La datation du fer par le radiocarbone : méthodologie et applications

La datation par le carbone 14 est certainement la méthode la plus répandue pour construire des chronologies sur les 40 000 dernières années. Alors que les restes organiques tels que le bois, le charbon, les végétaux ou les ossements demeurent les supports privilégiés des datations radiocarbone en archéologie, des matériaux complexes comme le fer peuvent constituer des solutions alternatives et/ou complémentaires pour produire des jalons chronologiques aux activités humaines. Les alliages ferreux anciens présentent néanmoins quelques écueils pour la datation radiocarbone comme une faible teneur en carbone (< 0,8 %), une grande hétérogénéité de structure et diverses possibilités de contaminations.  Depuis 10 ans, le LMC14 et le LAPA développent une méthodologie spécifique basée sur une analyse approfondie du matériau ferreux (observations métallographiques et analyses élémentaires) qui permet un choix éclairé de la zone de prélèvement. Un protocole rigoureux d’échantillonnage et d’extraction du carbone permet ensuite d’éliminer les risques de contamination. Cette communication détaille les différents aspects de la méthodologie et s’appuie sur deux études d’objets en fer – les barres des épaves des Saintes-Maries-de-la-Mer et les renforts en fer de la Sainte-Chapelle à Paris – pour souligner l’importance d’une collaboration entre archéologues, archéométallurgistes et dateurs.

Radiocarbon Dating of Iron: Methodology and Applications

Carbon-14 dating is certainly the most widespread method for constructing chronologies over the past 40,000 years. While organic remains such as wood, charcoal, plants, or bones remain the preferred materials for radiocarbon dating in archaeology, complex materials like iron can provide alternative and/or complementary solutions for establishing chronological markers in human activities. However, ancient ferrous alloys present some challenges for radiocarbon dating, such as low carbon content (< 0.8%), significant structural heterogeneity, and various possibilities of contamination. Over the past 10 years, LMC14 and LAPA have developed a specific methodology based on thorough analysis of ferrous materials (metallographic observations and elemental analyses), which allows for informed selection of sampling areas. A rigorous protocol for carbon sampling and extraction subsequently eliminates contamination risks. This paper details various aspects of the methodology and draws on two studies of iron objects – the bars from shipwrecks at Saintes-Maries-de-la-Mer and iron reinforcements from the Sainte-Chapelle in Paris – to underscore the importance of collaboration among archaeologists, archaeometallurgists, and daters.

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Retranscription de la communication

Diapositive 1 : Je m’appelle Emmanuelle Delqué-Količ. Je travaille avec Lucile Beck et toute l’équipe du LMC14 (donc pas très loin), pour faire de la datation par le carbone 14. Là je vais vous présenter une application originale qu’on a développée depuis plusieurs années avec le LAPA qui est situé aussi au CEA de Saclay, en particulier Stéphanie Leroy, qui est donc la datation radiocarbone du fer. Alors c’est vrai qu’on connaît le carbone 14 sur des matériaux organiques naturels tels que le bois, le charbon, mais aussi sur les ossements, mais on le connait moins sur ce type d’objets, des objets fabriqués par l’homme. Avec le développement des AMS et des toutes petites quantités nécessaires et bien voilà, le carbone 14 a pu étendre sa panoplie de matériaux mesurés et le fer en fait partie.

Diapositive 2 : Je vais commencer par vous dire quel est le principe, finalement, comment le fer est datable? En fait, le fer est fabriqué à partir du minerai de fer. Jusqu’au XIIIe siècle, l’opération se passe dans des bas fourneaux en présence de charbon, donc bien sûr à haute température, mais en dessous de la température de fusion du fer. La réaction de réduction va produire une masse ferreuse qu’on appelle une “loupe de fer” et des scories (déchets) qui sont constituées de tous les composés non réduits lors de la réaction (issues du minerai). La loupe de fer va permettre de fabriquer des objets après épuration et compactage de la masse ferreuse. Si on y regarde de plus près, au cœur de ces objets, on a une microstructure qui est très hétérogène : principalement du fer mais aussi d’autres éléments issus du minerai de fer et, également, du carbone qui va être réparti dans la matrice sous forme de carbure de fer et qu’on appelle de la “cémentite”. Alors, comment ça se passe? Et bien, le carbone du charbon de bois va, au moment de la réaction, diffuser dans la masse métallique. Encore une fois, je vous rappelle qu’il n’est pas sous forme liquide, mais qu’il va diffuser sous forme solide dans la masse métallique, et c’est de cette façon qu’on va pouvoir dater par le carbone 14. En datant le métal, on va dater la période de fabrication de ce métal ; mais attention car on a affaire à un matériau qui est particulièrement hétérogène dans sa microstructure, mais également dans la répartition du carbone. Et on a globalement une teneur moyenne en carbone qui va être très faible, comprise entre 0,02 et 0,8 % de carbone.

Diapositive 3 : Il y a une dizaine d’années environ, on a mis en place une méthodologie qui permet de fiabiliser la datation du fer. Ce protocole commence par une caractérisation du matériau qui est faite de différentes façons. Une première observation est métallographique : l’objet va être découpé, poli. Il va être soumis à une attaque au nital de façon à observer la distribution des carbures de fer, de la cémentite, dans la coupe qui a été faite, et d’évaluer à peu près la teneur en carbone. Il va permettre aussi de repérer les lignes de soudure et, grâce à cela, de voir si on a peut-être du métal recyclé dans cet objet. Une analyse chimique élémentaire des inclusions de scories qui sont restées piégées dans la structure (parce que, comme je vous l’ai dit, on a affaire à un matériau qui est quand même très hétérogène), va permettre de voir si on a plusieurs masses ferreuses d’origine éventuellement différentes et qui pourraient aussi être d’âge différent. Elle va également permettre de voir si un fondant est utilisé, en particulier le carbonate de calcium qui pourrait nous déranger puisqu’il contient aussi du carbone.

Diapositive 4 : Une fois qu’on a fait cet examen du matériau et qu’on a repéré les zones qui sont les plus carburées, on va pouvoir faire un prélèvement dans ces zones là, précisément sur la coupe à étudier. Ce prélèvement va être fait grâce à des forets de 2 à 3 mm de diamètre, dépendant de la taille des zones qu’on a prélever dans la cémentite, les zones les plus carburées. Les copeaux de fer sont ensuite soumis à une combustion de façon à en extraire le carbone sous forme de CO2. Ce dioxyde de carbone va être transformé en carbone solide, en graphite, de façon à former une pastille qui va pouvoir être mesurée dans notre accélérateur ARTEMIS. La date en BP pourra être ensuite calibrée.

Diapositive 5 : Après avoir posé le principe, je vais vous présenter deux exemples parmi toutes les études qu’on a déjà réalisées avec ce matériau. Je vais commencer par les épaves des Saintes-Maries-de-la-Mer, en Méditerranée, localisées à l’embouchure d’un ancien bras du Rhône. Ces 45 épaves découvertes dans les années 80 par Luc Long, comportent divers types de cargaisons : des amphores, des blocs de marbre, mais aussi, pour une dizaine d’entre elles, des barres de fer.

Diapositive 6 : Pour ces bateaux, qui contenaient uniquement des barres de fer, on estime à plus de 500 tonnes la masse de fer qui a été retrouvée. C’est particulièrement intéressant. C’est vraiment une découverte exceptionnelle qui a permis d’observer la circulation des matières et des objets dans ces zones à l’époque antique.

Diapositive 7 : Une étude a été menée par Gaspard Pagès sur l’ensemble de ces barres de fer. L’analyse des fers par métallographie et par analyse chimique a été menée sur la plupart de ces épaves. Il a pu observer qu’on avait une standardisation de la production de ces barres avec des types morphologiques qui correspondaient à différentes qualités de métaux.

Diapositive 8 : De la même façon, il a étudié la provenance par des analyses chimiques, en recoupant avec des sites de production connus pour l’époque au niveau de la Gaule. On verra, tout à l’heure, comment ces études de provenance ont pu finalement bien correspondre avec les études chronologiques réalisées.

Diapositive 9 : Pour la chronologie on a effectivement quelques indices qui sont plus ou moins épars et associés avec les embarcations ; ils situent la chronologie entre le Ier siècle avant Jésus-Christ et le Ier siècle après Jésus-Christ. On voudrait tout de même préciser la durée de ce commerce maritime, voir quand il commence et quand il finit.

Diapositive 10 : On a réalisé 34 datations sur 7 épaves à partir de différentes barres et on observe toute une série de datations avec un début en 300 avant Jésus-Christ, et puis les dernières datations qui se terminent autour de 215. Un ensemble, évidemment, qui est en accord avec la période attendue du Ier siècle avant au Ier siècle après Jésus-Christ. Mais on observe quand même des datations un peu plus anciennes. Est-ce qu’on a ici un effet de la courbe de calibration ?

Diapositive 11 : C’est quelque chose qu’on a pu étudier. Pour chaque embarcation, on a combiné les dates pour chaque barre, de façon à améliorer la précision et éviter ces effets de plateau en précisant les dates. Ainsi, on a pu définir une phase de circulation de l’ensemble de ces embarcations et proposer un début de cette circulation entre 255 et 102 avant Jésus-Christ, et peut-être une fin de circulation entre le milieu du Ier siècle et le IIe siècle. Donc, finalement, peut-être une période de circulation plus longue que celle qu’on attendait.

Diapositive 12 : Ce qui est intéressant, si on met en regard les études de provenance qui ont été faites sur ces barres et qu’on les compare avec les zones de production de fer qu’on connaît à cette époque en Gaule, on se rend compte que les barres des bateaux SM6 et SM9 sont produites dans le nord de la Gaule et de la Wallonie. Et pour les embarcations SM2 et SM10, le fer provient de la Montagne Noire, ce qui est tout à fait cohérent avec ce qu’on connaît de la production du fer à l’époque. En effet, on sait qu’on a au nord de la Gaule, dès la protohistoire, une production de fer qui va être de plus en plus active et très forte au début du IIe siècle. Ce qui est tout à fait cohérent avec ces embarcations qui sont datées, pour les plus anciennes, du début du IIe siècle. Alors qu’au niveau de la Montagne Noire, dans le sud de la Gaule, on a là une production qui va s’installer et rapidement prendre son essor à partir du milieu du Ier siècle avant Jésus-Christ. Là on fait donc vraiment concorder la chronologie avec toutes les données qu’on a accumulées à la fois archéologique et les données de provenance qui ont été acquises à partir des barres.

Diapositive 13 : Le deuxième exemple que je prendrai est celui du fer des églises gothiques, sur lequel on travaille depuis plusieurs années. Ce sont des recherches qui sont menées par Maxime L’Héritier et Philippe Dillmann. On a découvert que, dans ces édifices gothiques, on a plusieurs tonnes de fer sous forme d’agrafes, de crochets qui servent à renforcer la structure ; ils sont disposés au niveau de la structure mais aussi au niveau des vitraux. La question posée et de savoir si le fer a été mis en place dès le début de la construction (conception par les bâtisseurs) ou s’il a été mis en place lors des différentes étapes de modification ou de restauration des édifices.

Diapositive 14 : Je prendrai l’exemple de la Sainte-Chapelle, construite par Saint-Louis entre 1240 et 1248 après Jésus-Christ, qui servait à abriter les reliques ramener de la croisade. On a deux niveaux : la chapelle haute (celle qu’on connaît finalement le mieux) et la chapelle basse qui est juste au-dessous, sous la forme d”une crypte.

Diapositive 15 : On a réalisé des datations sur des barlotières, des barres qui tiennent les vitraux. On a réalisé deux datations sur une petite pyramide qui a été prélevée bien sûr au niveau de la barre (à un moment où les vitraux étaient restaurés), puisqu’il n’était évidemment pas question de retirer la barre du vitrail. On obtient une datation tout à fait en accord avec la période de construction et qui signifie que ces barres ont été placées et pensées dès le début de la construction.

Diapositive 16 : La chapelle basse est située sous la chapelle haute de la Sainte-Chapelle. C’est un édifice beaucoup plus petit, très coloré, très décoré et où on a un système de nef avec des bas-côtés. Les arches sont renforcées par des tirants sur deux niveaux. Il a fallu cette fois-ci faire des prélèvements in situ, avec installation d’échafaudages. On est venu avant l’ouverture et on a mis en place un système qui nous a permis de poncer les barres, de faire les attaques au nital et ensuite de prélever directement au niveau des barres. Il n’était pas question de pouvoir prélever des échantillons en volume, donc on a prélevé directement dans les copeaux issus du nettoyage, dont je vous ai parlé tout à l’heure.

Diapositive 17 : On a prélevé sur trois barres : une barre située le long de la nef, une barre du cœur et une des barres transverses. On a effectué plusieurs prélèvements (deux par barre). En combinant ces dates, on obtient vraiment une très belle concordance entre ces datations pour ces trois barres et une période qui correspond tout à fait à la période de construction de la Sainte-Chapelle. Ce qui atteste encore une fois que l’emploi du fer était pensé dès le début de la construction.

Diapositive 18 : En conclusion, je vous présente l’état des projets auxquels on a participé, que ce soit donc sur les demi produits ferreux (avec en particulier Marion Berranger, Sylvain Bauvais), l’usage du fer dans le bâti gothique (vous verrez demain une présentation de Mathilde Bernard qui travaille en ce moment sur le fer de Notre-Dame de Paris) et puis, bien sûr, les études réalisées par Stéphanie Leroy, qui est à l’initiative de tout ce travail sur la datation du fer. Elle développe un grand projet en Asie du Sud-est sur les alliages ferreux, le fer dans l’empire khmer et pour lequel on a obtenu de beaux résultats.

Questions/Réponses

La combustion du charbon, au moment de la réduction, va fournir des oxydes de carbone et ce sont ces derniers qui vont réduire, qui vont pénétrer dans le minerai et entraîner les oxydes. Le carbone va rester au sein du cristal qui est formé par le fer. À partir du moment où l’on va commencer à utiliser du charbon de mine, de la houille, on ne peut plus dater puisque là on a un âge du carbone qui est infini. Et cela dépend effectivement des régions.

On a eu quelques datations très ancienne. En réalité, la caractérisation de ce métal permet aussi de voir si le procédé qui a permis de produire le fer est un procédé direct ou indirect. Le procédé direct, qui fait appel aux bas fourneau et qui utilise du charbon de bois, jusqu’à une certaine époque, est favorable et on peut le lire grâce aux inclusions de scories. On peut faire la différence entre le procédé direct et le procédé indirect qui lui, à partir d’un certain moment, va utiliser du charbon de mine. On va donc écarter les fers qui sont produits de façon indirecte car on estime que là on a effectivement potentiellement l’utilisation de charbon de mine.

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Auteurs : Emmanuelle Delqué-Količ (LMC14, LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris-Saclay), Stéphanie Leroy (LAPA-IRAMAT, CNRS, CEA, Université Paris-Saclay), Marion Perron-Poisson (LMC14, LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris-Saclay), Stéphane Hain (LMC14, LSCE/IPSL, CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris-Saclay), Enrique Vega (LAPA-IRAMAT, CNRS, CEA, Université Paris-Saclay), Maxime L’Héritier (Université Paris 8 Vincennes-Saint-Denis, ArScAn CNRS UMR7041), Philippe Dillmann (LAPA-IRAMAT, CNRS, CEA, Université Paris-Saclay), Gaspard Pagès (DAHA de l’Institut Français du Proche-Orient, Ifpo, UMIFRE 6 – CNRS MEAE – UAR 3135), équipe du LMC14

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Pour citer cette communication orale :
DELQUÉ-KOLIČ, Emmanuelle, LEROY, Stéphanie, PERRON-POISSON, Marion, HAIN, Stéphane, VEGA, Enrique, L’HÉRITIER, Maxime, DILLMANN, Philippe, PAGÈS, Gaspard et coll. (2024). La datation du fer par le radiocarbone : méthodologie et applications [communication orale]. Dans L. Beck, M. Bouiron, C. Carpentier, R. Cottiaux, E. Delqué-Količ & S. Féret (dir.), Datations « absolues » en archéologie : actes du 8^e séminaire scientifique et technique de l’Inrap, 3-4 déc. 2024, Orsay. DOI : 10.34692/9d3g-3z17. <hal-04890347>.

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