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Politique de la recherche

L’archéologie et la datation par spectrométriede masse couplée à un accélérateur (Sma)

Christine Oberlin
p. 47-50

Texte intégral

1La mise en service, à Saclay, d’Artemis, spectromètre de masse couplé à un accélérateur entièrement dédié à la mesure du carbone 14 (14C) a, entre autres objectifs, de répondre aux attentes de la communauté archéologique en matière de datations. En effet, la datation par le 14C est de loin la technique la plus connue et la plus utilisée en archéologie. Elle a conduit depuis sa mise au point dans les années 1950, à l’élaboration d’un véritable calendrier carbone 14 retraçant toutes les étapes de l’histoire de l’homme depuis 50 000 ans environ. Elle est devenue un outil essentiel, tant pour les périodes les plus anciennes où les autres moyens d’approche de la chronologie sont rares, que pour les périodes les plus récentes où elle permet souvent de trancher entre plusieurs hypothèses. Avant d’aborder l’apport de la datation 14C par Sma en archéologie, rappelons brièvement quelques principes de base de la méthode et de son application.

Principe

2Le gaz carbonique de l’atmosphère contient une petite proportion de 14C, élément radioactif naturel, c’est-à-dire qui a la propriété de se désintégrer spontanément en donnant un ou plusieurs autres éléments eux-mêmes stables ou radioactifs. Dans la haute atmosphère l’action de neutrons, créés par les rayons cosmiques, sur l’azote (14N) de l’air produit le 14C. Ce nouvel atome s’oxyde rapidement en gaz carbonique (14CO2) et se mêle à celui de l’air des couches les plus basses de l’atmosphère et à celui des eaux continentales et océaniques. Il s’intègre alors au cycle naturel du carbone et est absorbé ainsi par tous les êtres vivants (animaux et végétaux). Sa production dans l’atmosphère se fait de façon continue mais sans accumulation : il se désintègre spontanément pour redonner un atome d’azote. La production de 14C et sa disparition par désintégration s’équilibrent autour d’une faible teneur en 14C conférant une radioactivité naturelle au gaz carbonique de l’atmosphère. Tant que les organismes restent en échange avec ce gaz carbonique, ils présentent cette teneur en 14C. À leur mort, la fixation du radiocarbone cesse et sa concentration dans les matières organiques mortes diminue avec le temps. Il est alors possible, en mesurant le taux résiduel de 14C d’une matière carbonée, de déterminer le temps écoulé depuis sa mort.

Les contraintes d’échantillonnage et de préparation

3Si le principe de la méthode est remarquablement simple et son application générale à toutes les matières carbonées fossiles théoriquement possible, la mise en oeuvre technique et la sélection des échantillons sont un peu moins aisées.

4Le cycle du radiocarbone dans la nature implique en théorie que toute matière carbonée, fossilisée depuis moins de 50 000 ans, contient une quantité de radiocarbone détectable. On pourrait donc effectuer des datations sur une très grande variété d’échantillons puisque le carbone est abondamment répandu dans la nature. Dans la pratique, il ne suffit pas que la matière soit carbonée pour que sa datation soit réalisable et significative. Il faut que trois conditions soient réunies :

  • l’échantillon doit être représentatif de l’évènement archéologique à dater : on ne date pas un échantillon mais un événement archéologique par l’intermédiaire d’un échantillon carboné. Il est donc fondamental que l’un et l’autre soient contemporains : on prélève les charbons d’un foyer pour dater l’activité humaine d’un site. Mais tout échantillon dans une couche archéologique n’est pas forcément contemporain du dépôt de celle-ci : il peut soit provenir de niveaux plus anciens remaniés, soit y avoir été introduit ultérieurement de façon accidentelle. On touche là une des principales difficultés de l’application de la méthode du 14C au site archéologique. Pour illustrer la complexité de ces questions, on peut citer le cas d’une poutre de charpente : sa datation permet de déterminer uniquement quand l’arbre utilisé a poussé. Elle ne permet pas de savoir si la poutre a été réemployée ultérieurement ou, si elle est carbonisée, de dater l’incendie qui a détruit le bâtiment. Elle ne garantit pas d’avantage que les cernes datés correspondent aux événements biologiques les plus proches possible de la confection de la poutre ;

  • le carbone à dater doit pouvoir être facilement isolé : cette condition est remplie pour les matériaux carbonés les plus courants sur les sites archéologiques tels que les charbons de bois et les bois. Des traitements chimiques spécifiques permettent d’éliminer les carbones qui ont pu se déposer postérieurement sur l’échantillon à dater lors de son enfouissement. Pour les os, on extrait la matière organique de l’os (le collagène) lorsque celle-ci est conservée ;

  • le carbone doit provenir exclusivement de la période de formation de la matière carbonée : la plupart des matériaux datables issus des sites archéologiques remplissent cette condition, à l’exception des mortiers de chaux et des tessons de poterie. En effet, dans ces derniers, le carbone peut avoir plusieurs origines et il est actuellement très difficile de sélectionner le carbone à dater. Cette condition n’est pas toujours remplie pour les coquilles, concrétions calcaires et autres matériaux minéraux, car le milieu de leur découverte peut être pollué ultérieurement à leur enfouissement par du carbone dont les propriétés chimiques sont les mêmes que pour les matériaux. On ne peut pas alors les différencier.

Les différentes techniques de mesure

5La teneur en 14C résiduel est déterminée soit par la mesure de la radioactivité de l’échantillon avec des compteurs proportionnels ou des détecteurs à scintillation (datation dite conventionnelle), soit par le décompte du nombre d’atomes de 14C restants (datation par spectrométrie de masse couplée à un accélérateur : datation Sma). La première technique nécessite une masse d’échantillon importante (tableau 1) et un temps de mesure très long pour obtenir une précision statistique suffisante des datations. Par contre, à précision égale, la deuxième technique utilise des échantillons beaucoup plus petits (de l’ordre du milligramme de carbone) et le temps de mesure est beaucoup plus court.

Tableau 1

Mesure du 14C par :

Scintillation liquide

Spectrométrie de masse couplée à un accélérateur

Charbon de bois

5 à10 g

5 à 10 g

Os

100 à 500 g

0,5 à 5 g

Tourbe humide

100-200 g

200-500 mg

Bois sec

10 à 20 g

10 à 100 mg

Durée de la mesure pour une même position

3 jours

1 heure

Comparaison des masses d’échantillon requises et des temps de mesure pour les deux techniques

Evin et Oberlin 2005.

6Les quantités requises ne sont que des quantités données à titre indicatif. Tant qu’un échantillon n’est pas traité et brûlé, on ne peut pas savoir s’il est mesurable ou pas.

La précision des mesures

7Les progrès dans les deux techniques de mesure donnent des résultats équivalents. La précision actuelle des résultats est donc fonction de l’ancienneté de l’échantillon mesuré : plus il est ancien, plus faible est sa teneur en radiocarbone et, par conséquent, plus grande la marge d’incertitude de la mesure. Elle a cependant en vingt ans été réduite d’un facteur de trois à quatre. On obtient maintenant, par compteur ou par Sma, une marge statistique des dates BP (Before Present : avant 1950) de ± 30 à ± 50 ans pour les dix derniers millénaires, ± 200 ans vers 20 000 BP et ± 400 ans vers 30 000 BP.

8Les progrès analytiques ont amené une meilleure précision des résultats, mais ils ne rendent pas obsolètes ceux obtenus dès les débuts de la mise au point de la méthode : les analyses correctement effectuées il y a vingt, trente ou quarante ans sont parfaitement comparables à celles effectuées actuellement. Il est donc injustifié de suspecter une datation parce que la teneur en radiocarbone a été mesurée avec des appareils moins performants. Seule la précision change évidemment, mais la date reste valable.

Le champ chronologique

9Pour les âges les plus récents, la limite de la méthode reste la fin du Moyen Âge. La Sma en ce domaine n’apporte aucune modification.

10Pour les âges les plus anciens, des datations aux environs de 50 000 ans ont rarement été obtenues par les compteurs qui ne permettent pas, en routine, de détecter des âges antérieurs à 40 000 ou 45 000 ans. La principale limitation à l’obtention de date pour les âges très anciens est en fait due à la contamination 14C lors du traitement au laboratoire. Ce taux de contamination est mesuré sur des échantillons témoins indépendants soumis au même protocole de préparation que les échantillons archéologiques, mais dont la teneur en 14C est nulle. Si, en théorie, les deux techniques butent vers les mêmes dates limites, dans la pratique, la Sma paraît cependant plus fiable pour les âges les plus anciens car elle permet de purifier dans de meilleures conditions, les matériaux les plus vieux.

Le traitement des échantillons

11La datation Sma rencontre les mêmes difficultés que la méthode conventionnelle, notamment l’élimination totale de toute contamination de l’échantillon par du carbone étranger. Les traitements chimiques de purification se sont avérés efficaces, dès les années 1960, pour le nettoyage des matières végétales (bois, charbon de bois, tourbe, etc.) ou pour celui des carbonates. Ils sont donc appliqués de la même manière en Sma.

12Les os relativement récents (Holocène) contiennent le plus souvent assez de collagène à extraire dans de bonnes conditions et en quantité suffisante. En revanche, les os plus anciens ou mal conservés, à faible teneur en carbone organique, nécessitent en général une préparation plus élaborée dont la mise en oeuvre est réservée à la Sma.

La datation 14C par Sma

13La mise au point de la technique Sma a permis de réduire de mille fois la quantité nécessaire pour un échantillon de datation et ainsi, elle a étendu les champs d’application de la méthode. Elle permet de dater des échantillons qui ne pouvaient l’être au préalable, soit du fait de leur petite taille, soit du fait de leur rareté qui interdisait toute destruction importante.

14Dans le même temps, elle a permis de reculer la limite d’application de 35 000-40 000 BP à environ 50 000 BP, donc de préciser la chronologie d’un grand pan de la Préhistoire.

15La réduction du poids de l’échantillon nécessaire pour une analyse permet aussi de sélectionner les échantillons les plus caractéristiques des cultures ou des événements étudiés avec les avantages suivants.

Un nettoyage plus rigoureux de certains matériaux

16La réduction du poids de l’échantillon permet un traitement plus sévère pour éliminer les contaminations en carbone étranger, même si les techniques de nettoyage restent les mêmes dans leurs principes. Par exemple, le prétraitement chimique peut entraîner une perte importante de matière carbonée. Dans le cas de la préparation pour une datation Sma, on n’hésite pas à pousser plus loin le nettoyage pour être sûr de ne dater que le carbone originel.

Une meilleure représentativité archéologique des échantillons

17Pour qu’une datation radiocarbone soit utilisable dans une étude archéologique, il ne suffit pas que son matériel soit fiable du point de vue géochimique et que la mesure de sa teneur en radiocarbone ait été correctement faite. Il faut aussi qu’il y ait adéquation entre « l’événement radiocarbone » et « l’événement archéologique » à dater (Van Strydonk et al. 1999).

18Tout l’intérêt d’une datation repose sur la représentativité de l’échantillon analysé. Plus cet échantillon est petit, plus la stratigraphie datée peut être fine. Les phénomènes géologiques qui interviennent dans l’enfouissement des niveaux archéologiques occasionnent souvent des perturbations qui sont quelquefois à l’origine de mélanges d’industries ou provoquent la formation de pseudo niveaux archéologiques à partir d’un assemblage unique (Texier 2001). On peut alors penser que certaines datations faites par la méthode conventionnelle sur des lots d’échantillons récoltés dans l’ensemble d’un niveau ont été affectées par la présence d’éléments intrusifs non identifiés lors du prélèvement : les datations obtenues représentent alors une moyenne chronologique pour plusieurs niveaux. Il est donc intéressant de prélever et de dater séparément des éléments très petits pour pouvoir mieux séparer les événements archéologiques distincts.

19La technique de datation par Sma permet de réviser en affinant certaines stratigraphies qui ont été datées avec une quantité importante de matière carbonée.

Détection de perturbations ou d’intrusions dans un site

20La petite taille des échantillons aide aussi parfois à détecter des perturbations dans les stratigraphies dues à des micro-failles, à des terriers de rongeurs, à des micro glissements de terrains ou à tout autre accident de stratigraphie permettant l’intrusion d’éléments nettement plus récents ou plus anciens dans une couche archéologique (tableau 2). Ces accidents ne peuvent pas être systématiquement détectés lors de la fouille et nombre d’entre eux ont rendu inexplicables des datations.

Tableau 2

Site

Matériel daté

Âge attendu

Âge obtenu

Référence datation

Abri de la Fru

Charbon

14 000 BP

1 285±55 BP

Lyon-926 (OxA)

Abri des Renardières

Os

9 000 BP

29 200±450 BP

OxA-9461 (Lyon-127)

Exemples de mobilité des échantillons dans des niveaux archéologiques (Valladas et al. 2001)

Des échantillons plus petits et plus caractéristiques

21Tant que la mise en oeuvre de la méthode nécessitait plusieurs grammes de carbone, elle excluait tous les objets précieux et, d’une façon générale toutes les expertises d’oeuvres d’art. Les très petits prélèvements permettent maintenant la datation des tissus anciens, des parchemins, des objets d’art en bois, en os ou en ivoire, des peintures pariétales. L’étude chronologique de ces dernières était auparavant surtout fondée sur des données stylistiques et sur la datation des vestiges trouvés à proximité des parois ornées. On a obtenus par la datation directe des pigments organiques utilisés par l’homme préhistorique des résultats qui les situent au Paléolithique (Valladas et al. 2001).

22Cette technique permet maintenant la datation de vestiges caractéristiques comme par exemple :

  • des matériaux à durée de vie très courte (un à deux ans) tels qu’une graine, une coquille carbonisée (noisettes, noix…), une brindille de bois, un cerne de croissance d’arbre, des restes végétaux bien identifiés pour étudier l’évolution du couvert végétal en relation avec l’occupation humaine ;

  • des restes d’une seule espèce animale, pour préciser sa période d’apparition ou de disparition en relation avec un changement climatique ;

  • les très fins encroûtements organiques trouvés sur les tessons de poterie qui permettent de les dater.

23Les deux techniques de datation par 14C, conventionnelle et Sma, sont complémentaires pour l’archéologie qui présente une très grande variété de matériels à dater et des contextes de gisement très variés. Mais la Sma offre surtout la possibilité de dater de très petits échantillons qui peuvent être mieux sélectionnés pour être plus représentatifs des évènements archéologiques à dater.

24L’archéologie peut envisager, avec la Sma, de nouvelles séries d’analyses, soit à partir de matériel qui ne être prélevé en grande quantité, soit à partir d’échantillons sur lesquels on ne peut pratiquer que des micro prélèvements, soit enfin à partir de matériaux plus homogènes.

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Bibliographie

Evin, J. et C. Oberlin. 2005. « La méthode de datation par le radiocarbone », in : La datation en laboratoire. Coll. « Archéologiques », Paris, Errance : 77-119.

Texier, J.-P. 2001. « Processus géologiques de formation des sites préhistoriques et représentativité des datations numériques », in : J.-N. Barrandon, P. Guibert et V. Michel (dir.), Datation. Actes des XXIes rencontres d’archéologie et d’histoire d’Antibes, 19-21 octobre 2000. Antibes, Apdca : 159-175.

Valladas, H. et al. 2001. « Radiocarbon AMS dates for Paleolithic cave paintings », Radiocarbon, 43, 2B : 977-986.

Valladas, H., N. Tisnerat-Laborde et C. Oberlin. 2001. « Datation 14C en spectrométrie de masse et archéologie », in : J.-N. Barrandon, P. Guibert et V. Michel (dir.), Datation. Actes des XXIes rencontres d’archéologie et d’histoire d’Antibes, 19-21 octobre 2000. Antibes, Apdca : 81-91

Van Strydonck, M., D. E. Nelson, P. Crombe, C. Bronk-Ramsey, E. M. Scott, J. Van Der Plicht et R. E. M. Hedges. 1999. « What’s a 14C date ? », in : J. Evin, C. Oberlin, J.-P. Daugas et J.-P Salles (dir.), 14C et Archéologie. Actes du IIIe congrès international « 14C et Archéologie », avril 1998. Lyon, Mémoires de la Société préhistorique française, XXVI et Revue d’Archéométrie, suppl. 1999 : 433-448.

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Pour citer cet article

Référence papier

Christine Oberlin, « L’archéologie et la datation par spectrométriede masse couplée à un accélérateur (Sma) », Les nouvelles de l'archéologie, 107 | 2007, 47-50.

Référence électronique

Christine Oberlin, « L’archéologie et la datation par spectrométriede masse couplée à un accélérateur (Sma) », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 107 | 2007, mis en ligne le 22 avril 2011, consulté le 26 mai 2017. URL : http://nda.revues.org/494 ; DOI : 10.4000/nda.494

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Auteur

Christine Oberlin

Centre de datation par le radiocarbone – Cnrs, Umr 5138, « Archéométrie et Archéologie » – Université Claude Bernard – Lyon-1, 40, bd Niels Bohr, 69622 Villeurbanne Cedex.

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Droits d’auteur

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