ARCHéMuon : projet d’exploration des galeries du « Palais du Miroir » (Saint-Romain-en-Gal, Rhône)

Un précédent billet avait présenté le projet de recherche concernant la topographie antique de Vienne, Saint-Colombe et Saint-Romain-en-Gal. La diversité des problématiques archéologiques et contextes urbains de ce dernier site en fait aussi un lieu idéal d’expérimentation pour tester les différentes méthodes géophysiques pour la reconnaissance archéologique du sous-sol urbain. La rencontre de membres d’Archéorient et de l’Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (IP2I) a permis de mettre en place une expérimentation de type nouveau : la détection par muons cosmiques.

Fig. 1 : Vue du Palais du Miroir  CC BY-SA 3.0

L’idée était de trouver un site qui permettrait d’expérimenter cette méthode sur une problématique archéologique pertinente -la recherche de vides- avec une approche couplée à la géophysique de subsurface. L’exploration des galeries du Palais du Miroir de Saint-Romain-en-Gal présentait un cas d’étude particulièrement pertinent (Fig. 1). Cet édifice thermal (Brissaud 2016), dont une partie reste bien conservée avec des murs de plus de 6 m de haut, repose sur un réseau de galeries (Fig. 2) dont l’organisation et l’extension maximale restent inconnues en raison d’effondrements qui n’ont pas permis de les explorer entièrement. L’utilisation de la muographie pourrait permettre de reconnaître l’ensemble de ce réseau qui semble couvrir au moins 9000 m² (Savay-Guerraz et Prisset 1992).

Fig. 2 : Vue ancienne de l’entrée de l’une des galeries du Palais du Miroir (date inconnue). Celles-ci étaient alors interprétées comme un endroit où « les Romains enfermaient les prisonniers Gaulois ».  CC BY-SA 3.0
Des muons pour explorer les vides

La tomographie par muons cosmiques ou muographie est une technique d’imagerie structurelle et fonctionnelle innovante, basée sur l’absorption ou la déviation de particules produites naturellement dans l’atmosphère – les muons – et qui parviennent jusqu’au niveau du sol avec un flux (nombre de particules par seconde, par mètre carré dans chaque direction) connu et simulé par des méthodes Monte-Carlo. En moyenne on capte 1 muon par cm² et par minute au niveau de la mer, ce qui représente environ 15% des rayonnements ionisants que l’on intègre régulièrement à la surface terrestre.

A l’instar de l’imagerie médicale par rayons X, la muographie repose sur une absorption ou une déviation de particules lors de leur traversée de la matière, du fait des interactions avec les atomes constitutifs de celle-ci. Ces deux phénomènes dépendent de la densité du matériau traversé et aussi de sa composition chimique. On effectue donc précisément une densitométrie de contraste (Marteau et al. 2012).

Fig. 3 : Principe général de la muographie. Les muons sont créés dans l’atmosphère après interaction des rayons cosmiques primaires au sommet de cette dernière (haut, droite). Ils sont détectés par un capteur appartenant à la catégorie des « trajectographes » (haut, gauche) capable de reconstruire et de compter l’ensemble des trajectoires de particules ayant survécu à la traversée de la cible étudiée (traits rouges sur le schéma du bas, convergeant vers le détecteur). La comparaison avec le flux de référence, en l’absence d’obstacle, permet de remonter à la distribution de matière à l’intérieur de la cible (ici les couches géologiques au-dessus du détecteur).

Le principe général de la muographie (Fig. 3) consiste à placer un détecteur à muons (Fig. 4a et b) dans une galerie souterraine afin de capter le flux de muons qui a réussi à traverser les couches géologiques supérieures (Lesparre et al. 2012). La comparaison au flux théorique, en absence d’obstacle, donne accès à l’opacité de la structure. Cette phase d’analyse correspond au problème direct. Pour remonter à la répartition de densité de matière à l’intérieur de la structure, on introduit les connaissances a priori sur la cible, notamment sa topographie, puisqu’une valeur donnée d’opacité, produit de deux variables, peut être obtenue par de multiples combinaisons. Cette phase d’analyse constitue le problème inverse, dont les solutions sont les répartitions les plus probables de matière à l’intérieur de la cible.

Fig. 4 : Détecteur de muons. a) Dispositif installé sur les pentes de la Soufrière de Guadeloupe en 2015. b) Détecteur « allégé » conçu pour être installé dans les sites plus compliqués d’accès (type Palais du Miroir)

Cette méthode a été introduite en France à partir de 2008 par l’équipe de l’IP2I « Diaphane » (du nom de l’ANR qui a financé ces premiers développements de 2014 à 2019 pour des applications sur la Soufrière de Guadeloupe) et appliquée avec succès dans de nombreux domaines, de la volcanologie au contrôle industriel. En archéologie, elle a obtenu des succès très médiatisés sur des cibles très volumineuses avec le projet ScanPyramids sur les pyramides d’Égypte, mais avec des résultats scientifiques limités.

Le challenge ici est de réaliser une mesure précise sur une cible souterraine de dimensions plus faibles, où la contrainte statistique du faible flux des muons joue un rôle important. Pour lever ce verrou, la méthode prévoit d’affiner les possibilités de mesure conjointe avec une méthode géophysique standard.

Une approche interdisciplinaire et complémentaire

Le projet se décline en plusieurs phases, la première consistant en une optimisation des méthodes avec notamment l’utilisation des nouvelles simulations de flux réalisées à l’IP2I.

La seconde phase consistera en une prise de données de plusieurs mois sur le site du Palais du Miroir et l’analyse des résultats obtenus. La configuration du site, souterrain mais peu profond, avec un plateau en surplomb, va permettre le test et la validation de mesures couplées avec des prospections de surface. Deux méthodes seront utilisées : la méthode électrique pour la réalisation de coupes verticales de la résistivité électrique du terrain (tomographie électrique) et la méthode sismique. Cette dernière, dont les applications se développent en hydrogéologie, reste peu utilisée en archéologie, notamment en contexte urbain où les premières expérimentations réalisées donnent cependant des résultats encourageants (Fondrillon 2021) : elles ont en effet montré que des structures relativement importantes (fossés ou remparts par exemple) pouvaient être détectées au moyen de cette méthode. Les galeries ont aussi une taille suffisante et l’approche sismique pourrait donc apporter des résultats complémentaires par rapport aux méthodes radar et électrostatiques déjà testées en 2020. La validation de mesures couplées muographie-sismique et/ou muographie-ERT constituera en outre une première dans ce type d’étude.

Enfin une phase exploratoire et complémentaire des deux précédentes consistera en une expérimentation de surface en utilisant des fibres optiques, méthode proposée par les collègues du LGL-TPE (CNRS-INSU). Le site du Palais du Miroir, idéal en termes de configuration pour le développement de méthodes d’investigation interdisciplinaire sera ainsi le théâtre d’un genre nouveau à la frontière des thématiques de 3 Instituts du CNRS, IN2P3, INSHS et INSU, phénomène plutôt rare et extrêmement prometteur.

Résultats attendus

Le projet doit aboutir au développement d’une méthode générique et applicable à l’étude et à la caractérisation de sites fragiles d’intérêt archéologique.

Du point de vue méthodologique, le projet débouchera sur un environnement innovant d’analyses conjointes dans le domaine de l’imagerie géophysique et géotechnique. Les applications d’une telle méthode sont nombreuses depuis la caractérisation de zones humides en hydrogéologie jusqu’au contrôle des dépôts dans les conteneurs de l’industrie lourde.

Du point de vue archéologique, le résultat principal sera une imagerie structurelle du site sélectionné. Elle permettra de cartographier l’ensemble des cryptoportiques qui soutiennent le Palais du Miroir au-delà des parties qui sont actuellement accessibles. Dans le domaine de l’archéologie, ce type d’approche semble plutôt adapté à la recherche de chambres funéraires, à l’intérieur de pyramides ou de tumuli Les applications sont en fait beaucoup plus nombreuses et variées et l’exemple du Palais du Miroir peut ouvrir des perspectives de recherche intéressantes pour l’identification d’aménagements souterrains : cela peut concerner l’archéologie urbaine (réseaux d’égouts, caves ou citernes par exemple), l’archéologie minière (recherche des galeries d’extraction ou d’exhaures), ou encore l’archéologie funéraire pour des systèmes complexes de nécropoles creusés dans le rocher tels que ceux découverts à Alexandrie il y a une vingtaine d’années. Ce type d’étude préliminaire pourrait considérablement faciliter l’approche archéologique et jouer un rôle essentiel dans la détection, l’étude et la protection de ces sites souterrains.

Ce projet bénéficie également de la collaboration du LabCom GEO-HERITAGE et de la start-up MUODIM spécialisée dans les mesures muographiques appliquées.

Bibliographie

Brissaud, L., 2016. Les fistulae estampillées VASSEDO. VF : réflexion critique sur la valeur et la fonction d’un nom, in: Brancier, J., Vallette, T., Rémeaud, C. (Eds.), Des Vestiges Aux Sociétés : Regards Croisés Sur Le Passage Des Données Archéologiques à La Société Sous-Jacente, Archéo.Doct. Éditions de la Sorbonne, Paris, pp. 57–83.

Fondrillon, M., 2021. Bourges – Jardins de l’Archevêché [notice archéologique]. ADLFI. Archéologie de la France – Informations.

Lesparre, N., Marteau, J., Déclais, Y., Gibert, D., Carlus, B., Nicollin, F., Kergosien, B., 2012. Design and operation of a field telescope for cosmic ray geophysical tomography. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems 1, 33–42. https://doi.org/10.5194/gi-1-33-2012

Marteau, J., Gibert, D., Lesparre, N., Nicollin, F., Noli, P., Giacoppo, F., 2012. Muons tomography applied to geosciences and volcanology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, New Developments in Photodetection NDIP11 695, 23–28. https://doi.org/10.1016/j.nima.2011.11.061

Savay-Guerraz, H., Prisset, J.-L., 1992. Le portique de Saint-Romain-en-Gal (Rhône) et son contexte. État des recherches. Revue archéologique de Narbonnaise 25, 105–124. https://doi.org/10.3406/ran.1992.1401

Les auteurs

Jacques Marteau est Maître de Conférence à l’Université Claude Bernard Lyon 1. Il est physicien des particules et directeur adjoint de l’Institut de Physique des Deux Infinis de Lyon.

Christophe Benech est Chargé de Recherche au CNRS. Spécialiste en géophysique appliquée à l’archéologie. UMR 5133-Archéorient, Maison de l’Orient et de la Méditerranée, Lyon.



Citer ce billet
Jacques Marteau et Christophe Benech (2021, 12 novembre). ARCHéMuon : projet d’exploration des galeries du « Palais du Miroir » (Saint-Romain-en-Gal, Rhône). ArchéOrient - Le Blog. Consulté le 20 mai 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/bd1b

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1 réponse

  1. 16 novembre 2021

    […] Un précédent billet avait présenté le projet de recherche concernant la topographie antique de Vienne, Saint-Colombe et Saint-Romain-en-Gal. La diversité des problématiques archéologiques et contextes urbains de ce dernier site en fait aussi un lieu idéal…  […]

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