Réponses environnementales et conséquences géomorphologiques des activités métallurgiques anciennes (Bassin versant de la Varenne, Normandie)

Environmental responses and geomorphological repercussions of ancient metallurgical activities (Varenne catchment, Normandie)

• Auteur / Autrice : Guillaume Martins
• Direction : Laurent Lespez, Geoffrey Houbrechts
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Paris 12 en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGP - Laboratoire de Géographie Physique

Mots clés

Mots clés libres

Géoarchéologie

Géohistoire

Hydrosystème

Activités métallurgiques

Plaines alluviales

Geoarchaeology

Geohistory

Hydrosystem

Metallurgical activities

Alluvial plain

Résumé

Cette thèse a pour objectif de caractériser les conséquences des activités métallurgiques sur les dynamiques hydrosédimentaires dans le bassin versant de la Varenne (Normandie, France), au cours des deux derniers millénaires. L'hypothèse principale est que ces activités ont affecté le fonctionnement hydrosédimentaire des bassins versants disposant de minerai et de ressource énergétique (bois et énergie hydraulique). Ces activités ont entrainé des métamorphoses du paysage. D'une part la demande en bois pour la production du fer et de la fonte a entrainé une diminution des massifs forestiers et une érosion des sols perturbant la sédimentation des fonds de vallées. D'autre part, la mise en place de l'activité métallurgique le long des cours d'eau à partir du XVIème s., date de l'introduction du procédé indirect en Normandie, a entraîné l'artificialisation des cours d'eau, le rejet de scories et l'engraissement des plaines alluviales. Le bassin versant de la Varenne, par sa superficie (200 km²) et l'ancienneté des activités métallurgiques remontant à l'époque gallo-romaine, représente un exemple idéal pour appréhender les conséquences de cette activité sur le milieu. Cette thèse repose sur trois objectifs pluridisciplinaires : Objectif 1 : Établir un inventaire et une chronologie des aménagements liés aux activités métallurgiques. Cet objectif repose sur une approche géohistorique et géoarchéologique. Pour la période entre le XVIème et le XXème s., des recherches archivistiques seront menées afin de recenser les aménagements liés aux activités métallurgiques. Nous établirons à partir des documents, cartes et plans, la spatialisation et la chronologie de la mise en place de ces aménagements. Pour les périodes antérieures au XVIème s., caractérisées par une activité métallurgique dans des bas fourneaux, une analyse microtopographique à partir de données LiDAR et de photogrammétrie sera effectuée. Celle-ci permettra d'identifier les crassiers et les potentiels aménagements associés. Objectif 2 : Reconstituer les conséquences de ces activités sur les lits fluviaux. Cet objectif repose sur une approche sédimentologique et chimique utilisant les scories comme traceurs des dynamiques hydrosédimentaires. Il sera question de caractériser leurs diffusions dans les cours d'eau et d'identifier les conséquences hydrosédimentaires liées à la présence d'aménagements. Pour ce faire, nous étudierons la distance parcourue par les scories depuis le site d'injection ainsi que leurs répartitions longitudinales au sein du lit mineur par une analyse granulométrique sur le terrain et en laboratoire. Cette approche sera complétée par des analyses chimiques par spectroscopie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) permettant d'identifier les procédés utilisés lors de la production du fer et la composition chimique associée. Objectif 3 : Reconstituer les dynamiques sédimentaires des fonds de vallée et définir la part des héritages liés aux activités métallurgiques. Cet objectif repose sur une approche géomorphologique, sédimentologique et chimique. L'objectif est d'identifier les conséquences des activités métallurgiques et des aménagements hydrauliques sur la sédimentation des fonds de vallée. Nous reconstituerons la géométrie des plaines alluviales et la chronologie associée à partir de carottages, de prospections géophysiques et de datations. Cette reconstitution sera conduite depuis les 6 sites métallurgiques. Afin d'identifier les conséquences de ces activités, il sera question de quantifier la présence de microbille de scorie dans ces sédiments. Ces microbilles étaient dispersées dans l'air, probablement lors du processus de réduction du fer, et dans les cours d'eau puis déposées dans les plaines alluviales. Afin de les identifier, nous utiliserons une méthode expérimentale à partir d'un pistolet à spectrométrie de fluorescence X. Ces microscories seront également analysées par ICP-OES pour identifier les modes de production associés.

The aim of this thesis is to characterise the consequences of metallurgical activities on hydrosedimentary dynamics in the Varenne catchment (Normandie, France) over the last two millennia. The main hypothesis is that these activities have affected the hydrosedimentary functioning of catchments with ore and energy resources (wood and hydropower). These activities have led to changes in the landscape. On one hand, the demand for wood for the production of iron has led to a reduction in forest cover and soil erosion, disrupting the sedimentation of alluvial plain. On the other hand, the development of metallurgical activity along watercourses from the 16th century, when the indirect process was introduced in Normandie, led to the artificialization of watercourses, the discharge of slag and the accretion of alluvial plains. The Varenne catchment area, by its size (200 km²) and the long history of metallurgical activity dating back to Gallo-Roman times, is an ideal example for understanding the consequences of this activity on the environment. This thesis is based on three multidisciplinary objectives: Objective 1: To draw up an inventory and chronology of the hydraulic installations associated with metallurgical activities. This objective is based on a geohistorical and geoarchaeological approach. For the period between the 16th and 20th centuries, archival research will be carried out in order to make an inventory of the hydraulic installations linked to metallurgical activities. Using documents, maps and plans, we will establish their location and chronology. For periods prior to the 16th century, characterised by metallurgical activity in low furnaces, a microtopographic analysis using LiDAR data and photogrammetry will be carried out. Objective 2: reconstruction of the impact of metallurgical activities on river beds. This objective is based on a sedimentological and chemical approach using slag as a tracer of hydrosedimentary dynamics. The aim will be to characterise the diffusion of slag in watercourses and to identify the hydrosedimentary consequences associated with the presence of hydraulic installations. We will study the distance travelled by the slag from the injection site and its longitudinal distribution within the minor bed using granulometric analysis in the field and in the laboratory. This approach will be supplemented by chemical analyses using inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) to identify the processes used to produce the iron and the associated chemical composition. Objective 3: To reconstruct the sedimentary dynamics of alluvial plain and define the extent of the legacy of metallurgical activities. This objective is based on a geomorphological, sedimentological and chemical approach. The aim is to identify the consequences of metallurgical activities and hydraulic installations on the sedimentation of alluvial plain. We will reconstruct the geometry of the alluvial plains and the associated chronology using core sampling, geophysical surveys and dating. This reconstruction will be carried out from the 6 metallurgical sites. In order to identify the consequences of these activities, the presence of slag microbeads in these sediments will be quantified. These microbeads were dispersed in the air, probably during the iron reduction process, and in rivers and then deposited on alluvial plains. In order to identify them, we will use an experimental method based on an X-ray fluorescence spectrometry. These microscores will also be analysed by ICP-OES to identify the associated production methods.