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Dossier. Tomographie en archéologie. Introspection d'artefacts et de micro-sites

L’imagerie 3D : de nouvelles perspectives en géoarchéologie

Marylise Onfray, Pantelitsa Mylona et Julia Wattez
p. 75-78

Résumés

Cet article se propose de présenter, à partir d’une sélection bibliographique, un bilan des développements méthodologiques en imagerie 3D appliquée aux sédiments naturels et archéologiques. Son usage en géosciences et en géoarchéologie s’est le plus souvent inscrit en complément de la micromorphologie pour améliorer la visualisation et la quantification des propriétés intrinsèques des formations sédimentaires et pédologiques. En pédologie, les recherches menées depuis les années 1980 concernent plus spécifiquement les propriétés physiques et hydro-physiques du sol et visent entre autres à déterminer les modifications de la structure des sols sous l’effet des pratiques agricoles. En géoarchéologie, l’introduction des techniques d’imagerie est plus récente. Elles contribuent à la caractérisation de la structuration interne des couches archéologiques et des constituants d’origine anthropique et améliorent la compréhension des comportements socio-économiques des sociétés anciennes inscrits dans les archives sédimentaires. En ce sens, elles ouvrent de nouvelles pistes de recherche en géoarchéologie, en particulier sur les aspects technologiques de la construction en terre crue et sur le fonctionnement des sols d’occupation. Elles complètent ainsi la démarche géoarchéologique en autorisant une approche véritablement multi-échelle de l’architecture des sols et des sédiments archéologiques.

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Texte intégral

Introduction

1L’introduction des techniques d’imagerie 3D en géo-sciences s’est le plus souvent inscrite en complément de la micromorphologie pour améliorer la visualisation et la quantification des propriétés intrinsèques des formations sédimentaires et pédologiques. La micromorphologie a toujours été considérée comme une méthode particulièrement performante, car elle permet une caractérisation quasi in situ et à haute résolution de l’organisation interne de ces formations, offrant ainsi une restitution fine de l’évolution des paléoenvironnements, du comportement des sols actuels ou encore des modes d’occupation des sols par les sociétés anciennes (Bendle et al. 2015 ; Stoops et al. 2010 ; Nicosia & Stoops dir. 2017). Les techniques de prélèvement et de traitement des échantillons préservent la structuration d’origine des matériaux, autorisant un continuum d’observations, du terrain à la lame mince, de l’œil nu aux échelles microscopiques. En revanche, la principale contrainte réside dans l’étude en 2D d’objets tri-dimensionnels, ce qui ne permet pas d’en apprécier la complexité. Par ailleurs, il s’agit d’une approche semi-quantitative, limitant également la précision des reconstitutions (Adderley et al. 2001 ; Bendle et al. 2015).

2Pour lever ces verrous méthodologiques, les chercheurs se sont tournés vers les techniques de l’imagerie 3D, comme la tomographie RX (CT Scan et µ-CT Scan), ouvrant ainsi de nouvelles perspectives, notamment en pédologie et en géoarchéologie (Wils supra). Il a fallu, cependant, attendre la fin des années 1990 pour que les recherches prennent un véritable essor grâce aux progrès des technologies informatiques (Francus 2004).

3L’état des recherches, établi à partir d’une sélection d’articles, montre que les avancées, différentes selon les disciplines, tendent à une meilleure compréhension des processus à l’œuvre dans la formation des archives sédimentaires et pédologiques, ainsi qu’à une contextualisation plus précise des indicateurs environnementaux et anthropiques.

Application en pédologie

4C’est sans doute en sciences du sol que les recherches sont les plus développées. La nécessité d’améliorer les méthodes de quantification et de visualisation de la micromorpho-logie a conduit les pédologues, dès le début des années 1980, à se tourner vers les technologies de l’imagerie médicale afin de mieux comprendre le comportement du sol et ses processus de formation (Taina et al. 2008 ; Helliwell et al. 2013). Les premières applications ont porté sur la géométrie de l’espace poral, à partir de l’étude de la masse volumique du sol, et ont permis de déterminer la relation linéaire entre celle-ci et le degré d’atténuation des rayons X (RX) (Petrovic et al. 1982). D’autres se sont intéressées à la question de la teneur en eau et aux interactions entre le système racinaire et le sol (Hainsworth & Aylmore 1983).

5Depuis une vingtaine d’années, les recherches se sont multipliées. Elles concernent différents aspects des propriétés des sols. Ainsi, la tomographie est mise en œuvre pour caractériser la nature et les interactions entre les différentes composantes du sol à différents niveaux d’organisation. Par exemple, la discrimination entre les fractions minérales et organiques et l’espace poral repose sur les variations de la densité d’atténuation des RX, exprimées par des nuances de gris (Helliwell et al. 2013). Il est ainsi possible d’identifier les constituants minéraux dont la composition diffère mais dont la masse volumique est proche, comme le quartz et le feldspath (ibid.). En revanche, la détermination de la fraction organique est plus délicate, les contours des éléments minéraux pouvant avoir des densités d’atténuation des RX similaires (ibid.). D’autres recherches se sont orientées sur l’estimation de ces densités pour le bois, le lignite et l’anthracite et sur la différenciation entre matière organique et porosité (Heck & Elliott 2006 ; Sleutel et al. 2008). Une étude conjuguant l’analyse micromorphologique et celle d’images acquises par µ-CT Scan a été menée sur un horizon cultivé afin de caractériser les différentes étapes de décomposition des restes végétaux (paille) (Elyeznasni et al. 2012). L’imagerie 3D a permis de détecter les débris, y compris dans la porosité. En revanche, les stades de décomposition n’ont pu être déterminés qu’en lame mince, montrant ainsi la complémentarité des deux approches.

6Une voie concerne plus spécifiquement les propriétés physiques et hydro-physiques du sol à partir de la caractérisation du système poral (Taina et al. 2008). Le traitement qualitatif et quantitatif d’images acquises par CT Scan permet de visualiser et de mesurer la géométrie des pores, leur distribution et leur interconnexion. Il offre ainsi la possibilité de déterminer plus précisément les modifications de la structure des sols sous l’effet des pratiques agricoles (labours, préparation des lits de semences, compaction) ou de l’activité biologique (ibid.). Des études se sont ainsi attachées à identifier la structure des levées de terre et les mécanismes de formation des fissures (Øygarden et al. 1997  ; Peth et al. 2010). D’autres s’intéressent plus particulièrement au fonctionnement des systèmes racinaires ou encore à l’impact des communautés de vers de terre sur l’organisation du sol ainsi qu’à leur comportement selon les espèces et les types d’amendements (Pierret et al. 2002 ; Mooney et al. 2012 ; Capowiez et al. 2009, 2015). L’influence du réseau poral sur les circulations hydriques est également appréhendée dans le but de mieux comprendre, par exemple, la diffusion des contaminants (Ketcham & Carlson 2001 ; Cnudde & Boone 2013).

Applications en géoarchéologie

7La micromorphologie est l’outil privilégié de la géo-archéologie, qui s’intéresse aux relations sociétés/sols sur la longue durée, du Paléolithique à l’époque moderne (Cammas & Wattez 2009). Les recherches visent plus spécifiquement à comprendre les modes d’occupation des sols et les pratiques sociales et économiques qui en découlent. La tomographie n’a été introduite en géoarchéologie qu’au début des années 2000. Comme en science du sol, son application à l’étude des sédiments archéologiques est envisagée de manière complémentaire à la micromorphologie.

8Les premières investigations ont principalement été d’ordre méthodologique. Elles avaient pour objectif d’évaluer la performance de la tomographie par rapport à celle de la micromorphologie, afin d’ identifier et quantifier certaines caractéristiques des sédiments archéologiques, comme la porosité. Cette méthode, testée sur des dépôts cendreux d’un site de la période viking (Islande), a prouvé son intérêt pour la quantification volumétrique des sols archéologiques et montré la complémentarité des deux types d’approche pour renforcer les interprétations (Adderley et al. 2001).

9Les recherches entreprises depuis une dizaine d’années ont repris cette démarche en mettant davantage l’accent sur la compréhension des activités des sociétés anciennes. Elles s’appuient, d’une part, sur la caractérisation de la structuration interne des couches archéologiques, grâce à la multiplication des coupes obtenues par CT Scan et, d’autre part, sur celle des constituants d’origine anthropique, grâce à la résolution offerte, notamment, par la scanographie par µ-CT Scan ou par synchrotron. À titre d’exemple, l’analyse d’une couche dépotoir du Néolithique moyen, riche en débris d’os de poissons, montre que la micro-stratification résulte d’une alternance de rejets de préparation (écailles, micro-fragments de plaques brachiales) et de restes de consommation (arêtes). L’étude témoigne, par ailleurs, de l’intérêt de ce type d’approche pour la compréhension du régime alimentaire des communautés néolithiques (Huisman et al. 2014). Une démarche analogue appliquée à l’amas coquillier mésolithique de Hjarnø (Danemark) a permis de reconnaître les différentes espèces de coquillages, leurs types d’altération ainsi que leur mode de répartition au sein de la stratigraphie (Ward & Maksimenko 2019). Les procédés de fabrication des matériaux de construction en terre crue ont également été abordés. Un premier essai, effectué par µ-CT Scan sur un fragment de mur en terre crue d’un bâtiment du ixe millénaire du site de Klimonas (Chypre), souligne l’intérêt de la micro-tomodensitométrie pour étudier les variations de la structuration interne selon les modes de façonnage (Mylona 2018).

10Les processus taphonomiques sont aussi abordés selon un protocole combinant la micromorphologie et l’imagerie 3D. Certains aspects sont explorés, comme les effets de la compression imposée par le poids des édifices actuels sur les séquences archéologiques meubles ou riches en matière organique (Ngan-Tillard et al. 2016), ou l’origine de l’activité biologique, parfois difficile à déterminer en micromorphologie. Ainsi, l’observation en lames minces de fragments de paroi de four a mis en évidence des chenaux de passage de termites. La caractérisation de leur nature et de leur distribution via l’imagerie 3D a montré qu’ils étaient hérités des formations exploitées pour la fabrication des matériaux de construction, en l’occurrence des sédiments issus de termitières (Villagran et al. 2019).

11Ces différents travaux montrent ainsi la plus-value apportée à la micromormphologie par les techniques de l’imagerie 3D pour améliorer la lecture des archives sédimentaires des comportements socio-économiques des sociétés anciennes.

De nouveaux champs de recherche en géoarchéologie

12L’enregistrement sédimentaire des modes d’usage des sols, documenté par la micromorphologie, permet d’appréhender différents aspects de l’aménagement, de l’organisation et de la gestion de l’espace habité, notamment dans les habitats préhistoriques (Wattez 2009 ; Onfray 2017). Cependant, l’analyse en lame mince rencontre les mêmes limites que celles soulignées par les chercheurs en pédologie. Pour les dépasser, la démarche multi-échelle, combinant analyse micromorphologique et imagerie tomodensitométrique (CT Scan), s’est plus particulièrement attachée au mode de distribution des constituants ainsi qu’à la forme et à l’orientation de la porosité. Elle a été appliquée à deux « objets » à structuration interne complexe : les matériaux de construction en terre crue et les sols d’occupation.

13Pour les premiers, l’étude micromorphologique a permis de restituer les grandes étapes de la chaîne opératoire de fabrication des matériaux de construction employés dans la fabrication des murs et des sols (Wattez 2009 ; Wattez et al. 2018). L’objectif de la démarche multi-échelle est de préciser ces différentes étapes et de mettre en évidence des variables technologiques, susceptibles de rendre compte des gestes opérés par les différents constructeurs. Plusieurs pains de terre complets composant un segment de mur d’un bâtiment du Néolithique final du site de La Capoulière (Hérault) ont été analysés par tomodensitométrie, avant imprégnation pour la fabrication de lames minces. La visualisation en 3D de l’un d’eux fait apparaître l’organisation préférentielle des agrégats de terre à bâtir sous forme d’éléments cylindriques, témoignant du mode de façonnage par assemblage de colombins (fig. 1). Ce premier traitement d’image ouvre de nouvelles perspectives pour caractériser et comprendre les modalités de travail de la terre à bâtir et de sa mise en forme selon les techniques adoptées, terre massive (bauge) ou éléments préformés.

Fig. 1. Images de CT Scan médical d’un pain de terre d’un mur d’un bâtiment (ST 7) néolithique final de La Capoulière (Mauguio, Hérault). A : coupe longitudinale – distribution concentrique des agrégats sub-arrondis de terre à bâtir (soulignés par des pointillés blancs), délimités par des vides (flèches rouges), montrant une mise en forme du pain de terre par enroulement ; B : coupe transversale – façonnage au colombin : mise en évidence en volume d’éléments cylindriques, ou colombins, formés par l’assemblage, après modelage, des agrégats de terre à bâtir ; la porosité fissurale franche et litée (flèches rouges) délimite les colombins.

Fig. 1. Images de CT Scan médical d’un pain de terre d’un mur d’un bâtiment (ST 7) néolithique final de La Capoulière (Mauguio, Hérault). A : coupe longitudinale – distribution concentrique des agrégats sub-arrondis de terre à bâtir (soulignés par des pointillés blancs), délimités par des vides (flèches rouges), montrant une mise en forme du pain de terre par enroulement ; B : coupe transversale – façonnage au colombin : mise en évidence en volume d’éléments cylindriques, ou colombins, formés par l’assemblage, après modelage, des agrégats de terre à bâtir ; la porosité fissurale franche et litée (flèches rouges) délimite les colombins.

© BCRX, A. Poisson.

14Pour aller plus loin dans la connaissance des modes de structuration des sols d’habitat selon les activités et selon les rythmes de fréquentation, une approche expérimentale est actuellement menée sur le site mésolithique de Beg-er-Vil (Morbihan). Des échantillons micromorphologiques ont été prélevés en marge de l’amas coquillier. La reconstitution 3D d’un de ces prélèvements permet de distinguer l’organisation structurale liée à l’accumulation de fragments de coquillages de celle liée aux piétinements, à partir des différences de densité de la matrice sédimentaire, de la distribution de la porosité et de celle des fragments de coquillages (fig. 2). De plus, il est possible de suivre la transition entre la surface d’activité et la zone de rejets qui caractérise l’amas. Ces premières observations montrent la possibilité d’étudier, de manière continue, les variations spatiales des sols d’occupation.

Fig. 2. Images de CT Scan médical des sols d’occupation mésolithiques en marge de l’amas coquillier de Beg-er-vil (Morbihan). A : coupe longitudinale – microstratigraphie de l’amas (pointillés blancs marquant la limite entre les deux unités) : développement des rejets de coquillages marins (en haut) sur une surface structurée par le piétinement (en bas). B : coupe transversale - passage entre le sol d’occupation et l’amas coquillier : à gauche, organisation structurale liée aux piétinements : distribution subhorizontale et litée de micro-agrégats de sol et de fragments de coquillages de tailles différentes (flèches bleues) ; à droite, accumulation de rejets qui composent l’amas : distribution aléatoire de débris de coquillages et d’agrégats hétérométriques de sol, les nuances de gris de la densité des agrégats suggèrent une origine différente (flèches rouges).

Fig. 2. Images de CT Scan médical des sols d’occupation mésolithiques en marge de l’amas coquillier de Beg-er-vil (Morbihan). A : coupe longitudinale – microstratigraphie de l’amas (pointillés blancs marquant la limite entre les deux unités) : développement des rejets de coquillages marins (en haut) sur une surface structurée par le piétinement (en bas). B : coupe transversale - passage entre le sol d’occupation et l’amas coquillier : à gauche, organisation structurale liée aux piétinements : distribution subhorizontale et litée de micro-agrégats de sol et de fragments de coquillages de tailles différentes (flèches bleues) ; à droite, accumulation de rejets qui composent l’amas : distribution aléatoire de débris de coquillages et d’agrégats hétérométriques de sol, les nuances de gris de la densité des agrégats suggèrent une origine différente (flèches rouges).

© BCRX, A. Poisson.

Conclusion

15Les techniques d’acquisition d’images par CT Scan et µ-CT Scan sur des blocs de sédiments, bruts ou traités pour la fabrication de lames minces, se sont multipliées et viennent progressivement compléter l’analyse micromorphologique. Elles conduisent à une véritable approche multi-échelle de l’architecture des sols et des sédiments archéologiques. Elles offrent la possibilité d’accéder à un diagnostic rapide des processus de formation, qui doit non seulement permettre de restreindre la production de lames minces aux échantillons les plus pertinents, mais aussi de préciser les reconstitutions architecturales ou fonctionnelles des sols d’occupation.

16L’imagerie 3D ouvre ainsi de nouvelles perspectives en géoarchéologie pour mieux comprendre les pratiques socio-économiques des sociétés passées ainsi que les modes d’anthropisation du paysage.

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Bibliographie

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Wils P. supra. « Analyses non destructives par tomographie à rayons X ».

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Table des illustrations

Titre Fig. 1. Images de CT Scan médical d’un pain de terre d’un mur d’un bâtiment (ST 7) néolithique final de La Capoulière (Mauguio, Hérault). A : coupe longitudinale – distribution concentrique des agrégats sub-arrondis de terre à bâtir (soulignés par des pointillés blancs), délimités par des vides (flèches rouges), montrant une mise en forme du pain de terre par enroulement ; B : coupe transversale – façonnage au colombin : mise en évidence en volume d’éléments cylindriques, ou colombins, formés par l’assemblage, après modelage, des agrégats de terre à bâtir ; la porosité fissurale franche et litée (flèches rouges) délimite les colombins.
Crédits © BCRX, A. Poisson.
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/9607/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 735k
Titre Fig. 2. Images de CT Scan médical des sols d’occupation mésolithiques en marge de l’amas coquillier de Beg-er-vil (Morbihan). A : coupe longitudinale – microstratigraphie de l’amas (pointillés blancs marquant la limite entre les deux unités) : développement des rejets de coquillages marins (en haut) sur une surface structurée par le piétinement (en bas). B : coupe transversale - passage entre le sol d’occupation et l’amas coquillier : à gauche, organisation structurale liée aux piétinements : distribution subhorizontale et litée de micro-agrégats de sol et de fragments de coquillages de tailles différentes (flèches bleues) ; à droite, accumulation de rejets qui composent l’amas : distribution aléatoire de débris de coquillages et d’agrégats hétérométriques de sol, les nuances de gris de la densité des agrégats suggèrent une origine différente (flèches rouges).
Crédits © BCRX, A. Poisson.
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/9607/img-2.jpg
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Pour citer cet article

Référence papier

Marylise Onfray, Pantelitsa Mylona et Julia Wattez, « L’imagerie 3D : de nouvelles perspectives en géoarchéologie »Les nouvelles de l'archéologie, 159 | 2020, 75-78.

Référence électronique

Marylise Onfray, Pantelitsa Mylona et Julia Wattez, « L’imagerie 3D : de nouvelles perspectives en géoarchéologie »Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 159 | 2020, mis en ligne le 05 octobre 2020, consulté le 20 janvier 2021. URL : http://journals.openedition.org/nda/9607 ; DOI : https://doi.org/10.4000/nda.9607

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Auteurs

Marylise Onfray

UMR 8215 « Trajectoires. De la sédentarisation à l’État »

Pantelitsa Mylona

MNHN, UMR 7209 « Archéozoologie, archéobotanique : sociétés, pratiques, environnements »

Julia Wattez

Inrap Centre – Île-de-France, UMR 5140 « Archéologie des sociétés méditerranéennes »

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Droits d’auteur

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