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 XXe 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.
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