PYROTECH - Au cœur des arts du feu : ressources végétales, combustibles et pyrotechnologies dans les industries anciennes

Depuis la Protohistoire, les industries des métaux reposent étroitement sur l’exploitation des ressources forestières. Le bois intervient à toutes les étapes des chaînes opératoires, depuis l’extraction minière (bois d’étaiement, équipements, aménagements, abattage par le feu) jusqu’à la réduction des minerais, puis, dans le cas du fer, au forgeage, en passant par la production de charbon de bois. En raison de leurs besoins considérables en combustible, en particulier dans les contextes d’exploitation intensive, ces activités ont surtout été étudiées jusqu’à présent sous l’angle de leurs effets sur les forêts, en termes de déforestation, de pression sur les peuplements et de transformation des paysages. En revanche, la question de la qualité des combustibles, et plus particulièrement celle du charbon de bois utilisé pour la réduction, demeure peu abordée. Or, les données disponibles montrent que les propriétés d’intérêt du charbon – teneur en carbone fixe, densité, résistance mécanique, composition des cendres, réactivité – dépendent à la fois des caractéristiques du bois initial et des conditions de pyrolyse.

Le projet PYROTECH propose d’aborder frontalement cette lacune à travers une recherche interdisciplinaire associant archéologie, anthracologie, sciences du bois, ainsi que caractérisations physico-chimiques et mécaniques. L’objectif est de comprendre dans quelle mesure les artisans du passé maîtrisaient l’ensemble du processus de production du combustible, depuis la sélection de la biomasse ligneuse en forêt jusqu’à la carbonisation, et de déterminer si des qualités différenciées de charbon peuvent être mises en évidence selon les contextes techniques, les périodes et les types de sites. Il s’agit également d’évaluer si certaines pratiques sélectives ont pu orienter la gestion des peuplements forestiers et contribuer à façonner durablement les socioécosystèmes forestiers.

La méthodologie reposera sur trois volets complémentaires.

• Le premier consistera à construire des référentiels en conditions contrôlées, à partir de différentes essences (Sapin blanc, Épicéa, Chênes sessile et pédonculé, Hêtre), parties de l’arbre (tronc, branches, souches), états du bois et paramètres de pyrolyse, afin de mesurer leurs effets sur les propriétés finales du charbon.
• Le deuxième volet développera une approche expérimentale, fondée notamment sur le charbonnage traditionnel, afin de produire des référentiels en conditions proches des procédés anciens, puis tester l’utilisation de ces combustibles dans des opérations métallurgiques (réduction du fer), avec analyse des résidus produits.
• Le troisième volet visera à renouveler l’étude des vestiges anthracologiques issus de charbonnières, de sites de réduction et de contextes de rejets, en les abordant non plus seulement sous l’angle taxinomique, mais aussi à partir de critères anatomiques, dendrologiques/xylologiques, phénologiques et physiologiques, physico-chimiques et mécaniques susceptibles de renseigner la qualité des combustibles et les choix techniques. Les bases théoriques déjà rassemblées montrent bien que l’essence seule ne suffit pas à définir un « bon » charbon, et que la qualité finale résulte d’interactions complexes entre biomasse, préparation du bois, conduite de la carbonisation et usage technique.

Le projet s’appuiera sur un environnement instrumental déjà disponible et complémentaire. Il mobilisera les équipements de la plateforme TITAN/MIFHySTO (fours à pyrolyse instrumentés avec sondes, étuve, spectromètre Raman, microscopies numérique et électronique), les dispositifs accessibles à l’UTBM (TGA/DSC/ATD, MEB-EDS, outils de préparation et d’essais), ainsi que les ressources mobilisables auprès des partenaires pour certaines mesures complémentaires (notamment pour le pouvoir calorifique, le FTIR, la RMN du carbone 13, GC-MS). Il s’appuiera également, plus largement, sur les équipements de la plateforme PYRAE du LMC (Microscopie, P-XRF, plateforme expérimental, étuve, etc.) et des différents pôles de l’IRAMAT (microspectroscopie Raman, etc.).

Cet adossement instrumental permettra de documenter selon une approche graduée, les principales dimensions de la qualité des charbons végétaux : analyses combustible de base (humidité, matières volatiles, cendres, carbone fixe), comportement thermique, pouvoir calorifique, degré de carbonisation, organisation structurale du carbone, texture et morphologie, composition minérale, ainsi que certaines propriétés déterminantes pour les usages métallurgiques, telles que la densité, la friabilité et la réactivité. Il garantit la faisabilité du programme expérimental tout en permettant d’adapter le niveau de caractérisation aux questions posées et aux volumes d’échantillons disponibles. 

Les résultats attendus sont multiples.

Le projet doit permettre d’élaborer des protocoles originaux de caractérisation des combustibles anciens, de mieux identifier les critères de sélection et de préparation du bois, d’évaluer le degré de technicité et de maîtrise des procédés de carbonisation, et de discuter l’existence éventuelle de combustibles différenciés selon les usages métallurgiques. Il contribuera également à renouveler la compréhension des relations entre techniques, ressources et milieux, en montrant comment les exigences de la production métallurgique ont pu influencer la gestion des peuplements forestiers et l’activation préférentielle de certaines ressources. Ancré en Bourgogne-Franche-Comté, le projet s’appuie sur une documentation archéologique particulièrement riche, acquise notamment par l’équipe LMC de l’IRAMAT et par le laboratoire Chrono-environnement, comprenant à la fois les grands districts sidérurgiques antiques de Puisaye, le district de fer sédimentaire du Haut-Jura, et les exploitations polymétalliques du massif vosgien franc-comtois.

Au-delà de l’étude des sociétés anciennes, il ouvrira ainsi une réflexion sur les combustibles issus de ressources renouvelables, sur leurs propriétés et sur les conditions de leur mobilisation technique, dans un contexte contemporain marqué par les enjeux de transition écologique. Ce programme a également vocation à poser les bases méthodologiques d’une archéométrie du végétal fondée sur des approches multiproxies et sur des référentiels expérimentaux transférables à d’autres contextes de production.