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Propriétés magnétiques du remplissage de la Caverna delle Manie (Finale Ligurie, Italie)

Magnetic properties of Caverna delle Manie infill (Final ligurie, italy)
Abderrezak Djerrab et Pierre Camps
p. 81-96

Résumés

Des mesures magnétiques (susceptibilité magnétique à basse et haute fréquence, aimantation rémanente isotherme et anhystérétique, susceptibilité magnétique en fonction de la température et cycle d’hystérésis) ont été réalisées sur des échantillons prélevés dans le remplissage de la Caverna delle Manie (Arma delle Manie) située en Ligurie Italienne.
Le remplissage du site, d’âge Pléistocène supérieur et Holocène, se caractérise dans sa partie supérieure par l’alternance de concrétions carbonatées, de planchers stalagmitiques, et d’argiles; et dans sa partie inférieure par un dépôt sablo-limono-argileux. Les résultats de l’étude magnétique révèlent l’abondance de grains magnétiques d’origine secondaire (magnétite et maghémite). Cette abondance est plus marquée dans la partie supérieure du remplissage. Les grains de taille superparamagnétique (SP) dominent, suivi par ceux de taille poly-domaine (PD) et mono-domaine (MD). Ces derniers ont un champ coercitif faible. Quelques foyers ont été repérés au sein du remplissage grâce à leur couleur, à la présence de charbon et aux fortes valeurs des différents paramètres magnétiques.

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Texte intégral

Introduction

1La grotte de Manie (Arma delle Manie) se situe en contrebas du hameau d’Arma, dans la commune de Manie et dans la province de Finale, en Ligurie italienne (fig. 1).
Cette caverne, l’une des plus spacieuses de Finale, fut aménagée au cours des siècles derniers en étable et en grange et contenait, il y a encore peu, un moulin à huile. Un petit sondage, effectué en 1962, a permis la découverte d’une industrie moustérienne associée à des restes fauniques. Depuis, le remplissage de cette grotte a fait l’objet de plusieurs études stratigraphiques, archéologiques, et paléoclimatologiques. Cauche (2007) a récemment présenté une synthèse de ces études pluridisciplinaires dont les principaux résultats sont résumés ci-dessous.

Figure 1 : Situation géographique de la grotte d’Arma delle Manie (Finale Ligurie, Savona, Italie).
Figure 1: Geographical localization of the Arma delle Manie cave (Finale Ligurie, Savona, Italy)

Figure 1 : Situation géographique de la grotte d’Arma delle Manie (Finale Ligurie, Savona, Italie).Figure 1: Geographical localization of the Arma delle Manie cave (Finale Ligurie, Savona, Italy)

2Les analyses stratigraphiques ont permis de subdiviser le remplissage de la grotte, sous-jacent à la partie supérieure remaniée au cours des temps modernes, en trois grands ensembles d’âge Pléistocène supérieur.
L’ensemble supérieur (environ 90 cm d’épaisseur), daté de l’époque Néolithique, est constitué de plusieurs niveaux d’encroûtements carbonatés intercalés de planchers stalagmitiques et d’argiles. Cet ensemble, uniquement visible sous forme de lambeaux en place contre la paroi et le pilier Est de la cavité, est riche en ossements et fragments de poteries.

3L’ensemble moyen (1 m d’épaisseur) comprend sept couches (I à VII) formées de sables et de cailloutis enrobés dans une matrice argileuse. Il est très riche en outils et en faune du Pléistocène supérieur. Certaines de ces couches ont pu être datées précisément : les couches III à VII se seraient formées lors du stade isotopique 4 (Abbassi, 1999; Abbassi et Desclaux, 1996) et la base de la couche VII a été datée à 60000 ± 9000 ans BP par résonance de spin électronique (ESR) sur dents de cerf (Mehidi, 2005).

À la base, se trouve un plancher stalagmitique formé à la fin du stade isotopique 5 (stade 5.1), daté à ~82500 ± 5600 ans BP par la méthode de déséquilibre radioactif U/Th (Mehidi, 2005).

4Les analyses polliniques et faunistiques ont documenté le paléoenvironnement. Les premières indiquent globalement un climat froid, plutôt humide (couche VI), franchement froid (diminution brusque des taxons arboréens pour les couches VI et V) ou un peu plus doux (brève amélioration des conditions climatiques au niveau de la couche III) [Arobba et al., 1976]. Plus récemment, Karatsori(2003) a conclu que les couches I à VII pourraient s’être formées entre les stades isotopiques 3 et 5 (stade 3 pour la couche I, stade 4 pour les couches II à IV, et stade 5 pour les restantes). La grotte est caractérisée par l’abondance d’ossements, qui sont souvent très fragmentés. La dominance écrasante du cerf, animal de forêt, sur le cheval, animal de prairie, et l’absence ou l’extrême rareté du bouquetin sont caractéristiques de la faune du premier stade würmien (Lumley-Woodyear de, 1969;Psathi 2003; Psathi et Vicino, 2003; Valensi et Psathi, 2004). Les espèces rencontrées témoignent d’un milieu essentiellement forestier et d’un climat tempéré humide.

5Par ses caractéristiques techniques et typologiques, l’industrie moustérienne de Manie peut être considérée comme un Moustérien typique, de débitage faiblement Levallois, mais assez riche en éclats Levallois non transformés en outils. Les matières premières sont par ordre d’abondance le quartzite, le silex et le quartz (Cauche 2007, Lumley-Woodyear de 1969).

6Nous proposons dans cette étude de réaliser une description détaillée des propriétés magnétiques du remplissage de la grotte de Manie. Trois objectifs ont motivé cette approche. Il s’agissait tout d’abord de préciser la stratigraphie. En effet, les méthodes magnétiques permettent de révéler des variations, notamment dans le mode de dépôt, qui ne sont pas nécessairement détectables macroscopiquement (Djerrab et al., 2007).L’approche magnétique peut permettre aussi d’affiner les interprétations paléoclimatiques fournies par les études faunistiques ou palynologiques et de valider la présence de foyers qui parfois peuvent être confondus avec des zones riches en matière organique (Dearing et Flower, 1982;Maher & Thompson, 1992; Rummery, 1983;Thompson et al., 1975; Zhou et al., 1990).

1. Échantillonnage et méthodologie

7Durant la campagne de prélèvement, après un nettoyage des coupes stratigraphiques, la susceptibilité magnétique volumique (K) a été mesurée directement sur l’affleurement à l’aide du susceptibilimètre portatif Bartington MS2 (fréquence 958 Hz) connecté à une sonde de type MS2F. 70 échantillons ont ensuite été prélevés respectivement dans l’ensemble supérieur (coupe stratigraphique diagonale Q5-P5-P4-O4-O3) et l’ensemble moyen (coupes stratigraphiques longitudinales O/P et P/Q) (fig. 2).

Figure 2 : Plan des secteurs fouillés dans la grotte d’Arma delle Manie (d’après Giuggiola et Vicino, 1996).
Figure 2: Map of the excavated sectors in Arma delle Manie cave (after Giuggiola and Vicino, 1996).

Figure 2 : Plan des secteurs fouillés dans la grotte d’Arma delle Manie (d’après Giuggiola et Vicino, 1996).Figure 2: Map of the excavated sectors in Arma delle Manie cave (after Giuggiola and Vicino, 1996).

8La lithologie ne nous a pas permis d’orienter in situ ces prélèvements. Afin d’empêcher tout mouvement des grains pendant les manipulations, les échantillons ont été consolidés après séchage d’une solution aqueuse de sodium silicaté. Les propriétés magnétiques suivantes ont été mesurées :

la susceptibilité magnétique massique (c) à basse fréquence (0,46 kHz) et haute fréquence (4,65 kHz) a été mesurée avec un susceptibilimètre MS2 connecté à une sonde MS2B,

9la dépendance en fréquence de la susceptibilité magnétique (cfd) est calculée à partir du paramètre précédent selon la formule : cfd= ((cbf-chf)/cbf)) x 100 % (Maher 1986, Maher 1988, Mullins 1977). Ce paramètre permet en particulier de détecter la présence de tous petits grains magnétiques (< 0,03 µm) qui montrent un comportement super-paramagnétique.

10l’aimantation rémanente isotherme à saturation (ARIs), acquise sous l’effet d’un champ magnétique de 1 T appliqué selon une direction déterminée. Cette ARI a été mesurée avec un inductomètre à rotation (type JR5A). Dans un deuxième temps, une aimantation rémanente anhystérétique (ARA) est induite en appliquant un faible champ direct de 0,02 mT, qui se superpose à un fort champ alternatif de 0,12 T sur l’échantillon dans le sens inverse de l’aimantation à saturation précédemment acquise. L’ARA est mesurée de la même manière que l’ARI.

11l’aimantation à saturation (Ms), l’aimantation rémanente à saturation (Mrs), le champ coercitif (Hc) et le champ coercitif rémanent (Hcr), ont été définis à l’aide du cycle d’hystérésis (réalisé au C.E.R.E.G.E, Université Aix-Marseille 3).

12la procédure proposée par Lowrie (1990) a également été appliquée à certains échantillons. Cette procédure est basée sur l’analyse de la désaimantation thermique de trois ARI induites au laboratoire selon trois axes orthogonaux. Nous avons choisi un champ de 1T selon l’axe Z, de 100 mT selon l’axe X et de 50 mT selon l’axe Y. Cette procédure permet de mettre en évidence l’existence de plusieurs populations de grains magnétiques qui diffèrent par leur chimisme ou leur taille (Lowrie 1990; Westphal et al., 1998).

2. Résultats et interprétation

Concentration en grains magnétiques

13Entre -235 et -85 cm (sous le niveau 0 de la grotte), se trouve l’ensemble moyen très riche en vestiges archéologiques (faune et industries moustériennes). Les valeurs de la susceptibilité magnétique volumique (k) sont élevées, plus particulièrement dans les foyers (base de la fig. 3 et fig. 4), de même que les valeurs de la susceptibilité magnétique massique (c), stables et fortes (82 à 122 10-8 m3/kg) (fig. 5a). De telles valeurs indiquent la présence d’un pourcentage significatif de grains magnétiques.

Figure 3 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique diagonale Q5-P5-P4-O4-O3.
Figure 3: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section Q5-P5-P4-O4-O3.

Figure 3 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique diagonale Q5-P5-P4-O4-O3.Figure 3: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section Q5-P5-P4-O4-O3.

14L’évolution de l’ARIs et de l’ARA est similaire à celle de la susceptibilité magnétique (fig. 4C et 4D). L’ARA est très influencée par la présence de grains de taille MD et PMD (Stacey et Banerjee, 1974; Dunlop et Ozdemir, 1997).

15Les trois paramètres magnétiques (c, ARIs et ARA) augmentent légèrement à -175 cm, ce qui est bien visible sur la représentation graphique de la susceptibilité magnétique spécifique sur la coupe stratigraphique longitudinale O/P (fig. 4). Cette augmentation est vraisemblablement liée à la présence de traces de cendre des foyers. Cependant, il faut noter que les échantillons ont été prélevés sur le côté droit de la coupe O/P, zone où les foyers sont absents (fig. 4).

Figure 4 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique longitudinale O/P.
Figure 4: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section O/P.

Figure 4 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique longitudinale O/P.Figure 4: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section O/P.

16Entre 0 et -85 cm (fig. 2 et 4), il s’agit de l’ensemble supérieur, riche en matériel néolithique et correspondant à la partie moyenne et supérieure de la coupe diagonale Q5-P5-P4-O4-O3. Dans cet ensemble d’âge Holocène,le dépôt s’enrichit en argiles, et les sédiments, de teinte plus foncée (présence de foyers et de matière organique), sont parsemés de coquilles d’escargots. Une certaine humidité du milieu a favorisé la formation de concrétions de calcite et de planchers stalagmitiques au sein du remplissage.

17Les valeurs de cbf, ARIs, ARA augmentent fortement, pour atteindre respectivement 400 10-8 m3/kg, 26000 mA/m et 241 mA/m (forte concentration en grains magnétiques). Les planchers stalagmitiques et les concrétions carbonatées observés dans cette partie du remplissage contiennent beaucoup d’impuretés, formées essentiellement par les argiles et les grains magnétiques (fortes valeurs des paramètres magnétiques). Ces impuretés (argile et autre) sont d’origine allochtone et ont été entrainées à l’intérieur de la grotte par les eaux interstitielles à travers le karst sous un climat humide. A -15 cm et -80 cm (fig. 5), se trouvent des encroûtements de calcite, formés sous un climat humide par dissolution de la paroi calcaire et précipitation de carbonate de calcium (Djerrab, 2002). Il s’agit de dépôts géochimiques endokarstiques capables d’enregistrer au cours de leur croissance des informations paléoenvironnementales variées (Genty, 2002). Ces encroûtements calcaires provoquent généralement une chute brutale des différents paramètres magnétiques (le carbonate de calcium présente un comportement diamagnétique).

Figure 5 : Mesure des paramètres magnétiques des échantillons prélevés sur la coupe stratigraphique longitudinale K/L et transversale 30/31
Figure 5: Magnetic parameters of specimens sampled from Arma delle Manie cave.

Figure 5 : Mesure des paramètres magnétiques des échantillons prélevés sur la coupe stratigraphique longitudinale K/L et transversale 30/31Figure 5: Magnetic parameters of specimens sampled from Arma delle Manie cave.

A : Susceptibilité magnétique massique à basse fréquence (10-8 m3/kg), B : Dépendance en fréquence de la susceptibilité magnétique (%), C : Aimantation Rémanente Isotherme de Saturation (A/m), D : Aimantation Rémanente Anhystérétique (A/m), E : Rapport de l’Aimantation Rémanente Isotherme à -100 mT et de l’Aimantation Rémanente Isotherme de saturation à 1000 mT, F : Rapport ARIs/cbf (kA/m), G : Rapport ARIs/ARA , H : Rapport ARA/cbf  kA/m.
A: Specific magnetic susceptibility at low frequency (10-8 m3/kg), B: Frequency dependent magnetic susceptibility (%), C: Saturation isothermal remanent magnetization (mA/m), D: Anhysteretic remanent magnetization (ARA mA/m), E: S100-ratio, F: IRMs/clf ratio in kA/m, G: ARM/IRMs ratio, H: ARA/clf  in kA/m.

Taille des grains magnétiques

Plusieurs paramètres permettent de l’estimer

18la dépendance en fréquence de la susceptibilité magnétique (cfd) (obtenue par la formule cfd= ((cbf-chf)/cbf)) x 100 %) [Maher, 1996; Maher, 1988; Mullins, 1977] : les valeurs obtenues sont, en général, supérieures à 10 (fig. 5.B), ce qui révèle que plus de 75 % des grains magnétiques présents sont de très petite taille. On parle alors de grains superparamagnétiques ou SP (diamètre inférieur à 0,03 µm dans le cas de la magnétite). Ce paramètre ne permet pas de distinguer parmi les grains plus grossiers nécessairement présents, ceux qui présenteraient un comportement de type monodomaine, (MD), Pseudo-MonoDomaine (PMD) ou encore Poly-Domaine (PD, les plus grossiers).

19Généralement, au sein des foyers, les fortes valeurs de cfd, entre 10 et 15%, marquent la présence de foyers (Dearing et al., 1996, Liu et al., 1994; Maher et Thompson, 1991). La pédogenèse peut également conduire à la formation de grains ultrafins de magnétite et de maghémite.

20– le rapport d’ARIs/cbf(Tauxe, 1993) : ce rapport est inversement corrélé avec la taille des grains magnétiques (King et al., 1983, Thompson & Oldfield, 1986). Dans notre cas, les valeurs obtenues sont inférieures à 9 kA/m pour l’ensemble du remplissage (fig. 5F), et diminuent à la base (entre -155 et -235 cm) [valeur moyenne d’environ 5.5 kA/m]. De telles valeurs pourraient indiquer la dominance de grains de petite taille et de faible champ coercitif de magnétite.

21Le rapport ARA/ARIs : ce paramètre est moins sensible que les précédents à la présence de grains fins. Une augmentation des valeurs reflète une diminution de la taille des grains. L’ARA est très influencée par la présence de grains de taille MD et PMD [Hunt et al., 1995], et elle est particulièrement sensible à la présence de grains ferrimagnétiques de taille sub-micrométrique, d’un diamètre de l’ordre de 0.03 µm (Maher, 1998; Özdemir et Banerjee, 1982). L’ARA ne s’enregistre pas avec la même intensité selon le type de grain (MD, PD ou PSD), puisque le champ appliqué aimante plus facilement un PD (plus gros) qu’un MD.

Les valeurs obtenues (fig. 5G) indiquent que le pourcentage de grains de taille MD est plus important dans la partie inférieure du remplissage.

22Le rapport ARA/cbf : ce paramètre, relativement peu sensible aux grains fins (SP), doit au contraire être utilisé pour la détection des grains les plus larges, MD ou PMD (pour l’ARA), et jusqu’aux PD (pour cbf) [Kumaravel et al., 2005]. Les résultats confirment ici ceux obtenus précédemment (grains MD plus abondants vers le bas / grains PMD et PD vers le sommet [fig. 5H]).

23Représentations de (1) Thompson et Oldfield (1986), et (2) de King et al., (1982) : ces deux représentations permettentd’avoir une estimation à la fois de la taille et de la concentration en grainsmagnétiques.

24Les échantillons présentent un pourcentage modéré en grains magnétiques (entre 0,001 et 0,01 %), excepté ceux prélevés dans le plancher stalagmitique et dans la couche très concrétionnée pour lesquels la proportion en grains magnétiques est moindre (0,0001 % pour l’échantillon AM-40 et 0,001 pour l’échantillon AM-27). Selon ce diagramme, la taille des grains magnétiques est comprise entre 16 et 32 µm (fig. 7A).

25Sur ce diagramme, la pente de la droite obtenue varie selon le type de grains : elle augmente inversement avec la taille des grains, et la résolution sur la valeur de cette pente (i.e. précision sur la taille) sera d’autant meilleure que les grains seront petits (Esteban, 2006). Les résultats obtenus corroborent ceux obtenus précédemment (fig. 7B).

26Paramètres d’hystérésis : les propriétés d’hystérésis sont dépendantes de la taille des particules magnétiques. Les paramètres utilisés sont l’aimantation à saturation (Ms), l’aimantation rémanente à saturation (Mrs), le champ coercitif (Hc : champ qui crée une aimantation induite qui annule l’aimantation rémanente initiale), et le champ coercitif de rémanence (Hcr : champ qui crée une aimantation rémanente inverse qui annule l’aimantation rémanente à saturation). Mr et Mrs dépendent de la concentration en minéraux magnétiques, alors que les rapports Hcr/Hc et Mrs/Mr dépendent de la nature et de la taille des particules magnétiques. En pratique, une représentation des rapports Mrs/Ms en fonction de Hcr/Hc (Day et al., 1977) permet de caractériser le type de grains magnétiques présents (Hcr/Hc augmente avec la taille, alors que Mrs/Ms diminue). Les valeurs critiques pour les différents types de grains ont en outre récemment été précisées (Dunlop, 2002). Sur ce diagramme (fig. 7C), la totalité des échantillons se localise dans une zone caractéristique des grains PMD.

Nature des grains magnétiques

Ici également, la détermination de la nature des grains ne repose pas sur un seul paramètre, mais sur un ensemble de critères.

  1. Etude du rapport ARI-100/ARIs (S-100-ratio) : les valeurs, supérieures à 0,9 (fig. 5E), indiquent la dominance de grains à faible champ coercitif (probablement de la magnétite et/ou de la maghémite). Ces derniers acquièrent une grande partie de leur rémanence dans un champ inférieur à 100 mT (Maher, 1988; Maher et al., 2002).

Figure 6 : A et B : Diagrammes de Lowrie des échantillons Man-3 et Man-38, D, F et H : Logs de la distribution gaussienne cumulative (DGC) ajustés au gradient de l’acquisition de l’ARI des échantillons Man-3, Man-26 et Man-65, C, E et G : Courbes d’acquisition de l’aimantation à saturation.
Figure 6: A and B: Lowrie diagrams for specimensMan-3 and Man-38. D, F and H: Cumulative Gaussian log (CLG) distributions fit the gradient of the IRM acquisition curve for specimens Man-3, Man-26 and Man-65. C, E and G Isothermal remanent magnetization to saturation acquisition curves vs. applied field (mT).

Figure 6 : A et B : Diagrammes de Lowrie des échantillons Man-3 et Man-38, D, F et H : Logs de la distribution gaussienne cumulative (DGC) ajustés au gradient de l’acquisition de l’ARI des échantillons Man-3, Man-26 et Man-65, C, E et G : Courbes d’acquisition de l’aimantation à saturation.Figure 6: A and B: Lowrie diagrams for specimensMan-3 and Man-38. D, F and H: Cumulative Gaussian log (CLG) distributions fit the gradient of the IRM acquisition curve for specimens Man-3, Man-26 and Man-65. C, E and G Isothermal remanent magnetization to saturation acquisition curves vs. applied field (mT).
  1. Utilisation du test de Lowrie (1990) : ce test permet de discriminer des populations de grains qui présenteraient des spectres de champ coercitif différents. Deux échantillons y ont été soumis (Man-3 et Man-38) (fig. 6A et B). Le principe de ce test est la désaimantation thermique en champ nul, jusqu’à 600 °C, des échantillons selon trois composantes de coercivité. L’étude des familles de faible coercivité est réalisée selon l’axe X, celles de moyenne coercivité selon l’axe Y et celles de forte coercivité selon l’axe Z. Ce test permet de déterminer les températures de Curie pour différentes populations en même temps. Ces températures de déblocage sont représentées par des ruptures de pente correspondant aux pertes de rémanence magnétique des minéraux.

27Deux pertes de rémanence magnétique sont observées pour les familles de grain à faible coercivité (X). Il s’agit d’une première chute à 300 °C (transformation de la maghémite), puis une deuxième à 580 °C (point de Curie de la magnétite) [fig. 6A et B]. Concernant les familles des minéraux à forte et moyenne coercivité, une légère augmentation se produit entre 100 et 200 mT, sur l’axe Z (échantillon Man-38), qui pourrait être liée à la température de Curie de la goethite (aFeOOH), qui est un hydroxyde de fer, antiferromagnétique (accompagné d’un faible ferromagnétisme fortement anisotrope [Rochette et Fillion, 1989]). La goethite peut se déshydrater en hématite (ce qui est marqué par un léger accroissement des valeurs de cbf et de l’ARI) (Hedley, 1968), elle peut aussi se convertir en magnétite pendant la chauffe en présence de matière organique (bois ou végétaux) (Mullins, 1977; Rummery et al., 1979).

Figure 7 : A : Diagramme bi-logarithmique de la susceptibilité magnétique volumique  (S.I) en fonction de l’Aimantation Rémanente Isotherme de Saturation (A/m), B : Diagramme de la susceptibilité Anhystérétique (Karm *10-3 SI) en fonction de la susceptibilité  magnétique spécifique (kbf *10-3 SI), C : Diagramme du rapport Mr/Ms en fonction de Hcr/Hc  (d’après Day et al. 1977, modifié par Dunlop 2002).
Figure 7: A: Bi-logarithmic plot of magnetic susceptibility (S.I) versus saturation remanence (A/m), B: Karm (*10-3 SI) vs. K (* 10-3 SI) diagram (King et al., 1982), C: Mr/Ms vs Hcr/Hc diagram (after Day et al. (1977), modified by Dunlop (2002)). MD: multi-domain, SD: single domain, PSD: pseudo-single domain.

Figure 7 : A : Diagramme bi-logarithmique de la susceptibilité magnétique volumique  (S.I) en fonction de l’Aimantation Rémanente Isotherme de Saturation (A/m), B : Diagramme de la susceptibilité Anhystérétique (Karm *10-3 SI) en fonction de la susceptibilité  magnétique spécifique (kbf *10-3 SI), C : Diagramme du rapport Mr/Ms en fonction de Hcr/Hc  (d’après Day et al. 1977, modifié par Dunlop 2002).Figure 7: A: Bi-logarithmic plot of magnetic susceptibility (S.I) versus saturation remanence (A/m), B: Karm (*10-3 SI) vs. K (* 10-3 SI) diagram (King et al., 1982), C: Mr/Ms vs Hcr/Hc diagram (after Day et al. (1977), modified by Dunlop (2002)). MD: multi-domain, SD: single domain, PSD: pseudo-single domain.

28Analyse de la courbe d’acquisition de l’ARI : elle donne des informations sur la distribution des composantes magnétiques des échantillons et indique à quelle valeur de champ magnétique ils ont acquis leur rémanence (Mooney et al., 2002). Chaque spectre peut être ajusté par l’utilisation de la distribution du log Gaussien cumulatif (CLG) [Robertson et France, 1994; Stockhausen 1998].

29Chaque composante magnétique est décrite par son aimantation à saturation (ARIs), par le paramètre B1/2 (champ magnétique pour lequel la moitié de l’ARIs est détruite), et enfin par le paramètre DP, représentant la dispersion de la distribution (Kruiver et al., 2001, Kruiver et al., 2003). L’ARI a été décomposée pour trois échantillons (Man-3, Man-26 et Man-65), prélevés respectivement à -5, -120 et -205 cm (fig. 6). Ceux-ci se comportent d’une manière identique. Le cortège magnétique est représenté par deux composantes principales, la première, de faible champ coercitif (~13 mT), est portée par les grains de taille PD et contribue à ~30 % de l’ARI. La seconde, de champ modéré (~23 mT), est portée par un mélange de grains (MD, PMD et MD).

30La présence de minéraux à champ coercitif élevé (hématite et goethite) est exclue, du fait des fortes valeurs du S-ratio, égal à 0.99 pour les trois échantillons (ce paramètre s’obtient par la formule suivante : S - ratio= (1-(ARI-0,3T / ARIS2T))/2). De plus, l'ARI de tous les échantillons analysés (Fig. 6C, 6E et 6G) sature rapidement pour des valeurs du champ inductif inférieures à 200 mT. Ce résultat confirme l’absence de tels minéraux, saturant au-dessus de 1 Tesla.

31Utilisation des paramètres déterminés à l’aide du cycle d’hystérésis : La susceptibilité ferromagnétique (kferro) représente plus de 95 % de la susceptibilité totale de l’échantillon (k0). Les résultats obtenus montrent donc la forte contribution des grains ferromagnétiques (magnétite et maghémite). La valeur des susceptibilités paramagnétique, antiferromagnétique et diamagnétique, mesurées dans un champ magnétique fort, ne dépasse pas 5 %.

32Pour résumer, les grains magnétiques de taille fine (SP) de magnétite et de maghémite sont majoritaires et contrôlent presque tout le signal magnétique. Ils sont probablement issus de la transformation des oxydes de fer primaires.

3. Interprétation 

Paléoclimat et stratigraphie

33La reconstitution des paléoclimats au moment du dépôt des sédiments s’appuie sur l’analyse d’un ensemble d’indices, tant d’ordre sédimentologique (type de dépôt présent, abondance relative des différents éléments) que magnétiques. Le type de grain magnétique, et l’abondance relative des différents types de grains, est en effet fortement dépendante des conditions climatiques.

34Dans notre cas, la présence d’argile, intercalée avec des concrétions carbonatées, ainsi que de niveaux riches en matière organique évoque un climat humide. Ces éléments, associés à une quantité importante de grains magnétiques de taille fine (cfd > 10%), nous laissent supposer que les conditions climatiques contemporaines au dépôt étaient assez clémentes, et que les minéraux magnétiques ont subi une évolution géochimique post-déposionnelle importante (forte pédogenèse). Il n’y a eu aucune circulation d’eau violente lors de la mise en place du remplissage, par conséquent les éléments ont été transportés par l’intermédiaire des eaux interstitielles (excepté pour les deux niveaux concrétionnés à -15 et -80 cm, très pauvres en argile et grains magnétiques, qui ont eu des conditions de mise en place différentes). Le remplissage, y compris donc les oxydes de fer, peut avoir deux origines différentes : allochtone (à partir du plateau) et autochtone (dissolution de la roche encaissante et formation d’oxydes de fer in situ par transformation des carbonates de fer (FeCO3) et des oxydes de fer primaires que l’on rencontre dans le calcaire).

35En termes de stratigraphie, cette étude nous a permis de délimiter différents niveaux (fig. 3 et 4). Les niveaux riches en concrétions, en argile, en matière organique et en foyers présentent les plus fortes valeurs des paramètres magnétiques, au contraire des niveaux riches en planchers stalagmitiques. La subdivision stratigraphique telle qu’elle avait été décrite par Cauche (2007) est confirmée.

Conclusion 

36La présente étude a permis de confirmer la subdivision stratigraphique déjà établie dans des études antérieures en ce qui concerne les deux ensembles stratigraphiques supérieurs. Le troisième ensemble stratigraphique, situé à la base du remplissage, est formé exclusivement par un plancher stalagmitique, et n’a donc pas pu faire l’objet d’une étude magnétique.

37Tous les paramètres magnétiques s’accordent pour prouver la présence d’un fort pourcentage de grains magnétiques, et plus particulièrement au niveau des foyers et dans la partie supérieure du remplissage. De fortes valeurs sont également observées pour les planchers stalagmitiques et les concrétions carbonatées qui renferment beaucoup d’impuretés (argile et oxydes de fer). Deux chutes brutales de ces valeurs se corrèlent à deux petits planchers stalagmitiques à -15 et -80 cm. Ces derniers sont constitués de calcite presque pure (CaCO3).

38Les valeurs de la dépendance en fréquence de la susceptibilité magnétique sont fortes (> 10%) et prouvent la dominance de grains de très petite taille ayant un comportement magnétique de type SP (plus de 70%), devant ceux de taille plus grossière montrant des comportements PD, MD et PSD. Les grains PD sont faiblement représentés dans la partie inférieure, mais néanmoins leur pourcentage augmente dans la partie supérieure. Inversement, le pourcentage des MD augmente légèrement dans la partie inférieure comme le prouvent les valeurs des rapports ARA/ARIs et ARA/cbf.

39Concernant la nature des grains magnétiques, la décomposition de la courbe de l’acquisition de l’ARI montre la présence de deux composantes magnétiques portées par les grains MD de magnétite et de maghémite (1re) et dans une moindre importance les PD (2e). Le test de Lowrie confirme ces résultats et ne montre aucune trace ni d’hématite ni de goethite.

40En terme de paléoclimats, une précédente étude palynologique avait détecté la présence de deux pics climatiques très froids (dans les couches VI et V). Ceux-ci n’ont pas été mis en évidence par l’étude magnétique, ce qui n’est guère surprenant si on considère le fait que ces deux pics ne représentent en termes de dépôt sédimentaire qu’une mince couche, facilement enrichie par les éléments SP et les argiles (par infiltration par l’intermédiaire des eaux interstitielles).

41La présence de concrétions carbonatées, de planchers et d’argiles, le tout accompagné de fortes valeurs des différents paramètres magnétiques (dépôt holocène de la coupe stratigraphique diagonale Q5-P5-P4-O4-O3), évoque un climat humide, également confirmé par la dominance de magnétite et de maghémite. Sous un tel climat, une pédogenèse a pu se mettre en place, induisant la transformation des carbonates et oxydes de fer primaires en oxydes de fer secondaires. L’existence de foyers a également accentué cette transformation.

42L’ensemble moyen, datant du Pléistocène supérieur, est caractérisé par un arrêt de la sédimentation de karst actif et la mise en place d’un dépôt de karst fossile. C’est au cours de cette période que la grotte a été fréquentée par l’homme préhistorique responsable de la civilisation moustérienne. La concentration en grains magnétiques dans cet ensemble est moins importante que celle de l’ensemble supérieur (fig. 4), excepté dans les niveaux riches en foyers (couche IV).

Cette étude a été réalisée dans le cadre d’une coopération franco-italienne, rendue possible grâce à la Soprintendenza Archeologica della Liguria (Italie) et l’Institut de Paléontologie Humaine du MNHN de Paris. Merci aux responsables du laboratoire départemental de préhistoire du Lazaret (Nice). Nous remercions enfin Mme Ruault-Djerrab pour ses conseils constructifs et pour son aide précieuse.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Situation géographique de la grotte d’Arma delle Manie (Finale Ligurie, Savona, Italie).Figure 1: Geographical localization of the Arma delle Manie cave (Finale Ligurie, Savona, Italy)
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-1.png
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Titre Figure 2 : Plan des secteurs fouillés dans la grotte d’Arma delle Manie (d’après Giuggiola et Vicino, 1996).Figure 2: Map of the excavated sectors in Arma delle Manie cave (after Giuggiola and Vicino, 1996).
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-2.png
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Titre Figure 3 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique diagonale Q5-P5-P4-O4-O3.Figure 3: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section Q5-P5-P4-O4-O3.
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-3.png
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Titre Figure 4 : Représentation graphique de la susceptibilité magnétique volumique sur la coupe stratigraphique longitudinale O/P.Figure 4: Variation of the bulk magnetic susceptibility along the stratigraphic cross-section O/P.
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-4.png
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Titre Figure 5 : Mesure des paramètres magnétiques des échantillons prélevés sur la coupe stratigraphique longitudinale K/L et transversale 30/31Figure 5: Magnetic parameters of specimens sampled from Arma delle Manie cave.
Légende A : Susceptibilité magnétique massique à basse fréquence (10-8 m3/kg), B : Dépendance en fréquence de la susceptibilité magnétique (%), C : Aimantation Rémanente Isotherme de Saturation (A/m), D : Aimantation Rémanente Anhystérétique (A/m), E : Rapport de l’Aimantation Rémanente Isotherme à -100 mT et de l’Aimantation Rémanente Isotherme de saturation à 1 000 mT, F : Rapport ARIs/cbf (kA/m), G : Rapport ARIs/ARA , H : Rapport ARA/cbf  kA/m.A: Specific magnetic susceptibility at low frequency (10-8 m3/kg), B: Frequency dependent magnetic susceptibility (%), C: Saturation isothermal remanent magnetization (mA/m), D: Anhysteretic remanent magnetization (ARA mA/m), E: S100-ratio, F: IRMs/clf ratio in kA/m, G: ARM/IRMs ratio, H: ARA/clf  in kA/m.
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-5.png
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Titre Figure 6 : A et B : Diagrammes de Lowrie des échantillons Man-3 et Man-38, D, F et H : Logs de la distribution gaussienne cumulative (DGC) ajustés au gradient de l’acquisition de l’ARI des échantillons Man-3, Man-26 et Man-65, C, E et G : Courbes d’acquisition de l’aimantation à saturation.Figure 6: A and B: Lowrie diagrams for specimensMan-3 and Man-38. D, F and H: Cumulative Gaussian log (CLG) distributions fit the gradient of the IRM acquisition curve for specimens Man-3, Man-26 and Man-65. C, E and G Isothermal remanent magnetization to saturation acquisition curves vs. applied field (mT).
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/2648/img-6.png
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Titre Figure 7 : A : Diagramme bi-logarithmique de la susceptibilité magnétique volumique  (S.I) en fonction de l’Aimantation Rémanente Isotherme de Saturation (A/m), B : Diagramme de la susceptibilité Anhystérétique (Karm *10-3 SI) en fonction de la susceptibilité  magnétique spécifique (kbf *10-3 SI), C : Diagramme du rapport Mr/Ms en fonction de Hcr/Hc  (d’après Day et al. 1977, modifié par Dunlop 2002).Figure 7: A: Bi-logarithmic plot of magnetic susceptibility (S.I) versus saturation remanence (A/m), B: Karm (*10-3 SI) vs. K (* 10-3 SI) diagram (King et al., 1982), C: Mr/Ms vs Hcr/Hc diagram (after Day et al. (1977), modified by Dunlop (2002)). MD: multi-domain, SD: single domain, PSD: pseudo-single domain.
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Pour citer cet article

Référence papier

Abderrezak Djerrab et Pierre Camps, « Propriétés magnétiques du remplissage de la Caverna delle Manie (Finale Ligurie, Italie) », ArcheoSciences, 34 | 2010, 81-96.

Référence électronique

Abderrezak Djerrab et Pierre Camps, « Propriétés magnétiques du remplissage de la Caverna delle Manie (Finale Ligurie, Italie) », ArcheoSciences [En ligne], 34 | 2010, mis en ligne le 11 avril 2013, consulté le 13 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/archeosciences/2648 ; DOI : 10.4000/archeosciences.2648

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Auteurs

Abderrezak Djerrab

Université de Tébessa – route de Constantine, 12002, Tébessa, Algérie, et CERP de Tautavel, UMR 5590 du CNRS, France. (djerrab@yahoo.fr)

Pierre Camps

Géosciences Montpellier UMR 5243 – CC 60 Université Montpellier 2 Place E.-Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 5. (pierre.camps@dstu.univ-montp2.fr)

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