Thermal characterisation of combustion structures by the heating effect on minerals: thermoluminescence and magnetic properties of hearths from the cave of Les Fraux (Dordogne, France).
Caractérisation thermique de structures de combustion par les effets de la chauffe sur les minéraux : thermoluminescence et propriétés magnétiques de foyers de la grotte des Fraux (Dordogne)
Résumé
Studying combustion structures, which represent direct evidence of human occupation, can provide insights about the periods and nature of occupation and utilisation of archaeological sites. This research aimed to supplement existing approaches to combustion structures based on typological descriptions of hearths, analysis of fuel residues, and consideration of the frequency of use by thermal characterisation using physical methods. This study deals with the thermal impacts recorded by fired sediment, and the ways in which modifications of both thermoluminescence (TL) and magnetic properties can be used to understand the thermal history of such remains. The laboratory‐site is the cave of Les Fraux (Dordogne, France) which was occupied in the Bronze Age. Archaeologists were wondering about the function and mode of occupation of this cave which exhibits both domestic vestiges (archaeological occupation grounds, hearths, and ceramics) and symbolic remains (rock art and votive ceramic deposition). Considering the significant number of hearths, more than sixty, and their importance in the human occupation, a specific study of the combustion structures was undertaken. Since the cave remained closed since the Bronze Age, the hearths are in an excellent state of preservation, thus offering important opportunities for archaeometric study. The thermal characterisation of hearths from the cave of Les Fraux firstly consisted in investigating the paleothermometric potential of two properties: the thermoluminescence of sedimentary minerals and the magnetism of iron oxides taken from the sediments. A TL paleothermometer was established by comparing TL signals of samples from archaeological hearths and those of thermal references heated in laboratory. Two properties were explored for the magnetic paleothermometer: the unblocking temperatures of remanent magnetisation and the evolution of magnetic signature (mineralogy and grain size) with heating. Paleotemperatures determined for the sediment from the hearths provided initial information about the intensity of their associated fires. Experimental fires were carried on a series simulated hearths to calibrate paleothermometric data relative to the quantities of energy and wood consumed under controlled conditions, to verify the validity of the laboratory thermal reference procedures, and to characterise the process of heat transfer inside the sediment. Finally numerical modeling of heat propagation within idealised sedimentary structures was undertaken, using thermal data recorded from the experimental hearths. The numerical simulations performed in this model allowed the minimal duration of functioning of the combustion structures to be estimated. Combined with the palaeotemperature estimates this allows energy expenditure to be assessed. The combination of thermoluminescence and magnetic characterisation of sedimentary hearth structures from archaeological sites, coupled to numerical analysis of heat transport, provides a novel tool to supplement existing approaches to understanding combustion structures in the past.
Les structures de combustion constituent un témoin de la fréquentation humaine et leur étude permet d'appréhender un aspect du mode d'occupation d'un lieu donné. Ainsi, pour compléter les approches classiques qui s'intéressent à la typologie des foyers, à la fréquence des feux, à la nature des combustibles, etc., une caractérisation thermique de ces structures a été proposée. Elle s'appuie sur les impacts thermiques enregistrés par les sédiments soumis aux feux et s'intéresse plus précisément à la manière dont les modifications des propriétés de thermoluminescence (TL) et de magnétisme avec la chauffe pourraient être utilisées pour comprendre l'histoire thermique de ces vestiges. Le site‐laboratoire est celui de la grotte de Fraux (Dordogne), occupée à l'Âge du bronze. Les archéologues s'interrogent sur son statut et son mode d'occupation puisqu'elle présente tant des vestiges domestiques (sols de circulation, foyers, mobiliers) que des vestiges symboliques (manifestations pariétales, dépôts de mobilier). La place importante des foyers parmi ces vestiges a induit une étude spécifique de ces structures. En effet, ce site recèle plus d'une soixantaine de structures de combustion et, aspect important pour notre approche archéométrique, présente un état de conservation exceptionnel puisque la grotte est restée fermée depuis l'occupation de l'Âge du bronze. L'étude de certains foyers de la grotte des Fraux a permis de tester le potentiel de paléothermomètres fondés sur deux propriétés indépendantes : la TL des grains de quartz et le magnétisme des oxydes de fer contenus dans les sédiments. Le paléothermomètre TL a été élaboré en comparant les signaux TL d'échantillons provenant de foyers archéologiques à ceux de références thermiques chauffées en laboratoire. Pour le magnétisme deux pistes ont été exploitées : les températures de déblocage de l'aimantation rémanente et l'évolution de la signature magnétique (minéralogie et taille de grain) avec la chauffe. La détermination des paléotempératures atteintes par les sédiments substrats des structures de combustion apporte une première indication sur leur intensité de chauffe. Afin d'étalonner ces informations paléothermométriques en termes de dépense énergétique, des feux expérimentaux ont été réalisés. Ils ont permis de comparer les impacts thermiques entre feux archéologiques et feux expérimentaux, de construire un échantillonnage d'histoire thermique connue, mais aussi d'estimer les températures atteintes, les épaisseurs de sédiments affectés, les quantités de combustibles consommés pendant un temps donné... Ces expérimentations ont aussi servi de base à une modélisation de la propagation de la chaleur dans les sédiments. Les simulations effectuées dans ce modèle numérique permettent alors d'estimer un temps minimal de fonctionnement des structures de combustion. Combinée avec les paléotempératures, cette information permet une évaluation de l'énergie mise en jeu. Le couplage de la caractérisation TL et magnétique de sédiments des foyers archéologiques ainsi que de la modélisation numérique des transferts de chaleur, fournit un nouvel outil complémentaire des approches existantes pour comprendre les foyers archéologiques.
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