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• Monna, F., Lancelot, J., Croudace, I., Cundy, A.B., Lewis, T. (1997) Pb isotopic signature of urban air in France and in UK: Implications on Pb pollution sources. Environmental Science and Technology, 31, 2277-2286. [IF=4,04] pdf

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• Monna, F. (1996) Utilisation des isotopes du Pb dans les études environnementales. Application à l’évolution temporelle et à l’origine des apports en Pb dans l’étang de Thau (Hérault-France). Thèse de doctorat de l’Université de Montpellier II.

1995

• Monna, F., Ben Othman, D., Luck, J.-M. (1995) Pb isotopes and Pb, Zn and Cd concentrations in the rivers feeding a coastal pond (Thau, southern France): constraints on the origin(s) and flux(es) of metals. The Science of the Total Environment. 166, 19-34. [IF=2,36] pdf

1. Les tourbières comme archives de l’histoire de la métallurgie. Il est aujourd’hui assez bien établi que le travail du métal s’est propagé en Europe de l’Est vers l’Ouest, pour simplifier des Balkans vers l’Arc Nord Alpin, et finalement vers la façade atlantique (Gale et al., 1991). Cependant, au delà de ce schéma général, de nombreuses questions subsistent car les découvertes de terrain illustrant la chaîne opératoire métallurgique depuis l’acquisition du minerai jusqu’à sa circulation et son utilisation au cours de la protohistoire sont exceptionnelles. Dans un premier temps, il s’agirait d’identifier les centres de production, même mineurs, ce qui permettrait, par extension, d’établir des réseaux d’échanges, témoins oubliés d’une certaine organisation sociale ou politique.

La tourbière du Col du Bonhomme, Vosges

Si les témoignages matériels de travaux d’extraction ou de transformation du minerai ont le plus souvent disparu dans les reprises d’exploitation postérieures, les bouleversements environnementaux qui les ont accompagnés, tels que la contamination en métaux lourds (Rosman et al., 1997) et les modifications du couvert végétal (Richard et Eschenlhor, 1998), peuvent avoir laissé des traces persistantes dans les environnements superficiels. Il s’agit de sélectionner un objet naturel capable de préserver sur le long terme ces informations, puis de les restituer. Les tourbières possèdent de telles qualités car, contrairement aux sols qui accumulent indistinctement les dépôts atmosphériques dans leurs horizons de surface, les tourbières constituent un lent enregistrement dont la chronologie peut être facilement établie sur la base de datations au radiocarbone réalisées à différentes profondeurs (e.g. Martínez-Cortizas et al., 2002). Si des travaux miniers et métallurgiques conséquents ont bien eu lieu sur le site, parions qu’ils ont engendré des prélèvements massifs en bois. De telles pratiques sont susceptibles d’introduire des bouleversements dans la végétation aux alentours, et en conséquence, des modifications dans la composition de la pluie pollinique enregistrée dans les tourbières.

C’est par la combinaison de ces deux approches (géochimie et paléobotanique) que nous avons choisi d’aborder la question de l’activité minière sur de nombreux sites en France et à l’étranger possédant un fort potentiel minier. Un important travail a déjà été réalisé sur le site de Bibracte en relation étroite avec le Centre Archéologique Européen du Mont Beuvray. Dès 1999, des prospections pédestres menées sur le Mont Beuvray (Morvan) avaient permis de repérer une dizaine de longues tranchées partiellement comblées qui étaient suspectées d’être des minières (Guillaumet et al., 2001). Dans le cadre de la recherche sur les paléométallurgies celtiques sur le Mont Beuvray (resp. C. Petit, financement Centre Archéologique Européen du Mont Beuvray), une première carotte de tourbe a donc été prélevée au lieu-dit « le Port-des-Lamberts » situé à quelques kilomètres au nord de l’oppidum celtique de Bibracte. Son étude a été réalisée en étroite collaboration avec Isabelle Jouffroy et Hervé Richard, Laboratoire de Chrono-écologie, Université de Franche-Comté. Fort de ces résultats publiés dans une revue environnementale généraliste (Monna et al., 2004), et identifiés par le CNRS comme projet innovant, trois nouvelles séquences ont plus récemment été prélevées dans la Nièvre : près d’Arleuf, aux environs de Saint-Agnan, et à Prémery. Ce travail a été effectué par Benoît Forel dans le cadre de sa thèse de doctorat co-dirigée par Claude Mordant et moi-même, financée par l’ACR « Bronze » dir. Jean-François Piningre (conservateur du patrimoine, SRA Besançon) et par un projet de conservation des zones humides de Prémery (dir. Isabelle Jouffroy-Bapicot, Université de Franche-Comté).

Prélèvement d’une tourbière aux alentours de Rosia Montana, Roumanie

Il s’avère que les analyses géochimiques et polliniques confirment le caractère très local des activités minières et métallurgiques puisque les trois séquences fournissent des histoires différentes. S’il s’était agi d’une pollution plus globale, tous les sites auraient fourni approximativement le même profil. Les tableaux ci-dessous récapitulent les actions déjà réalisées sur le même thème et celles en voie d’achèvement.

Actions finalisées sur le sujet

• France
  Morvan: Guillaumet et al. (2000) in Bibracte, Centre archéologique européen, 305-308; Monna et al. (2004) Environ. Sc. Technol., 38, 3, 657-673; Jouffroy-Bapicot, et al. (2008) In Le peuplement de l’arc alpin. Paris, Éd. du CTHS. p. 323-334; Camizuli, et al. (2014) Sci. Tot. Environ. 472, 425-436.
  Pays Basque: Galop et al. (2001) Sud Ouest Européen, 11, 3-15; Galop, et al. (2002) Archeologia Postmedievale, 6, 155-169; Beyrie, et al. (2003) Aquitania, 19, 49-66; Monna et al. (2004) Sc. Tot. Env. 327, 197-214; Carozza, et al. (2005) Doc. Arch. Méridionale. 28, 7-23.
  Pyrénées centrales: Monna et al. En prep.
  Vosges: Forel et al. (2010) J. Geochem. Explor. 107, 9-20
  Synthèse: Jouffroy-Bapicot et al. (2007) Veget. Hist. Archaeobot. 251-258, Jouffroy-Bapicot, et al. (2013) The Holocene, 23, 1888-1902.
• Allemagne: Monna, et al. (2000) J. Geochem. Explor. (68)3, 201-210
• Groenland: Massa et al. (2012) Quaternary Sci. Rev. (32) 119-130.

Actions en cours de finalisation ou en projet

• Jordanie: Paléopollutions / Paléoclimats. Premières métallurgies. Université de Reading (S. Black, C. Rambeau), Université d’Amman, Jordanie.
• Roumanie: Paléopollutions / Paléobotanique. Métallurgie protohistorique de l’or. Université de Toulouse (B. Cauuet, D. Galop, J.-P. Métaillé), Université de Cluje – Roumanie (C. Tamas, I. Tantau).
• Egypte: Paléopollutions dans la baie d’Alexandrie. Université de Genève, Suisse (J. Dominik), Smithonian Institute, USA (J.L. Stanley).

Tourbière dans le désert jordanien

Dans les prochaines années, il s’agira de concentrer l’effort de recherche sur des sites ayant connus des métallurgies précoces afin d’appréhender la dynamique d’occupation des territoires. La Jordanie pourrait constituer un chantier d’étude particulièrement intéressant via des collaborations étroites avec les Universités de Reading (School of Human & Environmental Sciences, Claire Rambeau et Stuart Black) et de Amman (Département de Botanique, Dawud Al-Eisawi), suite aux deux missions de terrain effectuées en 2007 et 2008. Outre cette approche archéologique et paléoenvironnementale, il est également important de cibler des enregistrements situés à des hautes latitudes, comme par exemple au Groenland (coll. Université de Franche-Comté), afin de préciser les modes de dissipation des polluants à grande échelle.  L’identification d’un ou de plusieurs éléments susceptibles de tracer le type de métallurgie (plomb, cuivre ?) qui a pris place dans le passé constitue également un défi que nous devons relever afin d’étendre le potentiel de l’approche paléoenvironnementale. D’après les premiers résultats obtenus, notamment dans le cadre de recherches effectuées dans les Pyrénées Centrales, le bismuth pourrait être un bon traceur de la métallurgie du plomb/argent et posséder les qualités requises assurant l’intégrité du signal géochimique. Tout cela doit néanmoins être vérifié.

2. Persistance des micropolluants dans les sols. Au cours du temps, les sols accumulent indistinctement les polluants déposés par voie atmosphérique dans les horizons de surface. De là, on assiste à une lente migration en profondeur dont on peut, au mieux, observer l’état actuel par la mesure de la distribution des éléments traces métalliques au sein d’un profil de sol. Compte tenu de l’absence de connaissance sur l’évolution de ces distributions dans le passé et du manque de données concernant les flux atmosphériques historiques, il n’est généralement pas possible de modéliser les mécanismes de migration des micropolluants métalliques. Sur le territoire français, il existe pourtant d’importants sites miniers et métallurgiques anciens dont la chronologie est bien connue. Les contaminations générées par ces activités constituent autant d’analogues archéologiques ou historiques susceptibles d’illustrer le comportement des métaux dans les sols à une échelle temporelle (milliers d’années) qui est importante dans l’analyse du risque environnemental sur le long terme.

Le dispositif des 42 parcelles, INRA Versailles

L’objectif est donc d’établir à moyen terme un modèle fidèle et prédictif du transfert des métaux dans les sols naturels. Pour cela il sera nécessaire de confronter les expériences acquises à la fois sur les tourbières et sur les sols. Dans un premier temps, il s’agira d’identifier des tourbières situées à proximité de ces sites miniers, puis de déterminer précisément l’histoire, la magnitude des flux anthropiques des éléments qui n’ont pas subit de migration post-dépôt, et l’évolution temporelle de la signature isotopique en plomb du contaminant. Une fois cette étape réalisée, il s’agira d’identifier, de sélectionner et de caractériser des sols voisins qui n’ont pas été soumis à des phénomènes d’érosion ou de sédimentation, puis d’établir la distribution en éléments traces et majeurs à des échelles pertinentes : celles des horizons, des constituants et des micro-organisations (van Oort et al., 2002). L’application de telles études, en collaboration avec Folkert van Oort de l’INRA de Versailles permettra d’appréhender la séquestration mutuelle carbone-métaux sur le long terme, d’établir la chronologie dans le cas du plomb, et de démontrer le caractère récalcitrant du carbone dans les complexes organométalliques.

Actions finalisées sur le sujet

• Persistance et mobilité des métaux dans les sols: Lévêque et al. (2002) In « Les éléments traces métalliques dans les sols. Approches fonctionnelles et spatiales » INRA Ed. D. Baize & M. Tercé, coord. 375-391.
• Mobilité du plomb dans les sols: Semlali, et al. (2004) Environ. Sc. Technol., 38, 5, 1513-1531
• Mobilité et origine des polluants suivant le type d’agrosystème:  Fernandez, et al. (2008) Environ. Poll. 156, 1083-1091.
• Extractabilité des polluants dans les sols: Labanowski et al. (2008) Environ. Poll., 152, 693-701.
• Mobilité du ¹³⁷Cs dans les sols: Monna et al. (2009) J. Environ. Radioact. 100, 9-16.

Actions en cours de finalisation ou en projet:

• Spatialisation de la pollution des sols: Coll. F. van Oort.

3. Persistance de témoins de l’activité anthropique au sein du patrimoine bâti. Les matières en suspension collectées sur des filtres à des pas de temps plus ou moins longs constituent de bons supports pour étudier la qualité de l’air. Néanmoins, les éléments qui leur sont associés montrent en général une grande variabilité tant en concentration qu’en origine. En milieu urbain, une approche beaucoup plus naturelle consisterait à utiliser directement les façades de bâtiments comme indicateurs de la pollution atmosphérique à laquelle ils ont été soumis depuis leur construction (ou leur éventuel nettoyage). Il est bien connu que l’émission de dioxyde de soufre par l’activité anthropique provoque sur les bâtiments calcaires la cristallisation de gypse (Simao, 2006). Ce gypse incorpore les poussières ambiantes, les suies résultant des combustions et d’autres particules anthropiques d’origines variées, ce qui donne à la façade sa teinte sombre correspondant à la ‘croûte noire’ (Ausset, 1999).

Le lycée Carnot en 1919, Dijon

En 2006, un programme regroupant des spécialistes (géochimie, magnétisme, bâti) issus des Universités de Bourgogne, de La Rochelle, de Paris XII, et de Reims a été initié. Le but était de tester les capacités des façades calcaires à retenir l’information environnementale et à fournir des indications sur la magnitude, l’origine et la dispersion des micropolluants métalliques en milieu urbain. Certains paramètres magnétiques, comme la susceptibilité magnétique, peuvent être utiles pour atteindre cet objectif. En effet, les combustions à haute température produisent des sphérules magnétiques de tailles micrométriques qui sont très concentrées en métaux. Ce matériel magnétique présente l’avantage d’être rapidement et précisément mesurable, de sorte qu’il est susceptible de fournir à bas coût un indicateur de pollution (Sagnotti et al., 2006). Cependant, il n’avait jamais été testé sur le bâti. Cette étude, menée à partir de plusieurs façades du lycée Carnot, construit fin XIXe siècle à Dijon et aujourd’hui très exposé à la pollution urbaine, a fournit des pistes de recherche originales et prometteuses. Il s’avère que les façades calcaires ont conservé des traces de la pollution atmosphérique passée (les émissions liées à l’utilisation de charbon sont par exemple toujours visibles), mais elles peuvent avoir été altérées du fait de l’exposition directe à la pluie ou du micro-ruissellement observé à la surface des pierres de construction ; les particules anthropiques et naturelles étant soumises à des mécanismes de compétition dynamique agissant entre les phénomènes de dépôt/précipitation et lessivage par la pluie.

Grattage de la façade du Parvis St Jean, Dijon

Nous poursuivons actuellement les recherches sur ces ‘géoaccumulateurs’ que sont les façades de bâtiments. Il s’agit maintenant de déterminer plus particulièrement les mécanismes et la dynamique d’accumulation afin de préciser les modalités de conservation des informations géochimiques et magnétiques et l’impact des polluants dans les processus de dégradation du patrimoine bâti. Ce travail sur les mécanismes est d’autant plus important que la nature des polluants émis par l’activité anthropique n’a cessé d’évoluer au cours du XXe siècle. Les attendus sont doubles. D’une part nous espérons tester les potentialités des géoaccumulateurs dans l’évaluation de la qualité de l’air actuelles et passées. D’autre part, déterminer les relations entre accumulation / dégradation de la pierre et origine du polluant afin de proposer des scénarios prédictifs d’altération du bâti.

Action finalisée sur le sujet

• Enregistrement des polluants sur les façades. Lycée Carnot, Dijon: Monna et al. (2008)  Atmosph.  Environ. 42, 999-1011

Actions en cours de finalisation ou en projet

• Altérations d’une façade du Parvis Saint-Jean, Dijon, en réponse à la pollution atmosphérique: M2 Aurélie Turmel, C. Durlet, C. Petit (U. Bourgogne), B. Marin, G. Fronteau (U. Champagne-Ardenne), R. Losno (U. Paris XII), F. Lévêque (U. La Rochelle).

(la suite…)