Des hommes et une antilope représentés sur une paroi de grès, une peinture réalisées par les San. Site RSA BUF1, Eastern Cape, Afrique du Sud. © Luc Ronat/CNRS Photothèque

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Première spectroscopie Raman de peintures rupestres San d'Afrique du Sud

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Avec un matériel de spectroscopie ambulant, une équipe de scientifiques a pu étudier sur place les pigments de peintures rupestres et leur état de conservation. Philippe Colomban, directeur de recherche au CNRS, détaille le récit des deux expéditions et l'intérêt de cette méthode d'analyse sur le terrain.

Réaliser une spectroscopie Raman, c'est analyser, grâce à la réflexion d'une lumière laser, la nature chimique et physique d'un corps. Bien maîtrisée au laboratoire, cette technique permet des études très variées, en sciences mais aussi dans l'industrie. Une équipe CNRS-Université Pierre-et-Marie-Curie, le Ladir (Laboratoire de Dynamique, Interactions et Réactivité), l'a fait sortir du laboratoire grâce à des appareils plus légers. En 2006, les vitraux de la Sainte-Chapelle, à Paris, avaient ainsi pu être analysés, permettant notamment de distinguer les parties originelles de celles restaurées au XIXe siècle.

Le Ladir, collaborant avec le Département de Physique de l'Université de Pretoria et le Rock Art Research Institut (Johannesburg) depuis plusieurs années, a emporté en novembre 2009 l'équipement en Afrique du Sud, dans le bush de la Province Est du Cap et même à 3.000 mètres d'altitude dans les montagnes du uKhahlamba-Drakensberg dans le Kwazulu-Natal, à la frontière du Lesotho. L'équipe a ainsi pu analyser des peintures rupestres de la civilisation San comme on ne l'avait jamais fait.

Dans des conditions difficiles, l'analyse a permis d'étudier certains des pigments utilisés en déterminant leur nature et donc leur origine. Les paramètres influant sur la conservation ont pu aussi être précisés, une connaissance importante pour la préservation des peintures rupestres comme le montre l'exemple des grottes de Lascaux. Les résultats de ces analyses non invasives viennent de paraître dans le Journal of Raman Spectroscopy.

Ce travail est aussi une illustration des applications possibles. « Nous voulons montrer ce que l'on peut faire avec les derniers développements instrumentaux en spectroscopie de terrain » nous explique Philippe Colomban, directeur adjoint du Ladir, qui expose pour Futura-Sciences, les détails de cette expédition scientifique dans le texte qui suit.

Pour étudier les matières colorantes des peintures rupestres (leur nature, leur préparation...), il faut effectuer des prélèvements ramenés au laboratoire. La spectroscopie Raman permet-elle vraiment d'effectuer ce travail sur place, c'est-à-dire avec du matériel transporté à dos d'homme, installé sur un sol d’éboulis ou en plein vent, mis en œuvre en plein jour (alors que la spectroscopie se pratique dans l'obscurité) ? La réponse est oui. © Aurélie Tournié

Les missions en Afrique du Sud

Le Ladir et le Département de Physique de l'Université de Pretoria collaborent depuis plusieurs années dans l'étude du patrimoine pré-colonial, en particulier les perles en verre, importées ou mises en forme sur place à Mapungubwe, situé dans la vallée du Limpopo à la frontière de l'Afrique du Sud, du Botswana et du Zimbabwe et daté de l'Age du fer (environ 1000 à 1300 après JC). Trois tombes royales et de nombreux objets en or ainsi que plus de 25.000 perles en verres importés ont été découverts sur ce site, ce qui en fait le plus important d'Afrique jusqu'au XIIe siècle. Il sera ensuite supplanté par le Grand Zimbabwe pour le contrôle du commerce d'or et de perles trans-Afrique.

L'expérience acquise par le Ladir dans l'analyse hors du laboratoire a conduit à s'associer avec le Rock Art Research Institute pour tenter de réaliser une campagne de mesures in situ de peintures rupestres San malgré les difficultés à la fois des accès (abris sous roche en haute montagne ou en pleine savane) et de mesure (surface à analyser rugueuse et recouverte de dépôts, sol accidenté) afin de préciser s'il était possible d'obtenir des informations non seulement sur les pigments utilisés mais aussi sur l'état de conservation des œuvres.

En outre, les chercheurs ont également travaillé avec Stephen Townley Bassett, un artiste expérimentant les techniques de peinture des peuples San à partir d'informations recueillies auprès des derniers détenteurs de ce savoir : utilisation de coquilles d'œufs d'autruche, de divers ocres, de sang, de graisses animales, de venins de serpents, etc.

Chaque matin, dans les montagnes du Drakensberg, l'équipe, aidée de porteurs, prend le chemin des grottes. © Aurélie Tournié

Un premier voyage, en 2008, a permis de sélectionner les lieux de mesures et de préciser la définition de l'instrumentation. Il a fallu ensuite résoudre de difficiles problèmes de logistique : emballage des instruments, expédition de Thiais à Pretoria, formalités de douane, autorisation d'importation temporaire du matériel et exemption de l'obligation de déposer le montant de TVA correspondant à la valeur des instruments, véhicule de transport, choix du groupe électrogène, optimisation du dispositif de positionnement de la tête spectroscopique déportée dont le réglage se fait à quelques microns près, etc.

L'expédition proprement dite a pu commencer, regroupant deux scientifiques sud-africains, une scientifique française en post-doc à Pretoria et une scientifique du Ladir accompagnant le matériel ainsi que le réalisateur et l'ingénieur du son de CNRS-Images réalisant un film (qui sera présenté sur France Inter lundi 21 juin dans l'émission La tête au carré).

Le matériel est installé dans la grotte sur les caisses ayant servi au transport : le laser et son électronique de contrôle (boîtiers gris et rouge), le spectromètre (cylindre noir) et son détecteur CCD (boîtier bleue). L’ordinateur de pilotage est, lui, sur une table. Site BUF1, Eastern Cape, Afrique du Sud. © Luc Ronat/CNRS Photothèque

L'équipe a gagné d'abord les montagnes bordant le Lesotho (Giant’s Castle, site du Patrimoine mondial Unesco en uKhahlamba-Drakensberg, KwaZulu-Natal) puis le site de savane RSA BUF1 entre Jamestown et Queenstown, Province Est du Cap. Quelques frayeurs lors d'arrêts dans des endroits mal choisis, certaines parties du pays étant « à risques » !

A Giant's Castle, le matériel - 4 caisses de 15 à 40 kg et un groupe électrogène de 30 kg - devait, matin et soir, être porté à la façon traditionnelle Zulu sur plusieurs kilomètres de sentier de montagne tandis qu'à BUF1, le véhicule pouvait être garé à quelques centaines de mètres.

A Giant's Castle, le sol constitué de blocs de pierre rendait le positionnement de la sonde délicat. Le lieu ayant été utilisé comme abri de chasse avec cuisine, seules les peintures placées haut dans les parois étaient suffisamment propres pour une analyse efficace. En plus de ces dépôts dus aux activités humaines, la présence de déjections d'animaux, d'activité fungique et de lichens et les traitements de protection à base de polymères effectués dans le passé sur les zones basses pouvant être touchées par les visiteurs ont en fait conduit à la formation d'une couche de surface générant une forte fluorescence masquant le signal Raman.

Devant le motif peint a été installée la tête du spectromètre Raman, sur un dispositif à déplacement micrométrique porté par un pied d'appareil photo. La lumière laser (verte, 532 nm), amenée par une fibre optique, est focalisée à l'aide d'un objectif de microscope. La lumière réfléchie est reprise par le même objectif et dirigée vers une autre fibre optique reliée à l'appareil de mesure. © Luc Ronat/CNRS Photothèque

A BUF1, si le sol était plat, le vent et la forte luminosité du lieu rendaient difficiles les mesures après 15 heures. Néanmoins avec le dispositif utilisé (excitation laser verte à 532 nanomètres), un nombre significatif de signatures Raman ont été obtenues sur les pigments rouges de type ocre (à base d'hématite colorant en rouge, des traces de rutile - oxyde de titane - signant l'utilisation d'un ocre contenant de l'hématite et des particules de TiO2) et et sur les pigments blancs (calcite résultant probablement du traitement thermique de coquilles). De telles signatures ont également pu être obtenues sous les dépôts recouvrant les peintures : du fait de la porosité du substrat gréseux différent sulfates de calcium (gypse, bassanite, anhydrite) préciptent en surface, recouvrant les peintures ; en outre l'activité biologique (déjections animales, lichens,...) forme des oxalates de calcium (whewelite), des nitrates et des pigments rouges naturels, des caroténoïdes.

Stephen Townley Bassett, un artiste, recrée des peintures rupestres à partir de produits naturels collectés dans la région (coquilles d'œufs d'autruche, ocres, sang, graisse animale, etc.). Il cherche ainsi à reconstituer les procédés de fabrication des matières picturales San © Aurélie Tournié/CNRS Photothèque

L'étude en cours au laboratoire des homologues fabriqués par Stephen Bassett doit nous permettre d'évaluer le protocole d'analyse non-invasive Raman vis-à-vis de ceux nécessitant des micro-prélèvements (absorption IR, spectroscopie de masse). Des tests positifs ayant été réalisés sur prélèvement avec un dispositif laser rouge, un des objectifs sera de pouvoir détecter les adjuvants (graisse, salive, sang, extraits de plantes, blanc et jaune d'œuf, venins, résines naturelles, etc.) susceptibles d'avoir été utilisés soit pour des raisons techniques (application, mouillabilité, accrochage...), soit du fait du contexte culturel (appropriation de la qualité des animaux chassés, liens avec le sujet, animal, personnage ou bien créature mythologique comme les thérianthropes, etc.), en dialogue avec les collègues anthropologues du RARI.

Les résultats permettront d'optimiser les procédures d'analyses pour de nouvelles campagnes de mesures in situ, en Afrique du Sud ou dans d'autres sites de peintures rupestres.