquide (LSC-B) qui repose sur une carburation du CO2 avec du lithium à 700-900°C pour former du carbure de lithium (Li2C2). Cette dernière réaction est suivie de l’hydrolyse du carbure de lithium en acétylène. La catalyse de l’acétylène avec du vanadium produit du benzène (C6H6) auquel on ajoute ensuite le scintillateur avant de mesurer l’activité de 14C.

La quantité de matière nécessaire au minimum pour la méthode conventionnelle est d’environ 1g de carbone, et l’erreur obtenue est d’environ 1%, soit ±80 ans (Bowman, 1990).

Accélérateur de spectrométrie de masse

C’est la méthode la plus efficiente pour détecter le 14C. Elle mesure la quantité d’atomes présents au lieu de compter le nombre de désintégrations radioactives émises par le 14C. L’accélérateur de masse permet de détecter les éléments pas leur masse atomique. Pour différencier les atomes de 14N, qui composent près de 80% de l’atmosphère, des atomes de 14C, il suffit d’accélérer ces particules chargées à l’aide d’un champ magnétique. L’avantage de cette méthode est qu’elle est beaucoup plus rapide, et seulement quelques milligrammes de matière sont nécessaires, mais son coût est important.

Les trois procédures pour la préparation d’échantillon pour la datation au 14C (Obelic et al., 2004).}}

Avec cette méthode, le CO2 obtenu après combustion, est transformé en graphite en se basant sur la catalyse du CO2 en présence d’hydrogène (H2), et de cobalt (Co) comme catalyseur, à 630°C suivant la réaction suivante :

    • C. Limites des méthodes de mesure du 14C

Pour la méthode conventionnelle l’âge maximum est déterminé par le niveau du taux de comptage du bruit de fond. Pour de vieux échantillons, la quantité de 14C est faible. Un des critères pour le choix de l’échantillon à dater est de décider si le taux de comptage de l’échantillon est supérieur à celui du bruit de fond. Dans des conditions normales ce taux doit être de deux sigmas (2σ) au dessus de zéro où σ représente l’erreur de comptage. L’âge limite qui dépend du taux de comptage du bruit de fond, varie selon les laboratoires mais se situe aux alentours de 40 000 ans.

Pour l’accélérateur de masse, la limite dépend d’autres facteurs tels que la stabilité de l’accélérateur et du degré de contamination moderne introduit durant le traitement de petits échantillons. La limite est à peu près égale à celle obtenue par la méthode conventionnelle.
Pour la limite inférieure, on parle d’âge « moderne » si l’échantillon à moins de 200 ans, et d’âge « plus grand que moderne » s’il est post bombe c’est-à-dire après les essais de la bombe nucléaire.
Le choix de l’une ou de l’autre méthode revient à la quantité de matière que l’on dispose au départ. On a besoin de beaucoup moins de matière pour des analyses en spectrométrie de masse (5 à 10 mg de charbon pour la spectrométrie de masse contre 5 à 10 g de charbon pour la scintillation liquide) et le temps de la mesure est beaucoup plus court.

Notes:

[1Atome ayant le même nombre atomique, 6 en l’occurrence pour le carbone, mais dont la masse atomique est différente

[2BP : Before Present c’est-à-dire date où il faut enlever la valeur 1950 pour trouver son « équivalent » sur le calendrier années réelles avant ou après J.C

[3Protéine fibreuse que l’on trouve dans les os

[4pH : cœfficient d’acidité ou d’alcalinité d’une solution. pH 7 indique une solution neutre

Photos / Vidéos

Représentation simplifiée d’un accélérateur de spectrométrie de masse (Challemel, 2000)

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