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La polarisation provoquée, outil géophysique de spatialisation des amas de scories pour l’estimation des productions sidérurgiques

Induced Polarization: a geophysical tool for slag characterization and ancient iron production assessment
Nicolas Florsch, Abdulsamad Feras, Jeremy Bonnenfant et Christian Camerlynck
p. 23-33

Résumés

Estimer l’ampleur d’une ancienne exploitation minière profite à l’historien dans sa recherche de quantification des richesses issues des matières premières. S’agissant du fer, c’est aussi du pouvoir militaire dont il peut s’agir. Mais en l’absence d’archives préservées, il faut en passer par l’archéologie car alors seuls les vestiges du terrain permettent une estimation de la production de métal. Les méthodes géophysiques, prises comme outils de cartographie des amas de scories, peuvent contribuer à la compréhension d’un site métallurgique. Toutefois, les méthodes classiques, magnétiques, électriques et électromagnétiques ne sont pas des proxys directs des volumes de scories abandonnées. Elles ne fournissent pas une réponse spécifique et ne sont pas conservatrices (la réponse intégrale n’est pas proportionnelle à l’intégrale des masses ou volumes). Par contre, la méthode de Polarisation Provoquée (PP), d’ailleurs traditionnelle pour la recherche minière depuis le milieu du xxe siècle, offre, pour les amas de scories, une réponse spécifique, linéaire, conservative. Nous l’utilisons au lieu-dit « Grand Bois », sur la commune de Saint-Vincent-sur-l’Isle (Dordogne, France), pour un site d’extraction actif du xie au xve siècle. La PP nous permet de caractériser la géométrie de l’amas de scories et par suite rend possible l’estimation du volume de fer produit sur la plateforme métallurgique majeure du site étudié.

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Texte intégral

Le laboratoire UMMISCO, UMI no 209 IRD-UPMC et le Conseil Général de la Dordogne ont, grâce aux financements accordés, permis cette étude. Les étudiants de M1 de l’UPMC : Manon Cassagnole, David Durka et Séréna Delar, ont participé aux opérations de terrain et au traitement des données et nous les en remercions. Nous adressons particulièrement nos remerciements aux deux relecteurs dont le travail a permis de notables améliorations.
À la mémoire d'Alain Ploquin

1. Introduction

Problématique archéologique

1Le volume de métal fer produit sur un site ou une région donnée sur une période donnée constitue un indicateur économique important de l’activité industrielle, quels que soient les époques et systèmes de gouvernance auxquels cette activité peut être rattachée.

2S’agissant de sites d’ampleur, le fer produit est fréquemment transporté hors des districts miniers, vers les lieux de son utilisation. L’estimation des volumes extraits de minerai est difficile par définition, ces volumes ayant disparu, ce qui rend subséquemment l’estimation du métal produit difficile.

3Le chercheur se convainc rapidement qu’un des meilleurs « proxy » possible du volume de fer produit est accessible par l’intermédiaire du volume des scories rejetées sur le site. C’est la connaissance de coefficients de conversion obtenus lors d’études antérieures qui permet cette conversion, comme le montre l’exemple de Decombeix et al. (1998).

4Le plus souvent, pour des sites non remaniés par des travaux contemporains, l’archéologue a de bonnes raisons de penser que les amas de scories sont préservés. Le facteur de conversion en fer produit dépend du type de minerai et va varier selon le district, tout en restant valable pour un ensemble donné, dès lors que l’on peut disposer d’un estimateur de ce coefficient. L’archéologie expérimentale est une des approches fécondes et alternatives à des recherches plus traditionnelles, qui permet de consolider l’estimation de ce rendement. Parallèlement, une cartographie (ou spatialisation) des scories contribue également à comprendre l’organisation opérationnelle d’un site d’ateliers, et peut apporter un éclairage complémentaire sur la chaîne de traitement.

5Les amas de scories résultent d’un démantèlement continu ou discontinu des coulées obtenues à la base des fourneaux (Jarrier et al., 1997 ; Mahé-Le Carlier et Ploquin, 1999 ; Fluzin et al., 2000). Ils présentent un granoclassement hétéroclite, allant de blocs pluridécimétriques à de la poussière, et la masse volumique macroscopique des amas est souvent voisine ou inférieure à 2000 kg/m3 en raison d’une forte proportion de vides entre les blocs les plus volumineux. La densité est également déterminée par la proportion, parfois importante, de bulles.

6Le site archéologique faisant l’objet de la présente étude se situe en Dordogne à une quinzaine de kilomètres de Périgueux, au lieu-dit « Les Grands Bois » sur la commune de Saint-Vincent-sur-l’Isle (voir l’annexe). Il comporte plusieurs ateliers sidérurgiques : on y dénombre onze ferriers, ciblant les lieux où la production du fer s’organisait. Dix d’entre eux se situent dans la partie sud-ouest du site et un (le numéro 10) est à environ deux kilomètres à l’Est du numéro 1. La production de fer de ce petit ferrier isolé à l’Est est supposée être la plus ancienne, datant du xie siècle. Les autres auraient eu une activité plus récente, datée de la deuxième moitié du xiie siècle jusqu’à la première moitié du xve siècle (Bonnenfant, 2015a). Sur le ferrier le plus important, il existe des traces d’un bâtiment. Les fouilles archéologiques ont permis de mettre au jour divers mobiliers domestiques : pots, marmites et des plaques foyères (Bonnenfant, 2015b). Le bâtiment correspondrait à un espace dédié à la vie des ferrons sur leur lieu de travail. On sait que la production de fer brut à cette époque se faisait notamment à l’aide de bas fourneaux, lesquels sont seuls attestés sur ce site. La réduction, qui ne nécessitait pas que le métal fût porté à la fusion, conduisait à une « loupe de fer », que le métallurgiste expurgeait des restes de charbons de bois et d’autres impuretés, par un martelage technique : le cinglage. Actuellement en forêt, le ferrier principal couvre environ 2600 m2. Il se situe à 210 mètres d’altitude, au sommet d’un plateau constitué d’une poche sidérolithique. Il est encadré par deux rivières : l’Isle et l’Auvezère. Au Nord de ce ferrier, et juste à côté, une grande zone a été défrichée par le propriétaire en 2014, détruisant potentiellement des vestiges d’atelier et d’extraction.

7Pour ce site de Dordogne qui nous concerne dans ce travail, on observe une interface entre les couches de scories et le terrain sous-jacent particulièrement franche. Même pour les sites les plus anciens, la couche de scories n’est pas mélangée au sol, pour la simple raison que le sol sus-jacent est souvent absent, ou très peu développé. À noter que ces scories présentent une perméabilité en grand telle que rien ne retient longtemps l’eau en surface là où elles sont présentes. La situation est ainsi très différente de la plupart des sites de montagne, où les scories sont mêlées au tout-venant du colluvionnement ou ont fait l’objet d’une remobilisation. Dans ce dernier cas, l’obtention d’un estimateur nécessite la spatialisation de la proportion de scories au sein du milieu remobilisé par des causes naturelles ou anthropiques.

8Le ferrier 1 qui nous intéresse étant le plus grand, il est aussi le plus représentatif de la production métallurgique de l’époque. Il occupe un terrain marqué par un fort relief, avec des ondulations de longueur d’onde allant de 3 à 15 mètres et ayant une amplitude maximale de 3 mètres. La photo de la figure 1 montre clairement la disposition des scories sur le substratum sidérolitique. Le mur de la couche de scorie elle-même est fortement ondulée. La brutalité de la transition détermine des réponses géophysiques très franches, la polarisation provoquée répond en effet avec un signal fort sur les scories, mais faible sur la couche sidérolitique (malgré la présence de nodules ferrugineux).

Figure 1 : la limite entre les scories et le substratum apparaît bien, avec une transition brutale / The interface between the slag layer and the siderite substratum is clearly defined on the field

Figure 1 : la limite entre les scories et le           substratum apparaît bien, avec une transition brutale / The interface between the slag layer and the siderite           substratum is clearly defined on the field

9Il n’existe aucune mention de ce site dans les archives. Les recherches sont donc menées pour comprendre son fonctionnement et pour atteindre in fine une évaluation de l’importance du site du point de vue historique. Avant les opérations de prospection géophysique, l’estimation du volume de scories est de 1 585 m3 ce qui est indicateur d’une grosse production de fer et donc d’une exportation au niveau régional ou plus. Néanmoins, ce volume est estimé à partir de l’enveloppe du ferrier en surface et de la base de la couche de scories, telle qu’elle a pu être échantillonnée dans les sondages archéologiques, ces derniers ne pouvant donner que des informations ponctuelles. La géophysique a justement pour but d’obtenir une estimation plus précise de ce volume.

La Polarisation provoquée

10La méthode PP peut être vue comme une extension de la méthode électrique à courant continu, dont elle emprunte les principes géométriques et protocolaires de terrain. Mais tandis que cette dernière concerne des courants galvaniques continus – donc à fréquence nulle –, la PP explore un spectre de fréquences allant de quelques milliHertz (mHz) à quelques kiloHertz (kHz). Deux gains résultent de cette extension. D’une part, les spectres, sur ce domaine de fréquences, peuvent dépendre de 2 à 5 paramètres qui sont autant de degrés de liberté (contre un seul, la résistivité, en courant continu). D’autre part, la physique en jeu n’est pas la même : elle porte sur des phénomènes de polarisation électrique (Revil, 2013).

11Les théories associées à cette méthode sont en pleine évolution, grâce à la mobilisation d’une communauté active à l’échelle internationale. La théorie classique est synthétisée dans les deux tomes de Bertin et Loeb (1976), tandis que cette dernière décennie, les chercheurs ont organisé des colloques dédiés, dont le dernier est référencé sur la toile (http://hgg.au.dk/​ip2016/​) où de nombreuses présentations peuvent être téléchargées (IP2016, 2016).

12Le phénomène de polarisation est universel. Il est relatif à la capacité des roches et des sols à concentrer, de manière réversible, des éléments chargés, (ions, électrons) au sein des milieux pouvant contenir de telles charges et particulièrement au voisinage des grains constitutifs des matériaux naturels. En effet, dans les milieux naturels contenant des électrolytes et donc des cations et des anions, un courant injecté dans le sol au moyen de deux électrodes provoque une redistribution spatiale des charges positives et négatives, laquelle dépend également du temps. Dans les scories, les particules à conductivité électronique (magnétite, certains sulfures) présentent une forte polarisabilité, propre aux matériaux à conductivité électronique. Décrivons succinctement le principal mécanisme en jeu, le lecteur pouvant se référer, pour la théorie détaillée, aux récents articles de Revil et al. (2015a, 2015b).

Mécanisme de la polarisation provoquée

13Les particules à conductivité électronique présentent une conductivité très élevée par rapport à la conductivité de l’encaissant. Selon Olhoeft (1981), pyrite et galène présentent des résistivités de l’ordre de 0,001 Ω m et même 10 fois moins pour la magnétite. Une nouvelle répartition des charges intervient alors au sein de ces particules. Ce sont, en quelque sorte, ces déséquilibres de charge que l’on cherche à mesurer. Dans un encaissant qui est pratiquement un million de fois plus résistant, au temps près, très court, de migration des électrons et trous d’électrons dans la particule, cette dernière est pratiquement équipotentielle ; ou encore, le champ électrique total à l’intérieur de la particule s’annule. Ainsi, les charges mobiles dans la particule s’organisent de sorte à compenser exactement le champ électrique primaire. Vu de l’extérieur de la particule, cette dernière devient un petit dipôle électrique, qui porte une double influence sur son voisinage, selon que l’on considère ce qui se passe dans la double couche électrique (à moins de 20 nm de la surface de la particule) ou plus loin, à une distance de l’ordre du diamètre de la particule. Dans cette couche proche qui s’apparente à une couche de Stern non permanente, il apparaît une migration des charges externes (les ions) qui répondent aux charges internes (électrons et trous), l’équilibre s’établissant en raison du carré du diamètre du grain et en raison inverse du coefficient de diffusion des ions dans la couche. Dans cette couche, l’on peut dire que les forces intervenant sont surtout des forces de Coulomb et des forces de viscosité. Au-delà de la double couche électrique, les ions de la solution répondent également à la sollicitation électrostatique du dipôle, mais dans un contexte de compétition entre l’auto-organisation électrostatique et une tendance à la dispersion thermique (brownienne). Les équations qui rendent compte de l’ensemble du phénomène sont dites de Poisson-Nernst-Planck et sont non-linéaires, ce qui complique les approches théoriques (voir par exemple Zheng et al., 2011). Toutefois, des modélisations numériques récentes et adaptées à la PP rendent assez bien compte de ces phénomènes microscopiques (Abdulsamad et al., 2016).

14À l’échelle du terrain, le récepteur mesure la somme des effets de tous les dipôles microscopiques. Trois modes expérimentaux peuvent être mis en œuvre :

  • L’approche temporelle, avec un courant émis qui est brutalement coupé, suivi d’un temps d’écoute où l’on peut observer la dépolarisation du milieu, comme l’ont observé les découvreurs de la PP en 1920 (Schlumberger, 1920). En première approximation, on observe une décroissance exponentielle de la tension, avec une certaine amplitude et une constante de temps caractéristique (une fraction de secondes à quelques secondes).

  • L’approche « fréquentielle », importante dans l’histoire de la prospection minière, où le courant est injecté en alternatif rectangle, à deux fréquences différentes choisies entre 0.1 et 10 Hz.

  • L’approche spectrale, où toute la fonction de transfert fréquentielle est presque continûment explorée entre 0,001 Hz et 10 kHz (typiquement).

15La progression de la méthode a suivi l’évolution des techniques de mesure, de plus en plus fines et automatisées. Initialement, et jusqu’à la fin du xxe siècle, les cibles de la PP sont celles qui produisent un très fort signal (une très forte chargeabilité). Ce sont principalement des gisements miniers de sulfures disséminés, pour lesquelles non seulement la méthode excelle, mais est même souvent exclusive. En ce xxie siècle, et suite aux progrès instrumentaux, la PP spectrale est devenu possible, et les progrès concomitants de l’électronique permettent d’appréhender les signaux faibles de cibles environnementale (Kemna, 2000 ; Kemna et al., 2012). Ainsi utilise-t-on la PP, entre autres exemples, pour la délimitation de pollutions par exemple aux hydrocarbures, comme dans Kemna et al. (2004), ou encore pour la détermination de la perméabilité (Revil et Florsch, 2010).

16Pour les deux premières méthodes temporelle et fréquentielle, le lecteur peut se référer par exemple à Telford et al. (1990), ou à Parasnis, (1997). En ce qui concerne la polarisation provoquée spectrale, on pourra se référer par exemple à la thèse de Sheen (2016), qui constitue une synthèse. Seigel et al. (2007) proposent une histoire résumée de la méthode, qui toutefois n’intègre pas les dernières évolutions.

17Nous avons utilisé ici l’approche temporelle classique, notamment pour sa rapidité de mise en œuvre sur le terrain et son efficacité sur les milieux bien polarisables (ce qui est le cas des scories). Le courant injecté est pratiquement une alternance de courants continus dans les deux sens, avec un créneau d’écoute, sans injection, durant lequel le potentiel, forcément secondaire et de dépolarisation, est enregistré. L’alternance permet une compensation de la « polarisation spontanée ».

18Le principal paramètre retenu est l’intégrale de la courbe de décroissance, que l’on nomme la « chargeabilité ». Selon le type de normalisation, la chargeabilité est sans unité (souvent en ‰ ou en mV/V) ou en milli-seconde (ms) (pour une utile discussion sur cette question, voir notamment Mao et al. [2016]). La figure 2 illustre les alternances de courant et le signal mesuré.

Figure 2 : signaux mis en jeu en polarisation provoquée / Involved signals for Induced Polarization

Figure 2 : signaux mis en jeu en polarisation           provoquée / Involved signals for Induced           Polarization

En haut, le courant alternatif, de quelques centaines de milli-ampère, est constitués de créneaux de durée choisie (0,5 à 2 secondes typiquement). Au milieu, la tension (réduite de la polarisation spontanée des électrodes) montre le retard au chargement et au déchargement
On the top, the current is a classically between a few mA and one Amp, and is made of a successive positive, null, negative, and null current segments, lasting from 0.5 to 2 sec. The bottom shows the resulting potential, with a magnified detail of the observed segment where the decay is under study

19L’appareil utilisé sur le terrain est un Syscal Pro® de Iris Instrument. Nous avons utilisé des créneaux d’injection de 1 seconde (période totale 4 s), avec 200 V au générateur, et mesuré l’intégrale de la courbe de décroissance entre 20 ms et 850 ms après les coupures du courant. Les mesures sont répétées pour être accumulées (« stackées ») entre 3 et 6 fois, avec un contrôle qualité (répétabilité) pour être meilleur que 0,5 %.

20Dans le domaine de la paléométallurgie et de la paléosidérurgie, plusieurs travaux antérieurs valident l’utilisation de la PP pour la détection et la caractérisation géométrique des amas de scories : Weller et al. (2000) ; Ullrich et al. (2007), Meyer (2007) ; Florsch et al. (2011 et 2012) : Placencia-Gómez et al. (2015). Signalons que la polarisation provoquée est également possible sur des bois anciens (Schleifer et al., 2002) : son champ d’application archéométrique déborde du seul cas métallurgique, et les applications de prospection par PP dans le domaine de l’archéométrie en sont certainement à leurs débuts.

2. Matériel et méthode

21Les dispositifs géométriques utilisables pour la PP sont les mêmes que pour les méthodes électriques ; on retrouve les protocoles de « traînée » (cartographie 2-D), de tomographie 2-D (souvent dénommés « panneau électrique » en France) et 3-D, de sondage électrique.

22Pour la tomographie, les électrodes, pré-positionnées, sont connectées au générateur et au voltmètre ad hoc selon une séquence définie par avance. À deux dimensions (une horizontale, l’autre verticale), les différentes combinaisons explorent les résistivités apparentes dans l’axe du profil et pour différentes profondeurs. C’est là le principe habituel de la tomographie électrique, étendue ici en « résistivité complexe ». Ainsi, la PP spectrale (qui est la méthode la plus générale) revient à prendre en compte les composantes en phase et en quadrature, en fonction de la fréquence, d’une résistivité rendue complexe (au sens des nombres imaginaires). Les présentations de Loke (à télécharger sur http://www.geotomosoft.com/​), également « PI » du programme d’inversion que nous avons utilisé (RES2DINV, Loke, 2002 ; Loke et Barker, 2004), constituent une bonne introduction concernant la tomographie de résistivité électrique et de polarisation provoquée.

Implantation des mesures sur le terrain et protocole de mesure.

23Une section de mesures comporte ici 48 électrodes en ligne, espacées de 1 m. Pour les résultats de mesure, le géophysicien utilise la « pseudo-section », terme relatif au mode de représentation en fonction de l’offset le long du profil et en fonction de la profondeur d’investigation. En effet, les mesures sont reportées, en x horizontalement et, en fonction de la profondeur, verticalement, selon un « z » conventionnel, (« pseudo-z ») choisi pour rendre commode la représentation des données brutes. L’image à deux dimensions (x, z) obtenue est appelée « pseudo-section ». Afin de reconstituer des résistivités « vraies », les données alimentent un programme d’inversion. Ce dernier fournit en sortie une « section de résistivité » qui reproduit la réalité, avec toutefois certaines limites de résolution et d’unicité. En réalité, le programme d‘inversion fournit une solution (une section de résistivité), donc une répartition selon x et z, telle que la pseudo-section que l’on peut déduire par calcul de ce modèle ressemble bien aux mesures (souvent à mieux que 3 % près).

24Il est important de lister les limitations de cette technique d’imagerie très répandue (ERT = Electrical Resistivity Tomography en anglais).

  • Dans un tel processus, un modèle 2-D est mis en œuvre, tandis que la réalité est 3-D (il existe une tomographie 3-D, mais son apport relatif s’inscrit dans une recherche de compromis efficacité-coût).

  • La limite de résolution est fixée par la nature de la physique mise en jeu ; à moins d’hypothèses fortes sur le modèle, la résolution est de l’ordre du quart de la profondeur (ceci restant subjectif selon la répartition des résistivités dans le sous-sol).

  • En aucun cas la solution n’est unique. Celle affichée résulte de choix algorithmiques et d’a priori dont le moindre n’est pas que l’on recherche une solution lisse (sur la base que la résolution est de toute manière limitée).

25Au total, 15 pseudo-sections sur une base de 32 électrodes ont été réalisées, numérotées P0 à P14. La P14 ne comporte que 24 électrodes car elle se trouvait en bordure de terrain et en partie sur la route. La section P0 est en extrémité du site, sur la partie qui a été défrichée. Elle peut servir, à ce titre, de référence de signal nul, en quelque sorte, car aucun signal PP n’est attendu sur cette section qui se situe en dehors de la zone à scories (ce qui est confirmé par la pseudo-section obtenue, non présentée ici).

26La figure 3a montre l’implantation géoréférencée en système de coordonnées Lambert 93 de ces pseudos-sections, en superposition avec la topographie locale.

Figure 3 : les cartes sont géoréférencée en Lambert 93 (RGF93), avec la cote NGF en mètre. / Georeferenced maps (Lambert 93 [RGF93])

Figure 3 : les cartes sont géoréférencée en           Lambert 93 (RGF93), avec la cote NGF en mètre. / Georeferenced maps (Lambert 93 [RGF93])

a) Topographie et implantation des sections de résistivités (traits noirs). Les carrés rouges sont des repères topographiques ; b) Topographie en perspective (grille blanche) drapée en 2-D de l’épaisseur des scories ; c) Epaisseur de la couche de scories (toujours affleurante) ; d) Topographie de la base (ou mur) de la couche de scorie). On observe que l’amas principal fait relief en surface, mais occupe une zone en creux (artificielle ou pré-existante)
a) topographic surface with 2-D ERT profiles; b) perspective topographic surface (white grid) with draped 2-D slag layer thickness (in color); c) slag layer thickness obtained by compiling the chargeability tomography slices; d) slag layer bottom topography

27Le dispositif utilisé est le Wenner-Schlumberger réciproque, avec les électrodes de réception (M et N) aux extrémités, et les électrodes d’injection (A et B) de part et d’autre du milieu de MN. L’utilisation d’un dispositif réciproque (inversion des couples (AB et MN) permet une parallélisation qui conduit à un gain significatif de la durée d’obtention d’une séquence complète de mesures. Chaque pseudo-section comporte environ 600 mesures. Les électrodes utilisées sont en acier. Nous avons également testé des électrodes impolarisables (Cu/CuSO4). Elles permettent de réduire le bruit d’un facteur 2, ce qui est a priori notable. Mais ce gain n’opère que lorsqu’une électrode venant d’être utilisé en émission sert tout de suite après en réception : l’électrode reste bien polarisée quelques temps. En arrangeant le protocole de sorte à éviter ce cas de figure, quelques points sont perdus, mais le bilan final indique que l’on gagne, sur une durée donnée, bien plus de points avec les électrodes en acier, car leur implantation est notablement plus rapide.

28Pour parfaire les résistances de prise de terre et optimiser le travail, les électrodes ont systématiquement été arrosées avec une eau légèrement salée, puis laissées quelques minutes au repos, avant de lancer les séquences de mesures.

Topographie

29Le relief est localement important (Figures 1, 3a et 3b). Les électrodes sont implantées tous les mètres, les intervalles étant pris horizontalement (et non pas selon l’abscisse curviligne le long des pentes). Leurs positions en (x, y, z) sont relevées au théodolite. Le relief le long du profil modifie la répartition du courant dans le sol, et le programme d’inversion RES2DINV prévoit la prise en compte du relief de sorte à en corriger les principaux effets, qui sont loin d’être négligeables. Les effets latéraux du relief sont toutefois limités (mais non nuls), parce que le dispositif et les courants suivent une même direction (celle du profil).

Exemple de section et utilisation

30La figure 4 montre les sections P12, en chargeabilité et résistivité respectivement. Une certaine corrélation existe, elle est inhérente au fait que les scories présentent un contraste avec l’encaissant tant en chargeabilité qu’en résistivité. Toutefois, le contraste de résistivité n’est pas discriminant : il existerait tout aussi bien avec un amas de pierres résistant, tandis que la réponse en PP ne peut avoir lieu que lorsque le matériau est effectivement polarisable.

Figure 4 : Résistivité (en haut) et chargeabilité (en bas) de la section 12, après inversion RES2DINV / Resistivity (top) and chargeability (bottom) relative to profile 12, after RES2DINV inversion

Figure 4 : Résistivité (en haut) et           chargeabilité (en bas) de la section 12, après inversion RES2DINV /           Resistivity (top) and chargeability (bottom)           relative to profile 12, after RES2DINV inversion

31Les questions de « co-gestion », en quelques sortes, des données de PP avec les données de résistivité font débat, en raison des corrélations apparentes ou réelles qui peuvent exister, selon que l’on s’intéresse à un signal associé à des particules métalliques ou non. Mao et al. (2016) offrent une synthèse pertinente sur cette question, et proposent que, dans les cas de particules métalliques (entendre : à conductivité électronique), il ne soit pas fait de normalisation particulière.

Conversion en épaisseur de scories et cartographie de cette épaisseur

32Notre objectif principal est d’estimer le volume de scories en présence. Cela doit être entrepris dans un contexte où les sondages archéologiques révèlent une couche de scories homogène mais d’épaisseur très variable recouvrant le sidérolitique : c’est du « tout ou rien », et il n’est pas observé, dans la couche contenant les scories, de variation significative de concentration de ces dernières. La transition brutale se fait en quelques centimètres, comme cela est bien illustré sur la figure 1.

33En conséquence, calculer le volume de scories revient à calculer le volume compris entre la surface et la base des scories. Cette démarche est différente de celle utilisée par Florsch et al. (2011) dans laquelle une relation affine entre la chargeabilité et la concentration de scories, relation calibrée en laboratoire, était utilisée, mais pour cette dernière étude, les scories étaient davantage mélangées au sol d’origine.

34Pour la détermination de l’interface (la base des scories), nous avons utilisé une idée simple, appliquant en cela une sorte de rasoir d’Ockham. Nous avons considéré que l’interface se situe, pour chaque section, sur l’iso-valeur correspondant à la moitié de la valeur maximum de chargeabilité rencontrée sur la section. Une justification possible de cette règle repose sur la linéarité de la réponse PP par rapport à la concentration de scorie, en prenant en compte la concentration en tout ou rien : ou bien 100 % de scories, ou bien 0 %.

35Nous avons cherché les limites de ce raisonnement via des modélisations. Nous avons observé que la limite ainsi définie n’est pas réellement distinguable en pratique du point d’inflexion de la courbe de décroissance de la chargeabilité avec la profondeur, et que la méthode est validée même en présence de forts contrastes de résistivité.

36Il est pertinent ici de faire une remarque générale concernant cette propriété de linéarité de la réponse PP, linéarité « par rapport aux structures ». Elle n’existe pas en résistivité, si bien qu’une estimation de teneur en eau, par exemple, via la loi d’Archie, ne peut être qu’erronée (sauf si l’on ne considère que de faibles variations, auquel cas il est possible de linéariser localement, c’est-à-dire de considérer les anomalies comme des perturbations). La méthode électrique « bute » en effet dans les extrémités de ses lois d’équivalence : la moyenne n’est généralement pas conservée. Prenons l’exemple d’un objet conducteur enfoui, de conductivité qui serait infinie, dans un encaissant classique : les résistivités apparentes et inversées ne permettraient pas de recouvrer cet infini. Ainsi, tandis que la moyenne des conductivités est infinie (puisqu’il existe un sous-domaine où la conductivité est infinie), les conductivités reconstituées après inversion sont bien à moyenne bornée. De la même manière, une cavité, de résistivité infinie, ne peut être détectée que comme un bon résistant.

37La polarisation provoquée ne présente pas ces limitations, et offre une bonne linéarité. Cette propriété peut être vue comme résultant du fait que la PP peut, elle, être présentée comme une perturbation du problème électrique, où l’on adjoint, à la conductivité classique, un terme de perturbation imaginaire pur et petit.

38Enfin, un argument sur la linéarité provient des résultats d’autres campagnes, notamment celles faite en Ariège (France) sur le site d’Aulus-les-Bains et présentée dans Florsch et al. (2012). La masse de scories estimée à partir de la géophysique a pu être comparée à celle effectivement excavée. L’écart était de 6 %. Cependant, en effectuant une modélisation suivie d’une inversion, l’écart a pu atteindre 20 %, ce qui est moins bon. La cause de cette différence (la réalité meilleure que la modélisation) n’est pas comprise, sans doute faut-il l’attribuer aux incertitudes.

Passage à la carte des épaisseurs

39Les épaisseurs obtenues le sont le long des profils visibles sur la figure 3a. Ils sont espacés les uns des autres d’environ 5 m. Pour produire une carte, il convient d’interpoler ces données, et c’est préférentiellement au krigeage, que nous avons eu recours. La surface topographique et la base des scories ont été interpolées séparément, et le volume des scories est ensuite obtenu par intégration 2D de la différence. Sur l’échelle du prospect, le variogramme de la topographie relève d’un modèle linéaire. Celui de la surface basale (mur) de la couche de scorie est affine, avec un petit effet de pépite.

Estimation de l’erreur

40Le krigeage permet d’estimer une erreur formelle. Toutefois, la détermination de l’épaisseur des scories passe par de nombreuses étapes, qui vont du choix de la méthode géophysique au pointage manuel des sections, via l’inversion par RES2DINV. L’erreur est très difficilement estimable avec fiabilité. Elle dépendrait ici de la topographie accidentée, de la densité des scories, malgré tout un peu variable, de choix divers (élimination de certaines mesures aberrantes) etc.

41Les géophysiciens savent que les erreurs d’estimation de campagnes géophysique opérées dans les milieux naturels avoisinent souvent les 20 %. Cela est valable du moins en l’absence d’a priori forts, et nous pourrions retenir cette valeur en adoptant une posture de prudence. Toutefois, il peut être fait état dans le cas présent d’a priori solides : homogénéité de la couche de scorie, passage brutal au substratum sidérolitique, et leçons tirés des précédentes recherches relativement à la linéarité. Sans calcul dédié (qui s’avérerait difficile), nous pouvons supposer une erreur d’estimation globale deux fois moindre, de l’ordre de 10 %

Résultats

42La figure 3c donne la carte des épaisseurs de scories, résultat de la chaîne de traitement décrite plus haut, tandis que la figure 3d montre la topographie de la base des scories. L’image 3b montre la topographie en perspective sous la forme d’une grille développée dans l’espace, drapée en 2-D de l’épaisseur des scories (en couleur).

43Ces figures montrent, au SSE, un amas principal, où l’épaisseur atteint presque 5 m, tandis qu’une deuxième accumulation plus modeste existe au NO avec une épaisseur qui ne dépasse pas 3 m. Entre les deux, un épandage peu structuré fait de 1 à 2 m d’épaisseur au maximum. Notons que la fouille du ferrier test n'a livré que des déchets liés à la réduction. La post-réduction ne se pratiquait a priori pas sur place dans cet atelier.

44L’intégration du volume de cette couche (directement faite avec le logiciel Surfer) conduit à une estimation de 2 240 m3 (à 10 % près si l’on retient l’estimation faite plus haut). C’est environ 40 % de plus que l’estimation initiale de 1 600 m3 fondée sur la reconnaissance de surface et au sein des sondages. La densité des scories étant proche de 2, il y aurait là environ 4 500 tonnes de scories, qui correspondraient, pour ce ferrier no 1, à une production de fer comprise entre 3 200 et 4 000 tonnes après application du coefficient de conversion dont le principe est décrit et référencé plus haut (Decombeix et al., 1998.).

Conclusion

45L’étude confirme le potentiel de la méthode de polarisation provoquée pour la caractérisation de sites sidérurgiques anciens. Elle se présente aujourd’hui comme la seule méthode d’estimation des volumes de scories qui soit alternative aux sondages. Elle est non invasive et permet de déterminer la géométrie et in fine le volume de tels amas de résidus.

46La réponse en chargeabilité est linéaire par rapport à la concentration de scories. En cela, la polarisation provoquée se distingue des méthodes électriques classiques, ces dernières ne possédant pas cette propriété de linéarité vis-à-vis des structures. Cette linéarité, qui permet après conversion par une loi linéaire ou affine d’estimer le tonnage des scories, se démontre également en considérant que le « signal PP » relève d‘une perturbation (au sens de la théorie mathématique des perturbations) de la résistivité.

47Ainsi, les deux propriétés que sont d’une part la spécificité de la réponse PP aux scories de métallurgie du fer et d’autre part la linéarité de la réponse par rapport à la concentration aux scories, conduisent à proposer un usage plus systématique de la PP pour ce type d’étude paléométallurgique.

48Rappelons toutefois qu’il ne faut pas considérer cette méthode géophysique, pas plus qu’une autre, comme une panacée, qui conduirait à éviter le contrôle et la validation par des sondages. S’il est évident qu’une prospection avant fouille peut conduire à une économie sensible dans l’exploration d’un site, il appartiendra toujours à l’archéologue de jauger les éléments dont il dispose pour prendre ou non une décision de fouille, en profitant d’un faisceau d’arguments dont les résultats de polarisation provoquée ne sont qu’un des multiples rameaux.

49Enfin, l’usage de la méthode PP à d’autres types de métallurgie (argent, cuivre) reste à explorer : ce qui est fait ici ne va, pour l’heure que pour le fer, et l’intérêt d’une telle démarche pour la métallurgie des non-ferreux reste à étudier et constitue de fait un sujet de recherche pour l’avenir.

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Annexe

Fiche descriptive du site dit « Les Grands Bois » et localisation des ferriers, la zone en quadrillé représente les terrains altérés par le défrichage (voir également Bonnefant, 2015a et 2015b).

  • Région : Nouvelle Aquitaine

  • Département Dordogne

  • Commune : Saint-Vincent-sur l’Isle

  • Lieu-dit : Les Grands Bois

  • Sections et parcelles : B2 411 et B2 326

  • Coordonnées Lambert 93 : (X=534212 ; Y= 6460401) et (X=535493 ; Y=6460784)

  • Altitude : 195 et 200 m

Figure 5 : Emplacement des ferriers sur le fond topographique / Disposal of the slag heaps (black patches) on the general map

Figure 5 : Emplacement des ferriers sur le           fond topographique / Disposal of the slag heaps           (black patches) on the general map

la flèche indiquant le ferrier étudié (les autres ayant été fortement remaniés par des travaux forestiers)
The arrow points the heap we study in this paper. Most of the heaps are already destroyed by forestry activities

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : la limite entre les scories et le substratum apparaît bien, avec une transition brutale / The interface between the slag layer and the siderite substratum is clearly defined on the field
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/4958/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 328k
Titre Figure 2 : signaux mis en jeu en polarisation provoquée / Involved signals for Induced Polarization
Légende En haut, le courant alternatif, de quelques centaines de milli-ampère, est constitués de créneaux de durée choisie (0,5 à 2 secondes typiquement). Au milieu, la tension (réduite de la polarisation spontanée des électrodes) montre le retard au chargement et au déchargementOn the top, the current is a classically between a few mA and one Amp, and is made of a successive positive, null, negative, and null current segments, lasting from 0.5 to 2 sec. The bottom shows the resulting potential, with a magnified detail of the observed segment where the decay is under study
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/4958/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 93k
Titre Figure 3 : les cartes sont géoréférencée en Lambert 93 (RGF93), avec la cote NGF en mètre. / Georeferenced maps (Lambert 93 [RGF93])
Légende a) Topographie et implantation des sections de résistivités (traits noirs). Les carrés rouges sont des repères topographiques ; b) Topographie en perspective (grille blanche) drapée en 2-D de l’épaisseur des scories ; c) Epaisseur de la couche de scories (toujours affleurante) ; d) Topographie de la base (ou mur) de la couche de scorie). On observe que l’amas principal fait relief en surface, mais occupe une zone en creux (artificielle ou pré-existante)a) topographic surface with 2-D ERT profiles; b) perspective topographic surface (white grid) with draped 2-D slag layer thickness (in color); c) slag layer thickness obtained by compiling the chargeability tomography slices; d) slag layer bottom topography
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/4958/img-3.png
Fichier image/png, 274k
Titre Figure 4 : Résistivité (en haut) et chargeabilité (en bas) de la section 12, après inversion RES2DINV / Resistivity (top) and chargeability (bottom) relative to profile 12, after RES2DINV inversion
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/4958/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 157k
Titre Figure 5 : Emplacement des ferriers sur le fond topographique / Disposal of the slag heaps (black patches) on the general map
Légende la flèche indiquant le ferrier étudié (les autres ayant été fortement remaniés par des travaux forestiers)The arrow points the heap we study in this paper. Most of the heaps are already destroyed by forestry activities
URL http://journals.openedition.org/archeosciences/docannexe/image/4958/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 377k
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Pour citer cet article

Référence papier

Nicolas Florsch, Abdulsamad Feras, Jeremy Bonnenfant et Christian Camerlynck, « La polarisation provoquée, outil géophysique de spatialisation des amas de scories pour l’estimation des productions sidérurgiques », ArcheoSciences, 41-2 | 2017, 23-33.

Référence électronique

Nicolas Florsch, Abdulsamad Feras, Jeremy Bonnenfant et Christian Camerlynck, « La polarisation provoquée, outil géophysique de spatialisation des amas de scories pour l’estimation des productions sidérurgiques », ArcheoSciences [En ligne], 41-2 | 2017, mis en ligne le 08 décembre 2019, consulté le 23 mars 2019. URL : http://journals.openedition.org/archeosciences/4958 ; DOI : 10.4000/archeosciences.4958

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Auteurs

Nicolas Florsch

Sorbonne Universités, UPMC université Paris 6, IRD, UMI 209, UMMISCO, Bondy, FranceSorbonne Universités, UPMC université Paris 6, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, FranceUBM, CNRS, UMR 5607, AUSIONUS, Bordeaux, FranceSorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, France

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Abdulsamad Feras

Sorbonne Universités, UPMC université Paris 6, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, FranceUBM, CNRS, UMR 5607, AUSIONUS, Bordeaux, FranceSorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, France

Jeremy Bonnenfant

UBM, CNRS, UMR 5607, AUSIONUS, Bordeaux, FranceSorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, France

Christian Camerlynck

Sorbonne Universités, UPMC Univ Paris 06, CNRS, UMR 7619, METIS, Paris, France

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