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L'archéologie à découvert

 | 
Sophie A. de Beaune
, 
Henri-Paul Francfort

Sixième partie - Une science du temps. Chronométrie, historicité, temporalités

Appréhender les temps anciens dans la très longue durée

Comprehension of ancient times in the very long term

Christophe Falguères

Résumé

Today, geochronology has definitely evolved into a pluridisciplinary approach to prehistoric sites using dating methods providing chronological frames associated with diagrams representing human evolution. The “long term” in prehistory dates back to 6 or 7 million years (Ma) thanks to fossil hominin remains discovered in Chad and Kenya. Important later steps were dated using various methods based on the natural radioactivity found in sediments and in samples, assisted by palaeomagnetic studies and biochronology. One of these important episodes is the movement Out of Africa, 1.8 Ma ago, with the oldest hominid occupation observed in Dmanisi, Georgia, crucial for the settlement of Eurasia.
The range of applicability of dating methods and the ability of samples to be dated define the potential for dating prehistoric sites. Some methods date sterile layers for which a stratigraphic relation should be found with prehistoric infilling. Other can be applied directly on samples coeval with human-bearing layers.
Recent improvements in the field of mass spectrometry and in isotopic geochemistry allow a more precise approach to dealing with the environment of prehistoric man, particularly for old periods such as the Early Pleistocene.

Texte intégral

1Depuis la découverte des restes d’homininés, il y a quelques années, dans la région de Toros-Menala au Tchad et plus récemment dans la formation de Lukeino au Kenya, l’histoire de l’évolution humaine s’est considérablement allongée et couvre aujourd’hui près de 7 millions d’années (Ma). Plusieurs étapes importantes jalonnent cette période parmi lesquelles la sortie d’Afrique de l’homme, il y a 1,8 Ma. Les découvertes de restes humains en Eurasie au cours des vingt dernières années ont suscité un grand intérêt auprès des préhistoriens qui ont sollicité de plus en plus souvent les physiciens et les chimistes. Ainsi quelques méthodes de datation fondées sur la radioactivité naturelle ont été développées et appliquées à de nombreux supports (sédiments détritiques et effluents volcaniques, os et dents fossiles, carbonates). Aujourd’hui la géochronologie est une discipline à part entière qui participe à l’étude pluridisciplinaire des sites préhistoriques et contribue de façon importante à l’élaboration de leur cadre chronologique.

Fig. 1 – Domaine d’applicabilité des principales méthodes de datation utilisées pour la chronologie de la période du Quaternaire. Les trois colonnes correspondent aux différents types d’environnement dans lesquels les sites préhistoriques sont trouvés en Europe (d’après Falguères et al. 2010).

2Le premier rendez-vous important des « géochronologues-dateurs » remonte à 1981 où un colloque international fut organisé sur la datation du remplissage de la Caune de l’Arago à Tautavel. Au cours de cette rencontre, les physiciens et géologues prirent la mesure de toute la difficulté à dater un site et à appliquer des méthodes physico-chimiques dans le domaine de la préhistoire. En effet, de nombreux résultats obtenus sur un même niveau contenant la majorité des restes humains ont donné des âges très dispersés (de Lumley et Labeyrie 1981). Cette réunion internationale a permis de développer des méthodes appliquées à certains types de support et ainsi d’orienter une recherche dans le domaine de la datation plus appropriée aux problèmes rencontrés par les préhistoriens et les archéologues.

3Les premiers travaux effectués sur la datation par thermoluminescence (TL), à la fin des années 1970, avaient pour support principal les céramiques. Le premier site préhistorique daté par TL sur silex brûlés fut le site de Terra Amata (Wintle et Aitken 1977). Puis cette méthode a donné des résultats très importants notamment au Proche-Orient où la datation par TL a démontré que les populations néandertaliennes étaient contemporaines des Hommes anatomiquement modernes dans cette région (Valladas et al. 1988).

4La datation des carbonates continentaux notamment par les séries de l’uranium (U/Th) est considérée comme une méthode fiable depuis quasiment le début de son application (Ivanovich et Harmon 1992) et aujourd’hui à plus forte raison avec le développement de la spectrométrie de masse qui permet non seulement d’obtenir une meilleure précision mais aussi de repousser les limites d’applicabilité jusqu’à environ 500 voire 600 000 ans (Edwards et al. 1987). En revanche, la datation des os a été progressive ment délaissée au profit de celle des dents fossiles de grands herbivores par les méthodes combinées de la Résonance de Spin Electronique (ESR) et des séries de l’uranium. L’émail dentaire, entièrement cristallisé, pauvre en eau (2 à 3 %) et en matière organique (moins de 1 %), est évidemment susceptible de subir moins de modifications chimiques et structurales au cours de la fossilisation que la dentine et le cément – autres tissus constituant une dent, et semble ainsi mieux convenir aux études géochronologiques. Le calcul des âges ESR nécessite l’utilisation de modèles mathématiques décrivant l’évolution de l’incorporation post-mortem d’uranium dans les échantillons (Grün et al. 1988). De nombreux sites ont pu être datés par cette méthode.

5Parallèlement, les méthodes des familles de l’argon (K / Ar, Ar/Ar) ont considérablement amélioré la marge d’erreur des âges obtenus sur des sites en contexte volcanique, même si ce type de sites préhistoriques est assez rare en Eurasie. En Indonésie et en particulier à Java, les plus anciens fossiles trouvés dans le Dôme de Sangiran (S27 et S31) et à Mojokerto, dans l’est de l’île, font encore l’objet de débats scientifiques qui reposent plus sur la position stratigraphique des restes humains que sur la précision des âges obtenus (Swisher et al. 1994, Sémah et al. 2000).

6Les développements des méthodes fondées sur les dommages causés par la radioactivité naturelle dans les sédiments ont permis de dater des sites en milieu ouvert et d’acquérir des données sur une grande partie de l’Europe septentrionale. C’est ainsi que de nombreux sites préhistoriques associés à des systèmes fluviatiles (Somme, Creuse, Loire) ont été datés par ESR sur quartz blanchis optiquement (Voinchet et al. 2003) et par Luminescence Stimulée Optiquement (OSL) pour les terrasses les plus récentes (Mercier 2008). La méthode par transfert thermique (TTL) a donné récemment des résultats qui suggèrent que cette technique peut être appliquée à des sédiments très anciens, de l’ordre du million d’années (Wang et al. 2006).

7Enfin, l’utilisation des radionucléides cosmogéniques (Al, Be) appliqués à la préhistoire a démontré des capacités à dater des sites très anciens comme la Sima del Elefante à Atapuerca en Espagne par la méthode dite d’enfouissement (Carbonell et al. 2008), mais aussi le site de Toumaï pour lequel des âges de l’ordre de 5 à 7 Ma ont été obtenus (Lebatard et al. 2008).

8La figure 1 présente le domaine d’applicabilité des principales méthodes de datation utilisées en préhistoire, selon les environnements dans lesquels les sites préhistoriques sont trouvés le plus fréquemment.

Quelques exemples de datation indirecte

9Il est parfois difficile d’établir une relation stratigraphique entre, d’une part, des formations volcaniques, carbonatées qui peuvent être datées avec une grande fiabilité, et d’autre part, le remplissage archéologique contenant les témoignages d’occupation humaine. À Dmanissi en Géorgie, la datation par les méthodes à l’argon du basalte, sur lequel repose le remplissage archéologique qui contient les plus anciens restes d’hominidés d’Eurasie, a donné un âge maximum de 1,85 Ma (Gabunia et al. 2000). La combinaison avec les données paléomagnétiques et une nouvelle datation par Ar/Ar de verres prélevés dans les cendres volcaniques sus-jacentes a confirmé la présence des hommes au cours de la fin de l’événement d’Olduvai, vers 1,81 Ma (Garcia et al. 2010) (fig. 2). Cette méthode donne accès à des datations très anciennes pour le Quaternaire et permet aujourd’hui, grâce aux améliorations des techniques, de fournir des âges très récents, de l’ordre de la dizaine de milliers d’années (Lippolt et al. 1990).

Fig. 2 – Vue de la coupe stratigraphique du site de Dmanissi (Géorgie). Un remplissage composé de dépôts fluviatiles, éoliens comprenant des zones carbonatées qui se sont déposées rapidement préservant ainsi les restes humains et les artefacts de faune et d’industrie associés. Ce remplissage repose sur un basalte très frais et peu altéré. Entre les deux, une cendre épouse la forme du basalte. Les deux dernières formations sont bien datées (© J. Gagnepain, 2000).

Fig. 3 – Courbes de croissance et calcul de la paléodose pour le quartz pour lequel la dose correspondant à la partie blanchie doit être soustraite (Dresid.) à la dose totale pour obtenir la dose archéologique ou paléodose (P).

10Les planchers stalagmitiques, lorsqu’ils contiennent plus de 95 % de calcite, sont des formations qui s’apparentent à des systèmes clos vis-à-vis de l’incorporation de l’uranium. Leur datation par les séries de l’uranium fournit des dates précises et fiables quand il n’y a pas ou très peu de thorium exogène (venant des argiles, qui peuvent être incluses ou associées). La caune de l’Arago est un cas d’exemple où un épais pilier stalagmitique a été daté de plus de 350 000 ans pour sa partie la plus ancienne, permettant ainsi de confirmer la grande antiquité des restes humains fossiles trouvés dans les sols d’occupation humaine situés stratigraphiquement sous ce pilier (Falguères et al. 2004).

11L’analyse par ESR des grains de quartz blanchis issus des sédiments a permis la datation de nombreuses formations fluviatiles et des sites préhistoriques qui leur sont associés. Le centre aluminium (utilisé en ESR) est blanchi par les rayons UV du soleil au cours de la phase de transport des grains (éolienne, aqueuse). Cependant, ce blanchiment est incomplet et il faut soustraire la dose résiduelle – qui correspond à la partie non blanchie – à la dose totale (géologique) afin d’obtenir la dose correspondant à l’âge du dépôt. L’évaluation de la dose résiduelle se fait en réalisant une expérience de blanchiment en laboratoire au moyen d’une lampe reproduisant une partie du spectre solaire sur l’aliquote « naturelle » (non irradiée artificiellement) (Voinchet et al. 2004) (fig. 3). La vallée de la Creuse présente un système de terrasses alluviales dont l’étagement couvre toute la période du Quaternaire, soit environ les deux derniers millions d’années (fig. 4) et dont la datation est une bonne illustration du potentiel de la méthode ESR. De plus, un nombre conséquent de sites préhistoriques ont été découverts dans les formations fluviatiles fossiles, en particulier de nombreux artefacts d’industrie archaïque sur galet constituée de choppers, chopping-tools, denticulés et racloirs. Le témoin fluviatile le plus ancien qui s’est déposé environ 115 m au-dessus de la vallée actuelle a été daté entre 1 et 1,2 Ma. Puis, on trouve en descendant sur le versant de la vallée, la formation contenant Pont-de-Lavaud (PL), un site de plein air installé sur les dépôts fluviatiles d’une berge de rivière d’une très haute terrasse fossile, située environ 100 m au-dessus du niveau actuel de la rivière. Cette formation est datée entre 0,96 et 1,05 Ma, ce qui en fait l’un des plus anciens sites préhistoriques aujourd’hui connus en Europe occidentale. Des terrasses plus basses ont donné des âges de 570 et de 420 000 ans. Enfin, la formation la plus récente correspond à la terrasse la plus basse qui est située à 15-25 m audessus du niveau de la rivière actuelle, mais qui se trouve sous les eaux après la construction de plusieurs barrages dans la région (Despriée et al. 2010).

12Dans le même type d’application, la luminescence permet d’obtenir, grâce au phénomène de transfert thermique (TT-OSL, Re-OSL), des points de repère chronologiques sur tout le Pléistocène moyen. C’est le cas du site de Bonneval où de nombreux outils lithiques du Paléolithique inférieur ont été trouvés au sein d’une séquence de 6 m d’épaisseur où se succèdent des couches de lœss et des paléosols correspondant à une stabilisation végétale durant les périodes interglaciaires. Plusieurs échantillons prélevés le long de la séquence ont été datés entre 100 000 et 450 000 ans, ce qui s’accorde avec les autres données chronologiques indépendantes (Sun et al. 2010).

Fig. 4 – Ages ESR obtenus pour les différentes terrasses de la vallée de la Creuse, qui s’étagent sur la quasi-totalité du Quaternaire (environ 2 millions d’années). Les âges sont donnés avec un sigma d’erreur. Le site de Pont-de-Lavaud a un âge moyen de 1,1 ± 0,15 Ma (ka : milliers d’années) (d’après Voinchet 2002).

13Enfin, récemment plusieurs sites préhistoriques prestigieux ont fait l’objet de datation par les nucléides cosmogéniques. Sous certaines conditions d’enfouissement et de conservation des sédiments, ces éléments peuvent permettre la datation de sites très anciens. En 2007, une hémi-mandibule a été découverte dans les couches inférieures de la Sima del Elefante, à Atapuerca (Espagne). La méthode d’enfouissement utilisant l’aluminium (26Al) et le béryllium (10Be), a donné un âge de 1,3 à 1,1 Ma, en accord avec le paléomagnétisme et la biochronologie, conférant à cette mandibule la plus grande ancienneté en Europe occidentale (Carbonell et al. 2008).

Datation directe des couches contenant une occupation humaine

14Les échantillons tels que les dents de grands herbivores et les silex chauffés, trouvés dans les couches archéologiques, permettent une datation directe des occupations humaines. La datation combinée par ESR et par les séries de l’uranium de l’émail dentaire fossile a engendré le développement de la modélisation de l’incorporation de l’uranium dans les tissus dentaires qui varie selon la constitution de l’émail bien cristallisé d’une part, et de la dentine et du cément plus riches en eau et en matière organique d’autre part.

15La solution « idéale » est de dater directement les fossiles humains, ce qui permet de s’affranchir de tout contexte stratigraphique. La spectrométrie gamma à bas bruit de fond et à haute résolution est non destructive et elle autorise donc la mesure directe d’échantillons très précieux tels que les restes humains fossiles. Cette méthode, utilisée pour la première fois sur le crâne de l’Arago, Arago XXI (Yokoyama et Nguyen 1981) n’est pas précise et les âges proposés s’accompagnent d’un domaine d’erreur très large car un tout petit nombre de désintégrations radioactives est associé à des émissions gamma. Deux crânes d’Homo erectus évolués trouvés sur les terrasses de la rivière Solo ont fait l’objet de datation utilisant la spectrométrie gamma et ont donné des âges modélisés compris entre 40 et 70 000 ans (fig. 5). Ces résultats suggèrent que l’homme de la Solo a pu être contemporain des premiers Homo sapiens présents en Asie du Sud-Est (Yokoyama et al. 2008).

Fig. 5 – En haut, vue du crâne de l’homme de la Solo (Ngandong, NG7) reposant sur un détecteur de germanium à bas bruit de fond et à haute résolution pour effectuer une mesure par spectrométrie gamma. En bas, un spectre gamma représentant les principaux pics mesurés entre 50 et 100 keV utilisés pour la datation.

16La datation combinée (ESR-U/Th) de dents de grands mammifères est destructive mais permet d’obtenir des âges accompagnés de domaines d’erreur plus restreints et présentant une meilleure reproductibilité. La difficulté principale réside dans la compréhension de l’histoire de l’incorporation de l’uranium par les tissus au cours du temps. Pour ce faire, l’utilisation de modèles mathématiques décrivant l’évolution de l’incorporation post-mortem d’uranium dans les échantillons a été mise au point (Grün et al. 1988). En revanche, le lessivage de l’uranium dans les tissus dentaires ne peut pas être modélisé.

17Récemment, la méthode a été appliquée à des dents d’herbivores du site allemand de Maüer (Wagner et al. 2010). Les âges combinés, en accord avec ceux obtenus par Radiofluorescence infrarouge (IR-RF), datent la couche ayant livré la mandibule de Maüer qui a servi à définir Homo heidelbergensis, de 609 ± 40 000 ans (âge moyen). La figure 6 montre les âges IR-RF (cercles) et les âges ESR-U/Th (carrés).

18Cette méthode est dans l’ensemble relativement précise pour les périodes comprises entre 300 et 600 000 ans. Elle permet par exemple de proposer une chronologie claire pour l’installation de la culture acheuléenne en Europe. La figure 7 indique quelques sites acheuléens importants d’Europe occidentale datés du Pléistocène moyen (Falguères et al. 2010). Quelques tentatives ont été faites pour dater des sites du Pléistocène inférieur du bassin d’Orce à Venta Micena (Duval et al. 2011). Les résultats suggèrent une chronologie contemporaine du Pléistocène inférieur malgré une reproductibilité assez pauvre due essentiellement à des problèmes de mesures de la dose externe qui peuvent induire une sous-estimation assez importante des âges en dépit des efforts analytiques qui ont été entrepris sur les échantillons.

19Le développement de la spectrométrie de masse a permis de réaliser depuis quelques années des progrès considérables dans la précision des dates mais également dans la dimension des échantillons à « détruire ». Il est possible désormais de prélever un fragment de dent humaine et de faire des analyses avant de recoller le fragment sur la dent de façon quasiment non invasive. Plusieurs restes fossiles humains tels que ceux provenant des sites de Banyoles et Border cave ont ainsi été datés en combinant ESR et LA-ICPMS (Grün 2006).

20Les autres échantillons qui permettent de dater directement des couches d’occupation humaine sont les silex chauffés. Un grand nombre de sites a été daté avec précision par la thermoluminescence (TL). Les résultats les plus significatifs ont permis de proposer une chronologie précise pour la plupart des sites du Proche-Orient tels que Tabun, Skhul, Qafzeh et Kebara ainsi que des sites français très importants comme Saint-Césaire et le Moustier (Mercier et al. 1995).

Fig. 6 – Âges IR-RF (carrés) et âges ESR-US (cercles), avec un sigma d’erreur, des échantillons provenant du site de Maüer (Allemagne) (d’après Wagner et al. 2010).

Conclusion

21Les progrès réalisés dans le domaine de la spectrométrie de masse et dans celui de la géochimie isotopique permettent aujourd’hui d’appréhender la chronologie de l’évolution humaine de façon plus précise et de s’enfoncer un peu plus au sein de la période du Quaternaire. Ainsi, il devient possible d’obtenir des points de repère importants sur les sites du Pléistocène inférieur qui sont trop peu nombreux pour ne pas considérer ces résultats comme intéressants, même s’ils manquent encore de précision et si leur reproductibilité est encore insatisfaisante. Les méthodes telles que le paléomagnétisme et la biochronologie permettent d’obtenir des contrôles et des points de repère très importants lorsqu’ils sont confirmés par des dates « absolues ».

22En revanche, les données radiométriques obtenues sur le Pléistocène moyen sont plus nombreuses et plus précises. La possibilité de comparer les résultats obtenus à partir de plusieurs méthodes sur un même site est en général facilitée par le fait que certaines ont un domaine d’applicabilité commun, les progrès récents ont permis de repousser les limites aux portes du Pléistocène inférieur. Le croisement des méthodes contribue de façon significative à la crédibilité des résultats obtenus et ainsi de considérer les disciplines liées à la chronologie comme un parent à part entière dans l’approche pluridisciplinaire de l’étude de l’évolution de l’homme et de ses comportements.

Fig. 7 – Carte des différents sites acheuléens datés et dont la latitude est comprise entre 40 et 45°. Atapuerca Galeria et la Sima de los Huesos sont datés par une chronologie fondée sur la thermoluminescence et sur les séries de l’uranium et publiées par Berger et al. 2008 et Bischoff et al. 2007, respectivement (d’après Falguères et al. 2010).

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Domaine d’applicabilité des principales méthodes de datation utilisées pour la chronologie de la période du Quaternaire. Les trois colonnes correspondent aux différents types d’environnement dans lesquels les sites préhistoriques sont trouvés en Europe (d’après Falguères et al. 2010).
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Légende Fig. 2 – Vue de la coupe stratigraphique du site de Dmanissi (Géorgie). Un remplissage composé de dépôts fluviatiles, éoliens comprenant des zones carbonatées qui se sont déposées rapidement préservant ainsi les restes humains et les artefacts de faune et d’industrie associés. Ce remplissage repose sur un basalte très frais et peu altéré. Entre les deux, une cendre épouse la forme du basalte. Les deux dernières formations sont bien datées (© J. Gagnepain, 2000).
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Légende Fig. 3 – Courbes de croissance et calcul de la paléodose pour le quartz pour lequel la dose correspondant à la partie blanchie doit être soustraite (Dresid.) à la dose totale pour obtenir la dose archéologique ou paléodose (P).
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Légende Fig. 4 – Ages ESR obtenus pour les différentes terrasses de la vallée de la Creuse, qui s’étagent sur la quasi-totalité du Quaternaire (environ 2 millions d’années). Les âges sont donnés avec un sigma d’erreur. Le site de Pont-de-Lavaud a un âge moyen de 1,1 ± 0,15 Ma (ka : milliers d’années) (d’après Voinchet 2002).
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Légende Fig. 5 – En haut, vue du crâne de l’homme de la Solo (Ngandong, NG7) reposant sur un détecteur de germanium à bas bruit de fond et à haute résolution pour effectuer une mesure par spectrométrie gamma. En bas, un spectre gamma représentant les principaux pics mesurés entre 50 et 100 keV utilisés pour la datation.
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Légende Fig. 6 – Âges IR-RF (carrés) et âges ESR-US (cercles), avec un sigma d’erreur, des échantillons provenant du site de Maüer (Allemagne) (d’après Wagner et al. 2010).
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Légende Fig. 7 – Carte des différents sites acheuléens datés et dont la latitude est comprise entre 40 et 45°. Atapuerca Galeria et la Sima de los Huesos sont datés par une chronologie fondée sur la thermoluminescence et sur les séries de l’uranium et publiées par Berger et al. 2008 et Bischoff et al. 2007, respectivement (d’après Falguères et al. 2010).
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Auteur

Directeur de recherche au CNRS, dirige le laboratoire Histoire naturelle de l’homme préhistorique (UMR 7194) associé au département de Préhistoire du Muséum national d’histoire naturelle. Ses recherches portent sur le peuplement ancien de l’Eurasie qu’il aborde principalement sous l’aspect de la chronologie et des voies de migration. C’est un spécialiste des méthodes de datation par résonance de spin électronique (ESR) et par les séries de l’uranium (U-Th).

© CNRS Éditions, 2012

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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