Caractéristiques génétiques et conservatoires du climat souterrain en milieu karstique
Essai de restitution d’un paléo-faciès thermique, grotte de Lascaux, Dordogne
p. 319-332
Résumés
Les cavités souterraines ne sont pas des milieux isolés ou étanches par rapport à l’environnement externe. Elles subissent, en fonction de la nature du milieu et du site aérien, des échanges gazeux, thermiques, hydrogéologiques à travers la roche et l’air. Ces échanges entre l’extérieur et l’intérieur sont décalés dans le temps. Nous avons choisi d’aborder le cas de la dynamique thermique et le modèle retenu est celui de Lascaux en Dordogne (Fr.). L’analyse est établie pour une période de 25 ans. Durant ce laps de temps, on constate une baisse générale des températures internes entre 1965 et 1981, suivie d’une légère remontée. Un système de climatisation fonctionne 5 à 6 mois par an. Il impose son régime à la grotte. A l’aide des résultats obtenus et des données bibliographiques précisant le paléoenvironnement (climat, botanique, biologie), nous calculons la température à l’intérieur de la cavité pour la période - 15 000 à - 14 000 ans BC qui correspond à l’une des périodes d’occupation par les artistes peintres.
The caves are not isolated, watertight or airtight in their subterranean environments. According to the nature of the geological deposits, they suffer some air thermic and hydric exchanges through rocks and atmosphere. These external internal exchanges are out of phase in time. Here, we have chosen to study the problem of thermal dynamics. The cave of Lascaux (Dordogne, France) is the pattern chosen for publication. The analysis is established for 25 years period and within this time between 1965 and 1981 we observed a general falling of temperatures followed by a slight raising is confirmed in all parts of the cave. An air conditioned system works during 5 or 6 months each year. It imposes a thermic rate to the internal air. With some current results and paleoinvestigations (climatology, botany, biology) - 15000 to - 14000 BC period which corresponds to one of the periods of occupation by wall painters.
Entrées d’index
Mots-clés : climat souterrain, karst, Lascaux
Keywords : subterranean climate, karst, Lascaux, Dordogne
Index géographique : Dordogne
Texte intégral
INTRODUCTION
1L’espace souterrain, comme l’espace aérien, a une dynamique propre. La climatologie externe peut influencer directement ou indirectement la climatologie interne, alors que la réciproque n’est pas vraie. Les variations de température, les différences de densité, de flux gazeux engendrent des mouvements d’air ; à ceux-ci s’ajoutent des échanges avec l’extérieur par les mêmes facteurs et l’action de la pression atmosphérique. Les échanges entre l’extérieur et l’intérieur, dans un sens ou dans l'autre, se font en continuité dans le domaine gazeux ou indirectement, à travers les matériaux géologiques poreux et perméables en petit et en grand (roches en place, éboulis, remplissages karstiques...). L’atmosphère d’une grotte est inscrite, selon sa géomorphologie et son enfouissement, dans les zones d’hétérothermie et d’homothermie du sous-sol. Elle subit ou non, en fonction du contexte naturel les échanges gazeux, thermiques et hydrogéologiques émanant de la surface et décalés dans le temps. En régime hétérothermique, les déphasages de température, les flux atmosphériques et hydriques peuvent dépendre :
de la configuration de son entrée (morphologie, exposition, altitude) ;
de la géométrie et de la nature du réservoir aquifère surincombant à la cavité ;
de la géométrie de la cavité (grotte horizontale, descendante ou ascendante).
2Les échanges thermiques aux interfaces (roche/eau, roche/air, air/eau), et les échanges dynamiques entre l’extérieur et le milieu souterrain provoquent dans ce dernier cas des migrations d’eau et de gaz conduisant à une évolution des tensions de vapeur d’eau et favorisant ainsi le développement des phénomènes de condensation ou d’évaporation. Tous ces mécanismes ont eu et ont toujours des incidences favorables ou défavorables sur le concrétionnement pariétal passé et actuel entre autres.
I. INVENTAIRE NON EXHAUSTIF DE FAITS ET D’ÉVÉNEMENTS ASSOCIÉS À LA VIE DU SITE DEPUIS 150 ANS
3- avant 1842 : la colline de Lascaux était un paysage composite (forêt et clairières).
4- 1850 à 1890 : la partie sommitale de la colline de Lascaux était couverte de vignes.
5- 1890 à 1895 : attaque du vignoble par le phylloxéra, la vigne est arrachée et les terrains de culture sont abandonnés.
6- après 1895 : la forêt sauvage recouvre peu à peu les collines de la région (pins sylvestres, châtaigniers, chênes verts).
7- 1910 à 1913 : séries de forts coups de vent sous orages. Le système racinaire de l’un de ces arbres abattus dégage un éboulis calcaire agrémenté d’un orifice béant.
8- 1914 : des témoins se rappellent avoir vu “le trou” et l’avoir utilisé pour y jeter des animaux morts.
9- 12 septembre 1940 : pénétration de quatre jeunes dans la bétoire et découverte du réseau orné de peintures d’âge préhistorique.
10- 15 septembre au 27 décembre 1940 : nombreuses visites pouvant atteindre 1500 personnes par semaine.
11- 27 décembre 1940 : classement au titre des monuments historiques.
12- 1940 à 1941 : premiers aménagements ; creusement d’un puits dans les éboulis d’entrée pour faciliter l’accès à l’intérieur de la grotte ; premières visites après ces premiers bouleversements.
13- 1941 à 1944 : la grotte n’est que très peu visitée pendant la guerre mondiale.
14- 1945 à 1947 : reprise des visites, projet d’aménagement de la grotte.
15- 15 juin 1947 : fermeture au public pour travaux d’aménagement.
16- 1947 à 1948 : nouveau creusement du cône d’éboulis ; installation de la lumière électrique dans la cavité ; mise en place de la porte de bronze ; d’un escalier de pierre ; confection d’un premier sas d’entrée, écoulement vers l’extérieur des eaux de ruissellement, construction d’une route menant jusqu’à la grotte.
17- 2 octobre 1947 : M. SECONDAT signale qu’il a déjà constaté une modification de l’état hygrométrique intérieur de la grotte.
18- 14 juillet 1948 : premières visites touristiques régulières.
19- 26 septembre 1948 : inauguration officielle de la grotte de Lascaux.
20- juillet 1955 : observation par Max SARRADET, conservateur, de gouttelettes d’eau de condensation en période d’affluence touristique tombant de la voûte et colorées par la dissolution de la peinture.
21- 1958 : l’afflux des visiteurs provoque l’augmentation de la teneur en gaz carbonique et en vapeur d’eau de l’espace souterrain entraînant de nouveaux travaux ; installation d’une machinerie à recycler l’air ; nouveau creusement du cône d’éboulis ; mise en place de gaines bétonnées dans le sol pour soufflage d’air pompé à l’extérieur.
22- septembre 1960 : observation par Max SARRADET de la présence d’une petite tâche verte sur une des parois.
23- 1961 : relevé chromographique1 sur site par le Dr BAUER.
24- 1962 à 1963 : prolifération de colonies d’algues sur les parois ornées.
25- 20 avril 1963 : ordre administratif de fermeture de la grotte au public et création de la “commission scientifique pour la sauvegarde de la grotte”.
26- 1964 à 1965 : premières recherches fondamentales pluridisciplinaires et utilisation temporaire d’un occulus pour simuler l’ancienne ouverture naturelle associée au porche d’accès.
27- 1966 à 1968 : deuxième phase des recherches ; obturation de l’occulus, création de sas complémentaires.
28- 1969 à 1970 : première installation de climatisation.
29- 1970 : incendie d’une partie du couvert forestier recouvrant la colline.
30- 1970 à 1976 : c’est toujours la première installation de climatisation qui est en service.
31- 1977 à 1987 : deuxième génération de machinerie de conditionnement climatique.
32- 1987 à 1991 : nouvelle génération de machinerie.
II. LE CAS DE L’ENVIRONNEMENT NATUREL ET CLIMATIQUE DE LA GROTTE DE LASCAUX
33Cette grotte depuis sa découverte en 1940 a subi de nombreuses vicissitudes de tous ordres qui en font un modèle de complexité dont nous souhaitons débrouiller les paramètres naturels et artificiels agissants. Nous rappelons à ce propos qu’elle est située dans la tranche d’hétérothermie (entre 0 et 25 m de profondeur) et que toutes les initiatives prises depuis des décennies (cf. § I) ont occulté ou privilégié les problèmes de conservation des oeuvres originales. Pour nous, la conservation passe entre autre par la recherche des facteurs privilégiant la définition d’un climat souterrain idéal. La restitution de paramètres associés à l’atmosphère originelle, en présence des peintres est l’une des approches retenues.
Photo 1 : Grotte de Lascaux, diverticule axial-voûte, station de mesure thermométrique air-roche. The cave of Lascaux, diverticule axial-vault, thermometric air and rock station.
III. AMÉNAGEMENT DE LA GROTTE
34Il passe par un certain nombre d’étapes résumées dans le paragraphe 2. Les techniciens et spécialistes de la période 1948-1963 ont eu à concevoir puis adapter les conditions d’accueil de visiteurs dont le nombre a très vite dépassé les prévisions de l’époque. Il en est résulté la construction de matériels destinés à agir au sein d’un milieu que l’on imaginait alors être comparable à celui d’un sous-marin. Des approches nouvelles ont été faites entre 1965 et 1990. Elles ont peu évolué autour du cadre initial conçu à l’origine par H. SCHOELLER. Nous en résumons l’essentiel dans le paragraphe III-A alors que la présentation sommaire de la machinerie est faite au paragraphe III-B.
Planche 1 :
Fig. a : Lascaux 1966-1968, températures air et roche (“Salle des taureaux Paroi Gauche”). Lascaux 1966-1968 air and rock temperatures (The left hand wall of “Salle des taureaux").
Fig. b : Lascaux 1966-1968, différence de températures air-roche(“Salle des taureaux Paroi Gauche”). Lascaux 1966-1968 difference between air and rock temperatures (The left hand wall of “Salle des taureaux”).
A. Paramètres suivis
35Le protocole scientifique s’appuie sur les déterminations suivantes :
mesures de la température de l’air à l’intérieur de la grotte (photo 1) sur 24 points ;
mesures de la température de la roche toujours à l’intérieur de la grotte sur 19 points ;
mesure des maxima et minima de la température extérieure (station météorologique) ;
mesure de la pluviométrie ;
contrôle de l’évolution du débit de la nappe phréatique intercepté par le porche d’entrée ;
contrôle de la température à l’entrée et à la sortie du circuit primaire de refroidissement ;
contrôle de la température à l’entrée et à la sortie des deux circuits secondaires de refroidissement ;
réglage des débits des circuits de refroidissement primaires et secondaires ;
mesure de la tension de vapeur en plusieurs points repères dans la cavité ;
mesure de la teneur en CO2 dans les salles et le puits ;
contrôle visuel de plusieurs témoins de condensation répartis sur les parois sensibles de la grotte ;
contrôle visuel de l’ensemble des parois ornées ;
contrôle photographique de plages témoins.
B. Présentation sommaire de la machinerie
36Basé sur le principe des échangeurs thermiques, la machinerie permet de provoquer de façon modulable la condensation d’une certaine quantité d’eau présente sous forme de vapeur dans l’air de la grotte mis en mouvement par convection de telle sorte que la tension de vapeur d’eau de l’air à proximité des parois ornées reste légèrement inférieure à celle correspondant à la température de surface de la roche (planche 1 : fig. a et b). Le refroidissement de l’air qui circule à la voûte du réseau vers les ouvertures hautes de la salle des machines produit de l’eau qui se condense sur les radiateurs, points froids du système. Cet air refroidi, plus sec, retourne dans le réseau orné par les ouvertures basses de la salle des machines (photo 2, planche 2)
Photo 2 :
Grotte de Lascaux, salle des machines, vue générale sur l’échangeur thermique cylindrique et les armoires de pilotage.
The cave of Lascaux, “Salle des machines”, general view of the thermic cylindrical exchanger and piloting box.
Planche 2 : Plan de la grotte de Lascaux. Représentation schématique de la circulation d’air dans la cavité. La vue en coupe illustre la convection accélérée sous le contrôle de la machinerie. Les vues en plan révèlent la dynamique des courants d’air dans les salles et couloirs.
Fig. a : Vue en coupe des circulations d'air par convection, a : circuit primaire. A : échangeur thermique cylindrique, b : circuit secondaire. B : échangeur thermique. C : eau d’infiltration.
Fig. b : Ventilation de sol. Fig. c : Ventilation de voûte.
Map of Lascaux cave. Scheme representation for circulation of air in the cave. Cross section showing the accelerated convection by machinery. Ground plans showing the dynamic of air courant in the rooms and corridors.
Fig. a : Cross section of convection exchanges, a : primary root. A : cylindrical exchanger, b : secondary root. B : cooling exchanger. C : percolation water. Fig. b : Circulation of air on the ground. Fig. c : Circulation of air on the vault.
IV. TEMPÉRATURE ET CLIMAT ACTUELS DE LA CAVITÉ
A. Evolution de la température de 1965 à 1990 (planche 3, fig. a à d)
37L’application d’un filtre de type moyenne mobile sur 365 jours montre sur l’ensemble des points de mesures une baisse de la température moyenne jusqu’en fin 1980 - début 1981, suivie d’une remontée. Cette tendance trouve son origine dans l’évolution de la température extérieure. Certaines de ces courbes d’évolution de température sont relativement chaotiques, les autres au contraire sont pratiquement lisses. La corrélation de toutes les traces deux à deux (voir matrice de corrélation planche 4) nous à permis de classer les points de mesures en trois groupes (polygone de liaisons planche 4) :
1° groupe : SVR, C3R, EER
2ème groupe : C1R
3ème groupe : S2R, GOR, TVR, TDR, TGR, DVR, DFR, PMR, CER, BSR, SPR.
38Le premier groupe représente les points les plus soumis à l’influence des ondes thermiques de surface et sa courbe représentative suit pratiquement celle de la température de surface à la valeur absolue près. Le troisième groupe rassemble les points de mesures les plus internes de la grotte qui sont les moins influencés. Le deuxième groupe concerne un point intermédiaire entre ceux des deux autres groupes.
B. Le climat actuel
39Les températures air et roche dans la grotte sont la résultante de l’influence de celle extérieure et de l’action de la machinerie.
40- Influence de l’onde thermique annuelle : La température moyenne journalière de l’air peut être approximée par l’équation :
T(z=0,t) | température en surface pour le jour t |
T0 | température moyenne de la surface (12,2°C) |
ΔΤ | amplitude des variations de température en surface |
2Π/365 | période de la variation annuelle de température |
t maxi. | nombre de jours pour atteindre le maximum de température en surface compté depuis le 1er janvier. |
Cette onde thermique descendante se propage à travers le calcaire au-dessus du plafond et des parois de la grotte en suivant l’équation de la chaleur :
a = 1/rc | diffusivité thermique de la roche |
1 | conductivité thermique de la roche |
c | capacité calorifique de la roche |
r | masse spécifique de la roche. |
La solution de cette équation est :
Nous pouvons tirer de cette équation :
la vitesse de phase V = 2 √aΠ/365a
la constante d’espace V √365a/Π
Pour évaluer la diffusivité de la roche nous pouvons ajuster la droite :
In (T/TO) = - √Π/365a. z + cte. (3)
Le graphique de la planche 5 tracé à partir des valeurs du tableau 1 nous montre une forte dispersion des valeurs, et l’impossibilité de tracer une droite acceptable. Nous pouvons aussi déterminer la diffusivité en ajustant la droite :
z = 2√aΠ/365 t + cte. (4)
Planche 3 : Influence de la température extérieure sur l’évolution de la température de la grotte.
Fig. a : Température extérieure. Station de Gourdon (46). Fig. b : Sas 1. Compartiment 1.
Fig. c : Sas 1. Compartiment 3. Fig. d : Salle des Taureaux Voûte.
Influence of the outside temperature on the evolution of temperature cave.
Fig. a : outside temperature. Gourdon’s meteorological station. Fig. b : Sas 1. Compartment 1. Fig. c : Sas 1. Compartment 3. Fig. d : “Salle des taureaux”.
Planche 4 : Matrice de corrélation. Polygone de liaison Matrix of correlation. Link polygon.
Planche 5 :
Rapport des amplitudes thermiques (Δt/Δt ext.) en fonction de la profondeur.
41Les graphiques des figures a et b de la planche 6 tracés à partir des valeurs des tableaux 2 et 3 nous permettent d’évaluer la diffusivité à 2.5 103 m2/h avec une forte dispersion des points autour des droites théoriques. Cette valeur correspond à celle d’un terrain humide (KREITH, 1967). Elle est relativement forte, la valeur admise pour un calcaire est de 1.6 10-3 m2/h. Hors fonctionnement de la machinerie, la température de la surface intérieure de la roche conditionne la température de l’air de la grotte.
42- Influence de la machinerie : En injectant dans la formule no2 cette valeur de diffusivité (1.6 10-3 m2/h), nous pouvons tracer les courbes d’évolution théorique des températures au point de mesure considéré. Selon cette démarche et en se référant à la planche 7 (fig. a à d), nous pouvons noter le décrochement important de la température lors de la mise en marche de la machinerie. Le phénomène est d’autant plus marqué que nous nous trouvons près des radiateurs. C’est ce fait qui explique le mauvais résultat obtenu pour le calcul de la diffusivité par la méthode des amplitudes, le signal thermique étant tronqué. Le refroidissement de l’air par la machinerie permet de maintenir une pression de vapeur d’eau dans l’air de la grotte en équilibre avec celle de la tranche d’air en contact avec les parois ornées. Ceci évite tout transfert d’eau à l’interface air-paroi ornée. En période de fonctionnement des échangeurs, la température de la surface intérieure de la roche est conditionnée par la température de l’air du réseau souterrain.
V. LE CLIMAT SOUTERRAIN DE LA GROTTE À L’ÉPOQUE DES ARTISTES DE LASCAUX
43Les datations effectuées sur des charbons prélevés en différents points de la cavité fixent l’époque des peintres au Magdalénien ancien (15 000 à 14 000 BC) (LEROI-GOURHAN et EVIN, 1979). L’étude pollinique, (ainsi que celle de la faune) conduit à fixer le climat de l’époque comme suit (BOUCHUD, 1979) :
Pluie | 500 à 700 mm |
T janvier | 0° à-10°C |
T juillet | +15° à 22°C |
T> 5°C | 150 à 200 jours |
7> 10°C | 130 à 200 jours |
44pas de sol gelé en permanence, paysage naturel de type taïga et forêt.
Planche 6 :
Déphasage en fonction de la profondeur.
Fig. a (en haut) : Déphasage en jours par rapport à la température extérieure, sur l’ensemble des mesures.
Fig. b (en bas) : Déphasage moyen en jours par rapport à la température de C1R.
Difference in phase connected with deep.
Fig. a Difference in phase connected with outside temperature on the general measure.
Fig. b : Mean difference in phase connected with C1R temperature.
45La diffusivité de la roche dépend de son humidité, de sa porosité et de sa lithologie. Sa nature n’a aucune raison d’avoir changé ; sa porosité n’a que peu évolué ; la pluviométrie restituée est voisine de celle calculée en moyenne sur les vingts années écoulées (900 mm) ; nous considérerons que la valeur 1.6 10-3 m2/h est transposable. Les études de l’un d’entre nous (VOUVE, 1979) ont montré que l’épaisseur de la voûte de la grotte était sensiblement la même. Quant au paléoenvironnement végétal, les études polliniques (LEROI-GOURHAN et GIRARD, 1979) ont montré que le couvert arborescent était présent et représenté par une forêt aux essences différentes de celles actuelles.
46L’injection de ces premières hypothèses dans la formule no2 nous amène à évaluer la température moyenne de l’air dans la grotte à + 5°C, le maximum de + 5,1 °C étant atteint en octobre et le minimum de + 4,9°C en avril pour la Salle des Taureaux prise comme référence.
Planche 7 : Influence de la machinerie sur l’évolution des températures de la grotte.
Influence of machinery on the evolution of temperature cave.
Fig. a : “Salle des machines voûte” 1971.
“The vault of “Salle des machines" 1971.
Fig. b : “Salle des machines paroi gauche” 1971.
The left hand wall of “Salle des machines" 1971.
Fig. c : “Salle des Taureaux Gours”1971.
“Salle des Taureaux Gours" 1971.
Tableau 1 : Amplitude de température. Temperature range.
Tableau 2 : (en bas)
Déphasage en jours par rapport à la température mesurée en C1R.
Difference in phase connected with C1R temperature (days).
Tableau 3 :
Déphasage en jours par rapport à la température extérieure.
Difference in phase connected with outside temperature (days).
CONCLUSIONS
47Les résultats acquis sur la dynamique thermique d’un réseau souterrain superficiel révèlent la complexité des échanges en période non influencée (régime naturel) et plus encore en période influencée par l’action d’une machinerie. Dans le premier cas, c’est l’activité extérieure saisonnière qui impose sa température cyclique à celle de l’atmosphère souterraine. Dans le second cas la température de la surface pariétale interne est conditionnée par celle imposée à l’air du réseau souterrain. A partir du choix d’une valeur de la diffusivité de la roche calcaire, il nous a paru intéressant de restituer une paléovaleur de la température de l’air dans la cavité intégrant la période 15 000-14 000 BC. Le résultat obtenu + 5°C est inférieur de 7,5°C à celui mesuré actuellement.
48Les discussions et interprétations autour de ce résultat font l’objet de travaux complémentaires qui seront soumis ultérieurement à publication.
Bibliographie
BIBLIOGRAPHIE
BOUCHUD J. (1979) : La faune de la grotte de LASCAUX. In “LASCAUX inconnu”, XIIe Supplément à Gallia Préhistoire, p. 147-152.
KREITH F. (1967) : Transmission de la chaleur et thermodynamique. Masson, Paris, 655 p.
LEROI-GOURHAN A. et EVIN J. (1979) : Les datations de LASCAUX. In “LASCAUX inconnu”, XIIe Supplément à Gallia Préhistoire, p. 81-84.
LEROI-GOURHAN A. et GIRARD M. (1979) : Analyses polliniques de la grotte de LASCAUX. In “LASCAUX inconnu”, XIIe Supplément à Gallia Préhistoire, p. 75-80.
VOUVE J. (1979) : Etude géologique et genèse hydro-karstique. In “LASCAUX inconnu”, XIIe Supplément à Gallia Préhistoire, p. 35-39,
Notes de fin
1 La chromographie permet d’étudier avec précision l'évolution quantitative et qualitative d’une agression sur une surface déterminée par mesure colorimétrique.
Auteurs
Centre d'Hydrogéologie et Laboratoire CIBAMAR
Université de Bordeaux I - 33405 Talence Cedex (Fr.)
Centre d'Hydrogéologie et Laboratoire CIBAMAR
Université de Bordeaux I - 33405 Talence Cedex (Fr.)
Laboratoire de Recherches des Monuments Historiques 77420 Champs-sur-Marne (Fr.)
Le texte seul est utilisable sous licence Licence OpenEdition Books. Les autres éléments (illustrations, fichiers annexes importés) sont « Tous droits réservés », sauf mention contraire.
Forêts d’hier et de demain
50 ans de recherches en Aquitaine
Michel Arbez, Jean-Michel Carnus et Antoine Kremer (dir.)
2017
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