Remerciements : Nous tenons à remercier le Dr Richard Klein pour son soutien et ses conseils au cours de nos travaux sur Orgnac 3. Henry de Lumley et Anne-Marie Moigne pour avoir facilité l'accès au matériel d'Orgnac 3 et aux publications associées au CERPT à Tautavel, France, et pour leur hospitalité lors des visites de recherche. Évelyne Crégut-Bonnoure a fourni des commentaires utiles sur une version préliminaire du manuscrit. Cette recherche a été financée par la NSF Doctoral Dissertation Improvement Grant (#0925571) à JEL, la Fondation Leakey, le Centre d'études interdisciplinaires France-Stanford de l'Université de Stanford, le Département d'anthropologie et le Centre d'archéologie de Stanford. Cet article est dédié à notre cher collègue et ami Jean Combier, décédé en 2020, dont la vie a été consacrée à la compréhension de l'histoire des origines humaines dans la vallée du Rhône.

1Le gisement d’Orgnac 3 (Ardèche) enregistre une vaste séquence du Pléistocène moyen où sont préservés l’ensemble des données biostratigraphiques (macro- et micro-faunes, microfaunes, pollens, charbons…) ainsi que de riches industries lithiques et des restes d’homininés comptant parmi les plus anciens actuellement reconnus dans le Pléistocène moyen français. Orgnac 3 représente l’une des rares séquences permettant sur le territoire français d’évaluer l’organisation des sociétés du Paléolithique inférieur et leurs évolutions à travers une vaste succession stratigraphique.

2Nous renvoyons le lecteur aux sections de la version anglaise et aux références qui y figurent en ce qui concerne la découverte du site et l'histoire de la recherche sur son matériel archéologique et faunique. Cette version abrégée en français se focalise sur la compréhension détaillée de la stratigraphie, de la datation radiométrique, et de la manière dont celles-ci s'alignent ou non avec les informations biochronologiques et autres sur le contexte du site.

Formation du site

3En tenant compte des carottages, des résultats des fouilles et de différents indices géologiques, il a été conclu qu'Orgnac 3 ressemble plus à une grotte effondrée qu'à une véritable doline (Combier 1967). La partie ouest du site correspondrait à l'entrée de la grotte (Aouraghe 1992). Jean Combier (Combier 1967) et Évelyne Debard (Debard 1988) ont tous deux proposé plusieurs étapes dans le développement du site (fig. 4), depuis la formation de ce karst jusqu’à son état de doline complètement remplie. Au stade A, l'infiltration des eaux souterraines dans la masse de calcaire dans le sens du pendage du plateau a créé́ une cavité souterraine. Au stade B, la cavité s'agrandit progressivement sous l'effet de l'érosion induisant des changements structurels de ses volumes. Au stade C, la cavité prend la forme d'une grande grotte, avec des débris rocheux tombant du plafond et la formation de stalagmites et de coulées stalagmitiques. Au stade D, le toit s'effondre partiellement, donnant au site sa configuration d’abri rocheux. Au cours du stade final, E, les derniers surplombs s'effondrent, et la doline se remplit progressivement de sédiments.

Stratigraphie

4J. Combier a initialement divisé le dépôt d'Orgnac 3 en 21 couches sédimentologiques et 10 niveaux archéologiques (Combier 1967, 1979 ; fig. 5, tabl. 1). É. Debard (Debard 1988), sur la base de ses analyses sédimentologiques et granulométriques a affiné cette stratigraphie en divisant et subdivisant certaines des couches initiales (fig. 5). Samir Khatib (Khatib 1989), sur la base d'autres analyses sédimentologiques et géochimiques, a proposé quant à lui de regrouper les couches en quatre paquets sédimentologiques différents : le paquet I se situe sous le niveau 8 ; le paquet II comprend les niveaux archéologiques 8 et 7 ; le paquet III comprend les niveaux archéologiques 6, 5a et b, 4a et b, et 3 ; le paquet 4 comprend les niveaux archéologiques 2 et 1. Saïd Laafar (Laafar 1995) envisage quant à lui un autre schéma de regroupement sur la base de l’analyse de microfaciès (tabl. 1).

5Le niveau 8 est le niveau archéologique le plus bas, situé entre 4,25 et 4,0 m de profondeur, au sommet de « l'Ensemble I » de S. Khatib et de la « couche k » de É. Debard, désigné sur la base de la présence de 17 artefacts lithiques. Elle n'a été fouillée que sur une surface de 21 m² (selon les plans actuels), dans les carrés C-G 8-11. Les sédiments situés sous ce niveau archéologique ont été fouillés sur une distance supplémentaire d’environ 2,5 m dans les zones C-G 10-11, mais peu d'artefacts lithiques ont été trouvés (bien que la faune fossile, principalement constituée de carnivores, soit présente).

6Avant d'aborder le niveau 8 lui-même, il est important de comprendre l'histoire de l'ouverture de la cavité karstique d'Orgnac 3 et de la mise en place des dépôts qui s'y trouvent. É. Debard décrit ces étapes initiales :

Reposant sur le substratum, les premiers dépôts se sont réalisés sous la voûte d'une cavité encore peu ouverte sur l'extérieur. La sédimentation générale est de type grossier ; elle est entrecoupée d'éboulements restant cependant réduits. Le matériel grossier provient essentiellement des parois ; le matériel fin est essentiellement d’origine extérieure. L’ensemble des dépôts suit la pente générale du substratum, qui s'incline vers le sud-est.

La présence de la voûte est attestée par le concrétionnement des sédiments en plusieurs points du remplissage, celle d’une ouverture de la cavité vers l'extérieur par l’observation de fragments gélifs détachés des parois et de cailloux gélivés. Cette ouverture n'était toutefois pas suffisante pour permettre aux oiseaux prédateurs de nicher et de rejeter leurs pelotes. Seuls quelques carnivores ont pu s’y glisser et ont été piégés dans l'aven.

Cette première phase de sédimentation se termine par la disparition d'une partie des derniers dépôts qui, sans doute par un phénomène de soutirage, a été entraînée dans une zone profonde vers l'est-sud-est (Debard 1988 : 90).

7Au moment du dépôt de cette couche, le site devait se présenter essentiellement sous la forme d’une grotte à ouverture verticale ou oblique plutôt que comme un gouffre ; après la dissolution initiale des carbonates et l'ouverture de la cavité (qui a très probablement eu lieu au cours d'une période humide et chaude), une période sèche et fraîche se met en place durant laquelle se déposent des sédiments éoliens (qui forment les quelque 2,5 m de couches non archéologiques sous le niveau 8 (Debard 1988 : 70, Khatib 1989 : 174). Il semble que le site soit, durant cette phase, peu anthropisé (peut-être du fait de la pente en fond de cavité), et les restes de faune dans ces couches pourraient représenter des animaux tombés dans la cavité qui pourrait se présenter alors sous la forme d’un puits. Certaines faunes auraient aussi pu y hiberner (Khatib 1989 : 174). É. Debard, notant l'aspect roulé des artefacts lithiques du niveau 8 et le faciès sédimentologique de cette couche, suggère que « L’essentiel du matériel est amené de l’extérieur par des ruissellements qui l’étalent d’Ouest en Est. Il en résulte une disposition en biseau des dépôts [amincissement latéral]. Ces ruissellements sont à l’origine du remaniement d’un premier ‘habitat’ acheuléen et dont l’industrie nettement roulée, forme le niveau 8 » (Debard 1988 : 90).

8Le niveau archéologique 7 est situé entre 4 et 3,5 m de profondeur, dans la partie supérieure de « l'Ensemble II » de S. Khatib et de la « couche j » de É. Debard. Il est séparé du niveau 8 par près d'un demi-mètre de matériel archéologiquement stérile. É. Debard décrit ainsi le contexte géologique :

C’est la phase principale d'ouverture de la cavité dans la partie sud du gisement. La sédimentation grossière est prédominante. La répartition des blocs et des cailloux, l'évolution de leur taille permet de suivre le recul de l’encorbellement d'ouest en est, du sud au nord, au fur et à mesure des dépôts. Ainsi, jusqu'au dernier effondrement, à l'origine de la couche j1, une voûte existait au-dessus du remplissage dans la zone des carrés D et C. Celle-ci est attestée par le concrétionnements des sédiments, sans doute localisés à l’aplomb d’anciennes gouttières, et la stalagmite en place, dressée sur la couche j3 au niveau le carré C8. L'ouverture progressive de la cavité permet l'installation de prédateurs et de l'homme (niveau 7) (Debard 1988 : 90).

9Des matériaux allochtones ont également été apportés par l'eau courante et l'action colluviale, tels que des limons et des sables de parcours provenant du plateau, et des pierres corrodées provenant du système karstique lui-même (Khatib 1989 : 166). S. Khatib et É. Debard signalent tous deux l'importance des précipitations carbonatées durant cette période, avec le dépôt de la stalagmite et de la coulée. Plus précisément, S. Khatib déclare : « Les deux dalles stalagmitiques d'Orgnac 3 sont situées dans le même niveau stratigraphique. Elles se sont formées au même moment, dans un environnement riche en carbonates de calcium et grâce à la présence de micro-organismes, sous un climat chaud » (Khatib 1989 : 147).

10Le niveau 6 est situé entre 3,5 et 3 m de profondeur, à la base de l'Ensemble III de S. Khatib et dans la couche i2 de É. Debard. Selon É. Debard, il faut commencer par la couche i2 et continuer jusqu'à d1 (niveau archéologique 2) :

Elle se caractérise par une instabilité des parois à l'origine d'une sédimentation grossière constante. Les parties de la voûte encore en encorbellement dans la zone nord finissent de s'effondrer. La cavité était largement ouverte, une partie des matériaux grossiers provient probablement de l'extérieur en même temps que les sédiments fins. Ces derniers ont une origine éolienne marquée. Des percolations permanentes liées à la proximité de la paroi déposent des carbonates sous les cailloux.

Les hommes se sont succédé en plusieurs épisodes. Ils se sont installés dans une sorte de dépression largement ouverte et se comblant progressivement au fur et à mesure de la sédimentation. Les parois sans doute bien plus élevées que le niveau actuel d’affleurement du calcaire, leur assuraient localement un abri vis-à-vis des intempéries et des prédateurs (Debard 1988 : 90).

11Le niveau 5b est situé entre 3 et 2,5 m de profondeur, au milieu de l'Ensemble III de S. Khatib (sous-ensemble IIIa) et dans la couche hb de É. Debard. Elle est séparée du niveau 6 inférieur par les couches archéologiquement stériles i1 et hc (tabl. 1 ; Debard 1988) mais entre directement en contact avec le niveau 5a supérieur. Le contexte géologique est globalement le même que celui décrit par É. Debard pour le niveau 6. S. S. Khatib décrit cette couche comme contenant une abondance de grosses pierres et de blocs, avec de grandes quantités de pyroxène et de quartz. Le matériel autochtone se présente principalement sous la forme de pierres et de gros blocs provenant des parois et du plafond restant de la cavité, tandis que le matériel allochtone est principalement constitué de limons, de sables grossiers et de quartz qui ont pénétré dans la cavité par voie colluviale depuis le plateau environnant.

12Le niveau 5a est situé entre 2,5 et 2,0 m de profondeur, au milieu de l'ensemble III de S. Khatib (interface entre les sous-ensembles IIIa et IIIb) et dans la couche ha de É. Debard. Le niveau 5a se trouve directement sur la pointe du niveau 5b, mais semble séparé du niveau 4b par une fine couche de sédiments stériles.

13Le niveau 4b est situé entre 2 et 1,8 m de profondeur, au milieu de l'Ensemble III de S. Khatib (sous-ensemble IIIb) et dans la couche g de É. Debard. Le niveau 4b est séparé du niveau 4a par la « couche fb » archéologiquement stérile (composée de gros blocs tombes). S. Khatib a noté une plus grande proportion d'argiles, de sphènes, de feldspaths potassiques et de plagioclases, une granulométrie plus élevée des sables et une diminution du quartz (Khatib 1989 : 167). Le niveau 4a est situé entre 1,8 et 1,5 m de profondeur, au milieu de l'ensemble III de S. Khatib (sommet du sous- ensemble IIIb) et dans la couche fa de É. Debard. Le niveau 4a est directement sous-jacent au niveau 3.

14Le niveau archéologique 3 est situé entre 1,5 et 1,0 m de profondeur, au sommet de l'Ensemble III de S. Khatib (sous-ensemble IIIc) et correspond à la « couche e » de É. Debard. Elle se situe directement entre les niveaux 4a et 2, sans hiatus sédimentaire discernable ni érosion entre les couches. S. Khatib décrit comment cette couche contient la plus haute teneur en silts et en quartz, et la plus faible teneur en sables fins de tout le site (Khatib 1989 : 167). Le matériel autochtone se présente principalement sous la forme de pierres et de gros blocs provenant des murs et du plafond restant de la cavité, tandis que le matériel allochtone est principalement constitué de silts, de sables grossiers et de quartz qui pénètrent dans la cavité par voie colluviale depuis le plateau environnant et, à partir du niveau 3, d'une forte composante éolienne avec une augmentation des zircons et des micas.

15Le niveau archéologique 2 est situé entre 1 et 0,25 m de profondeur, à la base de l'ensemble IV de S. Khatib (sous-ensemble IVa) et de la couche d2 de É. Debard. Elle est directement au-dessus du niveau 3, mais séparée du niveau 1 par la « couche d1 » de É. Debard qui, comme décrit ci-dessous, est un horizon pédogénique qui a été partiellement éliminé par l'érosion, avant le dépôt de la « couche c » qui contient le niveau 1. É. Debard décrit le contexte géologique de cette couche :

C’est une phase complexe dont l'importance et la durée sont en grand partie inconnues. Plusieurs phénomènes se sont succédé et vraisemblablement les traces de certains n'ont pas été conservées.

Un premier ensemble d'évènements comprend la formation d'un certain nombre de dépôts après la couche d1 et leurs transformations pédologiques. Les couches d1 et d2, consolidées en brèche, constituent l'horizon d’accumulation calcaire du paléosol.

Un deuxième ensemble de phénomènes, de type érosif, a abouti à la disparition des niveaux supérieurs du paléosol et d'une partie de la couche d1. La partie supérieure de cette dernière est creusée de cuvettes et d’entonnoirs qui la disloquent parfois presque entièrement (Debard 1988 : 90).

16S. Khatib est d'accord, décrivant comment la cavité était presque pleine, avec peu de roches érodées des parois et la plupart des sédiments, principalement des argiles, sont d'origine éolienne (Khatib 1989 : 169).

17Le niveau archéologique 1 se situe entre 0,25 et 0 m de profondeur, au sommet de l'Ensemble IV de S. Khatib (sous-ensemble IVb) et correspond à la « couche c » de É. Debard. Le niveau 1 est séparé chronologiquement du niveau 2 par une quantité de temps potentiellement considérable. Le contexte géologique et l'origine des sédiments sont globalement les mêmes que ceux décrits par É. Debard et S. Khatib pour le Niveau 2, S. Khatib notant que le toit s'est totalement effondré et la présence d'une proportion accrue de transport éolien de plagioclases, pyroxènes et zircons (Khatib 1989 : 170).

18S. Laafar (Laafar 1995) a effectué́ des analyses micromorphologiques sur l'ensemble de la séquence d'Orgnac 3, fournissant des planches couleur détaillées de sections minces agrandies en lumière naturelle et polarisée. Les résultats de S. Laafar sont généralement en accord avec les interprétations de É. Debard et S. Khatib, et apportent des éléments supplémentaires sur l'histoire post-dépositionnelle du site qui méritent une attention particulière. Dans les couches géologiques i et j, correspondant aux niveaux 6 et 7, il note : « Les traits carbonatées sont représentés par la recarbonatation dans la masse basale et en particules de microspartite. Les phénomènes de dissolution, surtout les golfes et vides isolés, affectent les éléments calcaires (fragments de la paroi ou d’encroutements stalagmitiques) et la masse basale. [Dans la couche i], ce sous-ensemble renferme des cailloux (calcaires et fragments de plancher stalagmitique) très abondants à fabrique ouvert. Ils présentent des encroûtements carbonatés polarisée (sur la face inférieure), affectés aussi par des vides de dissolution » (Laafar 1995 : 44). À propos des fossiles de ces couches, il déclare : « Les ossements sont fragmentés dont les fissures sont remplies de carbonates secondaires... Les dépôts phosphatés sont très restreints à des fragments de coprolithes à inclusions détritiques, osseuses et de dépôts épigénisant des carbonates (encroûtement phosphaté) » (Laafar 1995 : 46).

19À propos des couches h à f (niveaux 5b à 4a), Laafar rapporte : « La masse basale et surtout la fraction fine, montrent un enrichissement en grains sparitiques, de couleur rougeâtre. Certains vides sont comblés par des carbonates sparitiques, sous forme de pseudomorphose racinaire. Vers le sommet, les carbonates imprègnent toute la masse basale ainsi que les structures biologiques » (Laafar 1995 : 48), et « Les os sont abondants et fracturés... et parfois affectés par des carbonates sparitiques secondaires. Certains ossements sont inclus pris des agrégats arrondis » (Laafar 1995 : 48). Pour les couches e et d (niveaux 3 et 2), il précise : « Les traits carbonatés se présentent sous la forme d'une imprégnation intense de la couche d. Cette imprégnation est construite par des sparites et microsparites claires imprégnant partiellement la masse basale et envahissant les grains de sable. Vers le sommet de cette couche d et à l'est du site, on a associé au faciès sparitique, le faciès aciculaire visible dans les vides » (Laafar 1995 : 52), et « comprend une abondance d'éléments figurés à ossements fracturés ou non, calcinés et ferruginisés par des oxydes dont les vides sont remplis de microsparite » (Laafar 1995 : 52). Veuillez consulter la figure SX pour des images prises pendant notre travail de la façon dont cette altération, cette brèche et cette expansion post-dépôt ont affecté les fossiles macrofauniques du site.

20A. Djerrab (Djerrab 2001) a réalisé une étude de susceptibilité magnétique des couches d'Orgnac 3, et S. Laafar, S. Abdessadok, & A. Djerrab (Laafar et al. 2008) ont publié une analyse combinée de micromorphologie et de susceptibilité magnétique des foyers de la séquence.

La datation radiométrique

Volcaniques

21Des sédiments volcaniques ont été trouvés en très petites quantités tout au long de la séquence d'Orgnac 3. Du clinopyroxène vert a été trouvé dans le niveau 2 du site. É. Debard et J.-F. Pastre ont corrélé ces sédiments à ceux provenant d'une éruption du Mont-Dore (situé à quelques centaines de kilomètres au nord-ouest), les auteurs précisant : « Il est très probablement corrélé à une émission de trachyandésite des dernières éruptions du [volcan] Sancy apparaissant vers 0,30 Ma » (Debard & Pastre 1988 : 1517). De plus, la datation par traces de fission du même sédiment a fourni un âge de 298 ±55 ka pour le niveau 2 (Khatib 1989, 1994). Des sphènes éoliennes ont également été trouvées dans la séquence, É. Debard et J.-F. Pastre déclarant : « Nous notons cependant quelques [sphènes] frais dans les couches j4 et i2 [niveaux archéologiques 7 et 6 respectivement] qui pourraient provenir d'émissions acides de trachyandésite qui marquent le début de la phase terminale de l'activité du Sancy vers 0,4 Ma » (Debard & Pastre 1988 : 1517).

22V. Michel et al. (Michel et al. 2011, 2013) ont effectué de nouvelles estimations de l'âge isotopique par fusion totale ⁴⁰Ar/³⁹Ar sur 57 populations de grains de sanidine provenant de la même source volcanique au niveau 2. Onze ont été exclus des résultats pour avoir produit des âges trop vieux (>550 ka) ou trop jeunes (277,8 ka). La moyenne pondérée 2σ des 46 échantillons restants est de 302,9 ±2,9 ka, ce qui correspond aux estimations précédentes (tabl. 2).

Uranium/Thorium et résonance de spin électronique (ESR)

23La plupart des dates radiométriques de la séquence d'Orgnac 3 proviennent d'analyses de séries d'uranium et d'analyses ESR d'échantillons prélevés à la fois sur le plancher stalagmitique et sur la stalagmite de 47 cm de haut située dans les niveaux inférieurs du site (fig. 6). G. Shen (Shen 1985) a indiqué que le plancher stalagmitique s’est formé au sommet du niveau 6, et que la stalagmite s'est formée au sommet du niveau 8 et a atteint le niveau 6. Des études sédimentologiques, géomorphologiques et géochimiques ultérieures indiquent que le plancher et la stalagmite se trouvent toutes deux au niveau 7 (Debard 1988, Khatib 1989 : 145). Comme on peut le voir sur la figure 6 (et d'autres dans Michel et al. 2013), la stalagmite et le plancher stalagmitique ne présentent pas la structure de calcite blanc pur des spéléothèmes typiques, mais plutôt une texture crayeuse, poreuse, et mal stratifiée. Que cette apparence est due à la façon dont le carbonate a été précipité (biomédiatisé ou non ; Pedley 1990, Gandin & Capezzuoli 2008), ou à l'altération post-dépositionnelle décrite ci-dessus et ci-dessous, ce matériau semble assez sensible à une contamination par de l'uranium, du thorium ou d'autres matériaux remobilises, ce qui affecterait particulièrement les séries d'uranium et les dates ESR (Srdoc et al. 1994). Comme la précipitation des carbonates nécessite de l'eau pour se former, É. Debard et S. Khatib placent la « stalagmite » et le « plancher » au niveau 7 où il existe des preuves sédimentologiques de l'action de l'eau. Il n'y a pas de telles preuves dans les niveaux 6 - 5a.

24G. Shen a effectué́ des datations de séries d'uranium sur deux échantillons du plancher et deux de la stalagmite, un de la base et un du sommet. En décrivant ces échantillons, Shen a déclaré :

Les échantillons ORG82-1 et ORG82-2 proviennent du plancher. La calcite d’une couleur jaune clair est assez pure et bien cristallisée. Des esquilles d'ossements et des morceaux de petites stalactites tombées du plafond sont visibles dans la calcite chimiquement précipitée, témoignant ainsi de la formation sur place de cette plancher. Les échantillons ORG82-3 et ORG82-4 représentent respectivement le sommet et la base de la stalagmite. Cette stalagmite ne semble pas très bien conservée ; en effet, quelques couches se détachent et certaines zones alvéolaires sont remplies d'argile, ce qui implique apparemment une dissolution partielle due à l’eau souterraine. Nous avons procèdé à une sélection très soignée des échantillons à analyser, des petits morceaux purs et compacts sont tout de même disponibles (Shen 1985 : 135).

25G. Shen a obtenu des âges de 374 +165/-94 ka et 356 +266/-76 ka pour la dalle, 364 +204/-69 ka pour le sommet de la stalagmite et 288 +82/-45 ka pour la base (tabl. 2). Il s'agit d'une large gamme, et dans l'ordre stratigraphique inverse. G. Shen précise aussi :

La calcite de ce site se caractérise par sa faible teneur en uranium et le faible rapport d'activité des isotopes de l'uranium. Les rapports ²³⁰Th/²³²Th varient entre 15,7 et 18,5. Compte tenu du très grand âge de ces échantillons, la correction du ²³⁰Th initial n'est pas nécessaire. Les quatre rapports ²³⁰Th/²³⁴U sont identiques dans la limite de l’erreur statistique de 1 sigma. Cela indique la bonne reproductibilité de nos mesures. Le fait que tous ces rapports soient proches de l'unité donne un aspect un peu diffèrent de ce qui se produit pour la datation de la Caune de l'Arago ou de la Grotte de Petralona où ce rapport dépasse quelques fois un peu l'unité. La différence entre l'unité et la moyenne de ces quatre rapports, 0,953 ± 0,016, est statistiquement significative. Il est donc vraisemblable que l'âge issue de cette dernière valeur, 339 000 ans, représente mieux l'âge réel de ces formations stalagmitiques (Shen 1985 : 135).

26Il convient de noter que les rapports d'activité ²³⁰Th/²³²Th rapportés pour ces échantillons sont tous inferieurs à 20, ce qui est considéré comme indiquant une contamination par des matériaux détritiques (Michel et al. 2013, Martínez-Aguirre et al. 2019). G. Shen conclut qu’au vu du mauvais état de conservation des échantillons, en 1985 ces mesures se situaient dans la limite supérieure de la technique U/Th, et qu’il était alors difficile de distinguer les âges des différents échantillons et d'exclure la possibilité que l'âge réel de ce niveau soit supérieur à 350 ka (Shen 1985 : 135-137). C. Falguères (Falguères1986) a calculé́ une date ESR (Electron Spin Resonance) pour un échantillon provenant de la base du plancher, donnant un âge de 309 ± 34 ka. C. Falguères et al. (Falguères et al. 1988) ont repris les résultats de G. Shen (Shen 1985) et de C. Falguères (Falguères 1986).

27H. Masaoudi (Masaoudi1995) a effectué́ des datations U/Th sur les os, l'émail et la dentine, ainsi que des datations ESR sur ces matériaux et sur la stalagmite, le plancher et le quartz brûlé. Les datations U/Th des os, de l'émail et de la dentine sont incohérentes et en inversions chronologiques. Pour H. Masaoudi « Ces résultats montrent que le site d'Orgnac 3 a connu une altération géochimique très importante. L'ouverture de ce site à la migration de l'uranium est mise en évidence. Les niveaux inférieurs sont les plus touchés par cette altération. Il s'avère difficile d'appliquer la méthode U-Th pour les ossements, dentines et émails sur ce site » (Masaoudi1995 : 69). Les dates ESR sur les os, l'émail et la dentine sont également très incohérentes et leur ordre chronologique est communément inversé, les chronologies rajeunissant en descendant dans la séquence (tabl. 2). H. Masaoudi propose ainsi : « Quel que soit le modèle d'incorporation utilisé, les âges obtenus par ESR sur les émails sont trop jeunes par rapport aux données géochronologiques et biostratigraphiques du site, sauf pour le niveau 1 qui donne des âges cohérents » (Masaoudi1995 : 79). Pour les dates ESR sur la stalagmite, le plancher et le quartz brûlé, Masaoudi présente des ensembles de dates larges, mais ne fait aucune mention de la façon dont l'altération géochimique ou les différents problèmes qu'il décrit pourraient affecter ces dates. Il est important de noter que les dates ESR de H. Masaoudi pour le quartz brûlé représentent la seule méthode de datation ici développée moins vulnérable à l'altération géochimique, son ‘horloge’ étant marquée par des chauffes plutôt que sur le dépôt de carbonates. Ces mesures seraient alors plus cohérentes. Elles sont toutefois environ 100 ka plus anciennes que celles obtenues au niveau du plancher stalagmitique (tabl. 2) alors qu’elles proviennent des 3 niveaux localisés stratigraphiquement au-dessus de ce plancher (Masaoudi1995 : 84).

28V. Michel et al. (Michel et al. 2011) ont effectué́ de nouvelles analyses U/Th par MC ICPMS sur 4 échantillons de carbonate provenant de la stalagmite et du plancher. Ces auteurs placent la stalagmite et la plancher stalagmitique généralement dans les niveaux 7, 6 et 5b, mais sans expliquer les raisons de cette nouvelle interprétation stratigraphique. Ils ne fournissent pas les données brutes individuelles, ils indiquent seulement que leurs estimations d'âge vont de 261 ± 6 à 305 ± 14 ka (tabl. 2).

29V. Michel et al. (Michel et al. 2013) ont effectué 14 analyses ICP-MS U/Th supplémentaires sur des échantillons de carbonate provenant de toute la stalagmite et du plancher et placent désormais la stalagmite dans les niveaux 6 et 7, et le plancher dans les niveaux 6 et 5b. Les trois échantillons supérieurs des huit échantillons du plancher ont été exclus du calcul de l'âge en raison des faibles rapports d'activité ²³⁰Th/²³²Th du fait de la « contamination par des matériaux détritiques » (Michel et al. 2013 : 3). L'un des six échantillons de la stalagmite a été exclu des résultats car il était beaucoup trop jeune par rapport aux échantillons adjacents, les auteurs déclarant que cet échantillon était « probablement biaisé par la diagenèse post-dépositionnelle » (Michel et al. 2013). Les deux tiers des échantillons qui ont été retenus ont produit des âges également incohérents et en inversion chronologique (tabl. 2), avec des dates allant de 265 ± 4 ka à 312 ± 14 ka, mais sans séquence logique stratigraphique. Leur discussion sur les différences entre cette plage de dates et la date de 302,9 ± 2,9 ka ⁴⁰Ar/³⁹Ar provenant du sommet du niveau 2, placée beaucoup plus haut dans la séquence, n’aborde pas la possibilité d’une remise en question de la validité des dates U/Th et proposent plutôt la possibilité d’« une légère contamination des grains de sanidine ou par un excès mineur de ⁴⁰Ar », soit « les minéraux volcaniques ont été transportés sur le site des dizaines de milliers d'années [sic] après l'éruption du Sancy » (Michel et al. 2013 : 5). Mais cet argument pourrait être perçu comme paradoxal puisqu’ils démontrent parallèlement la présence de grains de sanidine très bien conservés sous grossissement MEB dans leur Figure 7 et qu'ils décrivent ces grains ainsi dans leur légende : « Les minéraux sont à arêtes vives et non altérés » (Michel et al. 2013 : 8).

30Plus récemment, J.-J. Bahain et al. (Bahain et al. 2022) ont publié de nouveaux âges par thermo-luminescence (TL) sur des silex brûlés provenant des niveaux 5 et 6 (bien qu'il ne soit pas expliqué́ pourquoi les niveaux 5a et 5b ont été combinés), et des recalculs des dates ESR/U- series de H. Masaoudi (Masaoudi 1995) sur des dents de mammifères. Ces recalculs de la série ESR/U ont été effectués sur la base de données dosimétriques in situ recueillies par des dosimètres installés dans les niveaux 4b, 5a, 5b et 6 (bien qu'aucune information ne soit donnée sur la date ou les conditions dans lesquelles ces travaux dosimétriques ont été effectués). Six dates de TL du niveau 5 vont de 210 ± 20 ka à 332 ± 35 ka, avec un âge moyen de 262 ± 36 ka ; cinq dates du niveau 6 vont de 244 ± 21 ka à 337 ± 29 ka, avec un âge moyen de 286 ± 30 ka (tabl. 2). Les sept dates recalculées de la série ESR/U des niveaux 1 à 7 vont de 236 ± 2 ka à 311 ± 30 ka, mais ne sont pas toujours en ordre chronologique dans la séquence (tabl. 2). Sur la base de ces dates, ils proposent que les niveaux 8 et inférieurs aient été déposés pendant l'OIS 10 (environ 375 – 340 ka) ; que les niveaux 7 et 6 aient été déposés pendant l'OIS 9 et la transition OIS 9 - 8 (jusqu'à l'interstadial d'Amargiers ; environ 340 – 270 ka) ; que les niveaux 5 à 1 aient été déposés pendant l'OIS 8 (après l'interstadial d'Amargiers ; environ 270 – 240 ka). Lorsqu'ils essaient d'expliquer les différences entre cette fourchette de dates et la date de 302,9 ± 2,9 ka ⁴⁰Ar/³⁹Ar du sommet du niveau 2, ils affirment que, bien qu'elle « soit analytiquement précise, elle correspond probablement à des minéraux remaniés dans les sédiments associés à un évènement volcanique plus ancien déconnecté des enregistrements archéologiques, et elle doit être considérée avec prudence car les minéraux datés sont probablement remaniés dans la séquence d'Orgnac 3 » (Bahain et al. 2022 : 9).

Biochronologie

31Le premier à tenter une datation biochronologique du site est C. Guérin (Guérin 1980 : 615-618). Il a placé les couches géologiques d'Orgnac 3 dans ses ‘zones’ chronologiques de mammifères comme suit :

• couches o à k dans sa zone 22, équivalente à Mindel, Elster, Lovestoft (généralement corrélée à OIS 12, 478-424 ka).
• La couche i dans sa zone 23, équivalente au Mindel-Riss, au Holsteinien, au Needien, au Hoxnien (généralement corrélé au début de l'OIS 11, 424 ~ 390 ka).
• couche g dans sa zone 24, équivalent avec Riss, Saale, Gipping (généralement corrélé au début de l'OIS 10, 364 ~ 340 ka).

32Selon H. Aouraghe (Aouraghe 1992), les aspects biochronologiques de la faune du site, comme la présence de Canis lupus lunellensis, Apodemus sylvaticus, Microtus brecciensis, Eliomys quercinus, et une forme archaïque de Crocuta spelaea indiquent que les niveaux archéologiques les plus bas dérivent de la fin du Pléistocène moyen précoce, tandis que le niveau 2 peut être attribué légèrement avant le Pléistocène moyen tardif sur la base de la présence de Rupicapra rupicapra, Hemitragus bonali, Ursus deningeri, et Equus caballus mosbachensis. Ces résultats sont généralement conformes aux dates obtenues par radiométrie, mais couvrent une plus grande plage de temps. H. Aouraghe a conclu que l'histoire du dépôt suggérée par la faune « nécessiterait une période plus longue que celle proposée [par les dates radiométriques] » (Aouraghe 1992 : 462). A. Testu a décrit des aspects des Felidae qui suggèrent également un décalage entre les dates radiométriques et la biochronologie : « Le chat [Felis silvestris] d'Orgnac 3, bien que plus récent [par les dates radiométriques], conserve certains caractères archaïques, en particulier le raccourcissement du protoconide de la P₄, qui rappellent des formes anciennes » (Testu 2006 : 283).

33Sur la base de la microfaune, M. Jeannet (Jeannet 1974, 1981 : 65), conclut :

Tout incite donc à penser qu’Orgnac 3 se situe à la charnière Mindel-Riss. Je serais tenté [Jeannet] de corréler ce site avec les quelques gisements sur lesquels j'ai pu travailler de la manière suivante :

Orgnac 3 (g, h) - phase IV	= La Fage (en partie)	= Riss I
Orgnac 3 (i, j) - phase III	= Lunel-Viel 1, Coudoulous 1 niveau 8	= Mindel-Riss
Orgnac 3 (k, l, m) - phase II	= Saint-Estève-Janson H	= Mindel final
Orgnac 3 (n, o, p) - phase I	= Montoussé 3	= Mindel supérieur

Grâce à la présence de certaines espèces particulières, les relations chronostratigraphiques peuvent être établies entre Orgnac 3 et les autres sites où elles peuvent être collectées.

34Cette conclusion a été reprise par J. Chaline : « Une stratigraphie sûre de ces périodes sera possible lorsque nous aurons à notre disposition de très longues séquences qui se chevauchent dans le temps, comme à Saint-Estève-Janson, Orgnac 3, et Aldène. » (Chaline 1975 : 114). Il a montré sa proposition de corrélation entre ces séquences, et d'autres, dans sa figure 36 (fig. S8), qui correspond au placement chronologique des couches d'Orgnac 3 par M. Jeannet.

35Sur la base de cette même microfaune, N. El Hazzazi (El Hazzazi 1998a : 129) a conclu :

Cette étude nous permet d'ébaucher une chronostratigraphie régionale basée sur l'évolution du genre Arvicola dans cette partie de la France. Ainsi, sur le site d'Orgnac 3, on est en présence d'une population homogène archaïque aussi bien par sa morphologie que par le degré de différenciation de la bande d'émail, cette population côtoyant Pliomys episcopalis et Pliomys chalinei (Jeannet 1974), et Erinaceus davidi (El Hazzazi 1991) appartient à l'espèce Arvicola cantiana. Les indices SDQp obtenus pour ce site permettent de donner un âge Holsteinien [OIS 11] aux couches 6 et 7 et un âge Saalien [OIS 10] aux couches 4 et 5.

Problèmes chronologiques avec la séquence d’Orgnac 3

36Comme décrit ci-dessus et détaillé dans le tableau 2, il existe un décalage entre les différentes mesures radiométriques pour la séquence d'Orgnac 3 ainsi qu’entre ces mesures, déjà incohérentes entre-elles, et les indications biochronologiques de la séquence. S. Khatib (Khatib 1989 : 181), a aussi décrit les indicateurs sédimentologiques de la chronologie du site et en quoi ils ne sont pas en accord avec les mesures radiométriques :

Les deux datations absolues réalisées dans le gisement nous permettent de situer le remplissage dans la stratigraphie isotopique du Quaternaire.

- l’ensemble II date à -339 000 ans en moyenne correspond à la limite inférieure de stade isotopique 10, mais les données sédimentologiques et géochimiques indiquent qu’il s’agit d’un réchauffement climatique, ce qui nous permet de situer l’ensemble II dans le stade isotopique 11. Cela suppose que la datation est trop récente pour être affectée à ce stade.

- l’ensemble IV date a -298 000 ± 55 000 ans, correspond au stade isotopique 9 ou l’équivalent d’un réchauffement climatique. Les données sédimentologiques vont dans le sens d’un refroidissement ; il est très probable qu’ici aussi, la datation soit légèrement sous-estimée. Cet ensemble pourrait donc toujours être dans le stade isotopique 10. L’altération superficielle de cet ensemble (niveau IVb) correspond au stade chaud 9.

- selon l’échelle isotopique du Quaternaire, nous pouvons situer l’ensemble I, dont les analyses sédimentologiques indiquent un climat très froid et sec, dans le stade froid 12.

Il en va de même pour l’ensemble III qui pourrait être situé dans le stade froid 10, les données sédimentologiques et géochimiques correspondent à un climat froid et humide.

37Comme on le voit dans le tableau 2, dans la plupart des travaux de datation, les dates les plus récentes proviennent de la partie la plus profonde de la séquence, nous confrontant à des problèmes de radiométrie qui suggèrent fortement que ces mesures ne peuvent pas correspondre à un système fermé, et suggère l’existence de problèmes dans les mesures de l’Uranium et du Thorium. La faible précision de ces mesures et leurs incohérences internes plaident pour une période de dépôt des sédiments d'Orgnac 3 plus longue que celle généralement retenue et qui limite principalement cette séquence dans les OIS 9 et 8 (par exemple Bahain et al. 2022, Michel et al. 2011, 2013, Moncel et al. 2005, 2011, 2012, et leurs références). Sur la base des données disponibles, deux reconstructions chronologiques distinctes peuvent être réalisées pour les dépôts d'Orgnac 3 (fig. 7) :

• Le modèle d'âge 1, basé exclusivement sur des dates radiométriques publiées, suppose que les couches archéologiques proviennent de périodes contemporaines des stades isotopiques (OIS) 9 (334 – 301 ka) et 8 (301 – 242 ka ; e.g. Bahain et al. 2022, Michel et al. 2011, 2013, Moncel et al. 2005, 2011, 2012).
• Le modèle d'âge 2, basé sur un examen approfondi de toutes les données géologiques et paléontologiques disponibles, place la moitié inférieure des couches archéologiques de l'OIS 11 (427 – 364 ka), la moitié supérieure de l'OIS 10 (364 – 334 ka), le niveau de surface dans l'OIS 8. L’OIS 9 serait principalement représenté par une discordance d'érosion entre les niveaux 2 et 1 (Aouraghe 1992, Chaline 1975, Debard 1988, El Hazzazi 1998a, Guérin 1980, Jeannet 1981, Khatib 1989).
• Pour que le modèle d'âge 1 soit accepté, il faut ignorer presque toutes les conclusions des analyses de la géologie du site (par exemple Debard 1988, Khatib 1989, Lafaar 1995) et des assemblages faunistiques (en particulier la microfaune ; El Hazzazi 1998a, Paunesco 2007), et permettre que les minéraux volcaniques de la couche d1 aient été soufflés et lavés à la surface pendant plus de 50 mille ans avant de se retrouver là, tout en conservant leurs « arêtes vives et non érodés ». Entre-temps, les raisons de rejeter ce modèle d'âge ont déjà été données par de nombreux chercheurs : après l'effondrement de la cavité karstique et l'ouverture des couches à la surface, la pluie et le mouvement des eaux souterraines à travers les couches ont provoqué la remobilisation de l'uranium et/ou du thorium dans la séquence (un système ouvert), entraînant une sous-estimation des dates de la série U ou de l'ESR (par exemple Claes et al. 2020).

38Si le modèle d'âge 2 est accepté, les niveaux archéologiques 8 - 2 (correspondant aux couches géologiques k - d) ne dateraient pas de 350 – 250 ka (centré autour de 300 ka), mais correspondraient plutôt aux OIS 11 et 10, 427 – 334 ka. Les niveaux non archéologiques situés en dessous des couches géologiques l - t dateraient donc de l’OIS 12, 474 – 427 ka. Le niveau 1, de la couche géologique c, est séparé du niveau 2 par un événement d'érosion et le clinopyroxène et sa date associée de ~300 ka sont situés au-dessus de la couche altérée et « creusée » d1 ; la date de ~300 ka est donc un âge maximum pour ce niveau 1, mais ces sédiments de recouvrement, ces fossiles et ces artefacts pourraient en fait être beaucoup plus jeunes. Cette chronologie révisée est sensiblement plus ancienne et d'une durée plus longue que les dates radiométriques suggérées et semble plus conforme à la profondeur de dépôt et aux changements macro- et micro-fauniques enregistrés sur le site. La figure 8 montre l'abondance de deux reptiles dans la séquence, la cistude (Emys orbicularis) et une tortue terrestre Testudo sp. (Lewis 2011). Les deux sont des marqueurs d'environnements chauds et humides, caractéristiques des phases interglaciaires dans le registre européen du Pléistocène Moyen (Morales Péreza & Sanchis Serra 2009, Sommer et al. 2007). Leur abondance correspond à ce qui serait attendu s'il y avait une transition interglaciaire/glaciaire et une seconde phase interglaciaire vers le sommet de la séquence.

39Les niveaux archéologiques 8 - 2 d’Orgnac 3 sont communément proposés comme couvrant la période allant de 350 à 250 ka (les mesures radiométriques étant généralement centrées autour de 300 ka), les données paléontologiques et biostratigraphiques disponibles indiquent que ces niveaux seraient plutôt à replacer entre l’OIS 11 et 10, soit entre 424 et 337 ka. Les niveaux essentiellement paléontologiques sous-jacents, couches géologiques l - t, correspondraient alors au OIS 12, entre 474 et 427 ka. À l’opposé, dans la partie supérieure de la séquence, le niveau 1, à partir de la couche géologique c, est séparé du niveau 2 par un événement d'érosion, et le clinopyroxène qui y a été retrouvé et sa chronologie associée de ~300 ka, proviennent d’une strate sus-jacente à la couche d1 altérée et « surcreusée ». La date de ~300 ka ne correspondrait pas à l’âge de cette unité, mais ici donc à une chronologie maximale pour ce niveau 1. Ces sédiments, ainsi que les fossiles et artefacts du sommet de la séquence ne sont donc pas datés et pourraient de fait être notablement plus jeunes que ce qui est communément proposé pour ces ensembles.

40Cette chronologie révisée de la séquence d’Orgnac 3 est donc sensiblement plus ancienne et couvre une durée plus vaste que ce qui est suggéré par les mesures radiométriques généralement employées pour comprendre cette séquence. Eu égard aux dynamiques sédimentaires en présence, cette chronologie longue correspondrait mieux à la puissance des dépôts, aux modifications sédimentaires successives, et à l’ensemble des données paléontologiques.

41Les reconstructions précédentes des niveaux inférieurs attribuées de l'OIS 9 à l'OIS 8 (Bahain et al. 2022, Michel et al. 2011, 2013, Moncel et al. 2005, 2011, 2012 et leurs références) peuvent être considérées comme peu compatibles avec les enregistrements archéo-sédimentaires et biostratigraphiques en présence. Selon ce modèle, les 7 m de dépôt d’Orgnac 3 se seraient accumulés sur une période de 100 ka, ce qui ne trouve pas de correspondance avec la plupart des ensembles méditerranéens du Pléistocène moyen, où les accumulations sédimentaires assez comparables couvrent systématiquement plusieurs centaines de milliers d'années (e.g. Gran Dolina, Arago, Vallparadís, Visogliano, Petralona, etc. : Carbonell Roura & Rodriguez Alvarez 1994, Cook et al. 1982, Falguères et al. 2008, 2015, Grün 1996, Martínez et al. 2013).

42Nous considérons qu’en dehors de mesures radiométriques qui se contredisent presque systématiquement dans cette séquence, la majorité des données disponibles soutiendrait plus parcimonieusement le modèle présenté ici : les couches paléontologiques situées au-dessous du niveau 8 dépendent de l'OIS 12, la moitié inférieure des couches archéologiques de l'OIS 11, la moitié supérieure étant à attribuer à l'OIS 10 et le niveau 1 à l’OIS 8. L’OIS 9 serait de fait attestée par une discordance d'érosion entre les niveaux 2 et 1 et une augmentation de signaux chauds (avec le développement du cerf, des tortues, des carnivores, etc.) dans les niveaux 2 et 3 en raison de mélanges stratigraphiques. Les signaux sédimentaires des phases froides trouvent un écho direct dans les changements en termes d'abondance des espèces tout au long de la séquence. Cela induit que les dépôts de cette vaste séquence ne se seraient pas déposés en une seule phase isotopique. La date ⁴⁰Ar/³⁹Ar de 302,9 ± 2,9 ka (Michel et al. 2013), se positionnant précisément à la transition entre l’OIS 9 et 8 entre les niveaux 1 et 2, il paraît ici peu parcimonieux de considérer que l’ensemble de la séquence, des niveaux 3 à 8 soient intégralement déposés pendant la période chaude de l’OIS 9. La plupart des données issues de la sédimentologie et des datations radiométriques décrivent comment l'altération géochimique post-dépositionnelle a rendu douteuses les analyses U-Th et de l'ESR sur la bioapatite. Parallèlement les datations par traces de fission et ESR sur quartz brûlé et les analyses sur les sédiments volcaniques, lesquels ne sont pas sensibles aux mêmes types de contamination, correspondent à ce qui serait attendu dans le modèle que nous proposons ici. Si cette hypothèse était confirmée la séquence d’Orgnac 3 représenterait l’une des séquences pléistocènes comptant parmi les plus anciennes, des plus longues et les mieux préservées actuellement reconnues en Europe.