Les concepts de la métallogénie
au service de l’archéologie ?

Introduction

En préambule, nous rappelons dans les grandes lignes l’histoire géologique du Massif central en lien avec les évènements métallogéniques, afin de cibler de potentielles zones minéralisées mises en exploitation par le passé dans le Morvan, correspondant à la terminaison nord-est du massif. Historiquement, les relations entre géologie et archéologie minière sont étroites. L’histoire minière de l’Europe est très ancienne et a été conceptualisée très tôt. Parmi les témoignages écrits, le traité De Re Metallica rédigé par Agricola (Georg Bauer) dès le XVI^e siècle est un témoignage de premier plan par son exhaustivité et la variété des techniques présentées¹. Depuis longtemps, les géologues en charge de l’exploration minière ont conscience de ne pas être les premiers à chercher des concentrations minérales d’intérêt économique. Le géologue et l’archéologue se retrouvent d’ailleurs souvent sur le terrain, ce qui ne va pas sans controverses : entre exploitation et sauvetage archéologique, ou renoncement et préservation du patrimoine industriel². Ainsi, lors de la préparation de la première carte géologique, avant 1869, Ernest Mallard a identifié les premières aurières du Limousin. Les affleurements de la région étant relativement réduits, les explorateurs du XIX^e siècle se sont ensuite basés sur la reconnaissance des aurières pour déposer des demandes de permis d’exploration et guider leurs travaux de recherche. On doit à Béatrice Cauuet d’avoir daté et caractérisé ces aurières du point de vue archéologique : elles résultent d’une exploitation qui s’est déroulée entre les V^e et I^er s. a.C. Son œuvre se distingue particulièrement par la complémentarité des méthodes utilisées : la toponymie, la prospection et la fouille archéologique, et l’expérimentation. Ce corpus de connaissances rapporté à une même région est une référence de premier plan pour tout chercheur qui souhaite appréhender l’ampleur de l’activité d’extraction des métaux précieux et son importance économique et sociale dans la Gaule préromaine². 

L’idée qui consiste à partir de connaissances géologiques pour orienter les recherches d’archéologie minière n’est donc pas nouvelle. Les études les plus récentes se basent notamment sur l’identification d’anomalies géochimiques ou isotopiques dans les archives sédimentaires afin de localiser les activités dans le temps et dans l’espace. À titre d’exemple, nous citerons dans la région du Morvan les travaux de Fabrice Monna³, qui montrent, à partir des anomalies du plomb dans les archives sédimentaires des tourbières, une activité métallurgique débutant à l’âge du Bronze final, vers 1300-1200 ans a.C. Les données mettent en lumière un pic centré sur la fin de l’âge du Fer et le début de l’époque romaine, avec une pollution au plomb d’origine anthropique et locale⁴. Ce pic est suivi d’une longue période dépourvue de pollution au plomb, signe d’abandon, avant une reprise d’activité à partir du XII^e s. p.C. jusqu’à l’époque moderne. La localisation spatiale de cette activité a été étudiée à partir des données géochimiques de l’inventaire du BRGM. S’inspirant des méthodes développées pour la prospection minière, l’analyse des données géochimiques montre que l’oppidum de Bibracte se situe au centre d’une aire à fort potentiel pour le plomb et le cuivre, le long d’une bande orientée nord-est sud-ouest.

Considérant, comme les précédents auteurs, que là où se trouvent les gisements, il est possible de trouver d’anciens travaux, nous souhaiterions étendre la palette des approches. L’objectif de cet article est de rappeler les principes fondamentaux de la métallogénie et d’illustrer cette approche en présentant une étude localisée dans le Morvan, au nord-est de l’oppidum de Bibracte et au sud du village d’Arleuf, dans la forêt du Montarnu (fig. 1). À partir d’images issues du traitement des données Lidar obtenues lors de la campagne commandée en 2019 par la MSH de Dijon pour le Morvan, nous discuterons des méthodes de prospection minière utilisées au XIX^e siècle et nous tenterons d’identifier les métaux recherchés dans l’Antiquité et à l’époque moderne.

Principes métallogéniques et histoire géologique du Massif central

Cette partie présente la métallogénie des métaux exploités dans l’Antiquité : Cu, Pb, (Zn), Au, Ag, Sn, Fe, mais ne considère pas les gisements de fer sédimentaire, car le Morvan est une zone de socle ne comportant pas ce type de concentrations (par exemple les oolites ferrugineuses, les grès ferrifères crétacés, les pisolithes du sidérolithique, etc.). Nous incluons en revanche les enrichissements en fer liés aux altérations superficielles des gisements hydrothermaux pyriteux, qui ont alimenté les forges de la région au XIX^e siècle (Le Creusot, Imphy).

Principes métallogéniques

Du point de vue des concentrations métalliques, toutes les époques géologiques ne se valent pas et il est aisé de reconnaître des périodes liées à des contextes particuliers, favorables à la formation de gisements, appelés “crises métallogéniques”⁵. Les gîtes primaires, c’est-à-dire non reconcentrés par les processus d’érosion, se sont formés lors de ces crises. Ils sont parfois associés à la cristallisation d’un magma (par exemple l’étain des gisements orthomagmatiques) et plus fréquemment formés par des systèmes hydrothermaux. Les fluides hydrothermaux lessivent les métaux d’une source géologique, les concentrent en localisant les flux dans des structures drainantes et les piègent en cristallisant les métaux dissous sous forme minérale. Ces pièges forment d’importantes concentrations d’intérêt économique⁶. Enfin, les processus physicochimiques mis en jeu mobilisent un ensemble de substances métalliques aux comportements chimiques voisins et en lien avec un contexte géologique semblable. De ce fait, chaque crise se caractérise par un cortège d’éléments chimiques qui permettent de définir une typologie des gisements.

Brève histoire géologique du Massif central

Le Massif central fait partie de la chaîne varisque. Celle-ci se développe du nord du Maroc à la Pologne, et se prolonge dans les Appalaches de l’Est américain en passant par Terre neuve. Ce vaste ensemble témoigne d’un épisode orogène complexe qui s’étend sur une longue durée, entre 420 et 270 millions d’années. Il résulte de la fermeture de l’océan médio-européen, entre Gondwana et Armorica dans le cycle éovarisque, puis de l’océan Rhéique, avant la collision des continents Gondwana au Sud et Laurussia au Nord⁷. Le cycle éovarisque n’a pas produit de minéralisations significatives alors que, du Dévonien au début du Permien (soit entre 360 et 270 millions d’années), plusieurs évènements varisques ont été fertiles.

Les roches volcaniques dévoniennes du nord-est du Massif central et des Vosges proviennent de la subduction de l’océan Rhéique sous le Gondwana. Dans ce contexte, un hydrothermalisme sous-marin s’est développé, permettant la formation d’amas sulfurés polymétalliques dont les plus documentés sont Chizeuil (71) près de Bourbon-Lancy, ou encore Chessy-les-Mines et Saint-Bel (69) dans les monts du Lyonnais⁸. Cette phase de subduction a été suivie d’une collision pendant le Frasnien-Tournaisien (385-345 millions d’années). Dans le nord du Massif central, le stade de collision a été relayé par une phase extensive de la croûte continentale au Viséen avec un volcanisme important et de rares minéralisations de type amas sulfurés, identifiés dans le Morvan et le Bourbonnais. La collision s’est achevée à la fin du Carbonifère par l’effondrement de la chaîne, donnant naissance à deux évènements métallogéniques majeurs qui se sont poursuivis jusqu’au Permien.

Le premier évènement est caractérisé par des magmas alumineux et des minéralisations à étain, piégées au stade magmatique et/ou par des minéralisations hydrothermales dans les coupoles granitiques⁹. Ce stade tardif est typique des minéralisations à étain permiennes de la Cornouaille anglaise. C’est aussi à ce stade que se sont formés de rares gisements de type skarn dus à un hydrothermalisme de haute température provoqué par l’intrusion de magma et le métamorphisme de roches carbonatées

Le second évènement concerne les gisements filoniens à or¹⁰ associés au fonctionnement de grandes failles extensives mises en mouvement lors de l’effondrement de la chaîne Varisque. 

Au Mésozoïque, un nouvel évènement hydrothermal de grande ampleur a donné des concentrations à Pb-Ag et fluorine-barytine avec, par exemple, les gisements de Largentière (07) et de Chaillac (36), localisées soit dans des gîtes suivant certaines strates des formations du Trias et du Lias, soit dans des filons du socle. Les signatures isotopiques du plomb de monnaies d’argent collectées sur le mont Beuvray montrent que ce sont essentiellement ces filons qui ont été exploités par les Éduens¹¹. 

Pour finir, nous rappelons que les remobilisations supergènes des gisements pyriteux ont créé des roches concrétionnées très riches en fer que l’on nomme chapeaux de fer, ainsi que des sables minéralisés dans les rivières : les placers à or et les flats à étain. 

Géologie de la région du mont Beuvray et potentiel métallogénique

Notre zone d’étude est au nord-est du mont Beuvray, qui a accueilli l’oppidum de Bibracte au I^er s. a.C., dans le faisceau synclinal du Haut-Morvan. Il s’agit d’une bande d’orientation nord-est sud-ouest caractérisée par des formations volcano-sédimentaires d’âges tournaisien à viséen (345-325 Ma), recoupées par des granites et des leucogranites plus tardifs, notamment le granite du Folin, dont l’âge est estimé à 337 Ma +/- 12 Ma par la méthode Rb-Sr et recalculé avec une nouvelle constante¹². 

Les minéralisations connues localement sont des filons à fluorine-barytine Pb-Zn d’âge mésozoïque exploités au XX^e siècle pour la fluorine à Argentolle (Saint-Prix, 71, au pied du Beuvray) et à Voltenne (La-Petite-Verrière, 71). Il s’agit d’accidents sécants sur les formations plus anciennes, avec une orientation variable et une dominante nord-nord-ouest sud-sud-est. Dans les formations tournaisiennes-viséennes, des amas à pyrite massive ont été identifiés¹³. Le granite alumineux du Folin reste une cible potentielle pour des minéralisations à étain, mais aucun indice n’a été clairement identifié jusqu’à présent. La zone d’étude, présentée sur la figure 1, est située au sud d’Arleuf, dans les forêts du Montarnu et du Sault, au nord du granite du Folin, lui-même encaissé dans les formations viséennes et tournaisiennes. Cette zone a le potentiel géologique pour héberger les trois types de minéralisations précédemment citées. Les travaux antérieurs ont identifié plusieurs sites anciens d’extraction. 

Il s’agit tout d’abord du site de Fosse où, dans sa partie ouest, des chapeaux de fer développés sur des amas ont été exploités pour le fer au XIX^e siècle. Dans la partie est du même site, une grande fosse linéaire a été décrite, sans qu’on puisse identifier précisément la substance exploitée¹⁴. Sur cette zone, de petites fouilles se superposant à la grande fosse sont signalées. Les documents d’archives mentionnent une demande de concession d’exploration rejetée en 1896 par l’ingénieur des mines. Ces documents décrivent une partie des fouilles réalisées par M. Marlot pendant 18 mois et signalent dans la forêt du Montarnu des fouilles implantées sur d’anciennes exploitations¹⁵. En second lieu, au Châtelet, un gîte “pyrométamorphique” a été décrit par les techniciens géologues du BRGM. Ce terme pourrait être compris aujourd’hui comme un gisement de type métamorphisme de contact et nécessite une réinterprétation claire. Ces deux minéralisations sont reportées sur la carte géologique en tant que “filons minéralisés”, ce qui ne rend pas compte de la réalité de terrain.

Apport du Lidar et contrôle de terrain : le point de vue du métallogéniste

Description et analyse des sites de la forêt du Montarnu (Arleuf, 58)

La carte géologique situe les indices du secteur du Montarnu dans les terrains d’âge tournaisien-viséen. La carte Lidar (fig. 2) de la zone montre trois types de structures : des carrières avec leurs déblais de formes arrondies, de petites cavités avec un bourrelet de déblais et, dans la partie est, une grande fosse linéaire. Les vérifications de terrain sur la partie ouest, couplées avec les observations antérieures¹⁴ permettent d’associer les structures arrondies de grande taille (fig. 3) à des carrières ouvertes sur des chapeaux de fer développés sur des amas pyriteux. Les petites cavités semblent être des fouilles récentes, qui pourraient être attribuées aux travaux d’exploration de Marlot. La disposition des fouilles autour du chapeau de fer semble témoigner de la recherche de l’extension du corps minéralisé. Au nord de la carrière, un faisceau de structures en forme de chenaux est mis en évidence par les données Lidar (fig. 3). Ces structures ne suivent pas le pendage principal et ne se prolongent pas au sud de la carrière. Elles sont d’origine anthropique et plus anciennes que les petites fouilles et la carrière. Ces structures permettent d’avancer plusieurs hypothèses : il pourrait s’agir de différents chemins d’accès pour atteindre le secteur minéralisé ou d’une exploitation par drainage des eaux acides. Ce type d’exploitation de “sucs minéraux” est mentionné par Agricola¹⁶ : 

Si les sucs concrets, ainsi que les terres qui en sont chargées, se trouvent mélangés en abondance avec l’eau des sources, des rivières ou des fleuves, ils se déposent dans leur lit, recouvrent les pierres qui s’y trouvent, et ils n’ont pas besoin de la chaleur du soleil pour coaguler. Quelques hommes sagaces l’ayant remarqué imaginèrent des méthodes pour recueillir les restes de certains sucs solidifiés et certaines terres remarquables. Ils canalisèrent l’eau, de sorte qu’elle coule d’une source ou d’une galerie souterraine dans des bassins en bois ou des réservoirs placés à la file, afin que les sucs ou les terres s’y déposent. On gratte tous les ans les bacs ou les réservoirs pour les recueillir, comme la chrysocole dans les Carpates ou l’ocre dans le Hartz.

Dans la partie est de la zone d’étude (fig. 2), une structure linéaire longue de 100 m, bien décrite dans les travaux précédents, montre une orientation nord-sud¹⁴. Tout autour, les fouilles semblent disposées de façon à repérer l’extension d’une ressource minérale. Cependant, le choix de la disposition des fouilles montre une méthode hésitante. Les recherches antérieures ont mis au jour au fond de la fosse la présence de galènes et de pyrites plus ou moins oxydées, associées à une silicification. Les analyses chimiques de ces minerais révèlent des traces de cuivre et d’argent¹⁷. La description minéralogique et son encaissant Tournaisien suggèrent que ce gisement pourrait être un amas redressé.

Entre les deux sites, un alignement est-ouest de fouilles ponctuelles disposées tous les 50-100 m met en lumière une double stratégie d’exploration qui visait à faire une recoupe entre les chapeaux de fer et les travaux anciens. Cette stratégie a permis de découvrir des petits corps pyriteux signalés dans les documents d’archives de l’ingénieur des mines¹⁵ et visibles sur le terrain et sur la carte à proximité du chemin forestier nord-sud (fig. 2).

Description du site de la forêt du Sault (Arleuf, 58)

À mi-chemin entre les sites précédents et le hameau du Châtelet, un indice indiqué sur la carte géologique¹⁸ y est décrit comme une minéralisation filonienne encaissée dans les formations volcaniques du Viséen. Les données Lidar montrent un ensemble de petites fouilles circulaires (fig. 4), deux carrières situées de part et d’autre d’un chemin forestier et un affleurement rocheux dans la partie est. Ce site est mal documenté, puisque la carte géologique indique un filon aligné sur les deux carrières alors que les relevés de sondages signalent une minéralisation en métaux de base “pyrométamorphique”¹⁵. Les échantillons prélevés dans la carrière à l’ouest du chemin montrent la présence d’un gisement de type skarn riche en étain et en zinc. Les carrières sont implantées au contact entre une roche dacitique altérée et un encaissant carbonaté. L’affleurement rocheux à l’ouest est formé par la dacite fraîche. La disposition des petites fouilles montre la même stratégie d’exploration, basée ici essentiellement sur l’identification de travaux anciens avec des tentatives de recoupe orientées nord-sud dans la partie ouest (fig. 4). La carrière la plus à l’est a été sondée par une fouille postérieure à la première exploitation (fig. 5). À l’est, les travaux d’exploitation forestière et la mise en andains des souches ont probablement effacé les traces d’autres petits travaux d’exploration.

Les recherches de terrain démontrent que le gisement n’a jamais développé de chapeaux de fer exploitables pour ce métal. En revanche, la découverte inattendue d’une minéralisation de type skarn, néanmoins plausible à proximité du granite alumineux du Folin, montre que les travaux anciens ont visé l’étain. 

Discussion 

Nous espérons que cette brève étude aura montré qu’il est fructueux de croiser l’approche métallogénique et l’archéologie minière pour caractériser les substances exploitées et les modalités de leur extraction. On note aussi que les informations apportées par les données Lidar sont essentielles pour comprendre les stratégies d’extraction et d’exploitation. Dans les deux cas examinés, on peut retenir que la stratégie d’exploration développée à la fin du XIX^e siècle se base à la fois sur les observations géologiques et sur les traces des travaux anciens, probablement antiques. Ces travaux anciens sont remarquables, car ils montrent des connaissances avancées en matière d’exploration et d’exploitation. En effet, l’identification d’une minéralisation de type skarn n’est pas aisée, car le minerai est très fin et la géométrie du corps minéralisé est difficile à appréhender par de simples observations de terrain. Ce type de gisement se caractérise plutôt par un cortège minéralogique à forte densité et forte dureté. Dans ce cas précis, le gisement a dû être difficile à travailler. 

Les amas sulfurés tournaisiens et leurs chapeaux de fer restent des minéralisations d’un intérêt minier modeste. L’étude minéralogique poussée des amas tournaisiens de Villapourçon y montre la présence de métaux précieux et de métaux de base en faibles concentrations¹⁹. De même, ces gisements de minerai de fer sont de médiocre qualité à cause de la présence de soufre. L’hypothèse de la mise en place de structures de drainage pour recueillir des “sucs minéraux” serait, en accord avec Agricola, un ouvrage “d’hommes sagaces”. Nous pensons que cette hypothèse mériterait des recherches plus approfondies. 

Finalement, ces observations confortent les travaux de Béatrice Cauuet, qui montrent que les populations de la Protohistoire avaient une bonne connaissance de l’Art de la mine en général et une maîtrise parfaite des techniques d’extraction. 

Remerciements

L’acquisition des données Lidar a été réalisée avec le soutien financier du Conseil Régional de Bourgogne, et le soutien technique de GEOBFC-Maison des Sciences de l’Homme de Dijon CNRS‐uB 3516, 2013. Nous remercions aussi le Labex Voltaire (ANR-10-LABX-100-01) pour le soutien financier. Nous remercions aussi Vincent Guichard et les éditeurs pour leurs remarques et suggestions. 

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Notes

1. Agricola 1556 (1992).
2. Cauuet 2004.
3. Monna et al. 2004.
4. Monna et al. 2014.
5. Par exemple : Routhier 1980.
6. Pélissonier 1965 ; Knox-Robinson & Wyborn 1997.
7. Faure et al. 2009.
8. Marignac & Cuney 1999 ; Marcoux & Faure 2021.
9. Cuney et al. 2002 ; Harlaux et al. 2018.
10. Pour le Limousin : Bouchot et al. 2005.
11. Cauuet & Sizaret 2020.
12. Delfour et al. 1995 ; Vialette 1965.
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19. Gourault et al. 2012.