Profond ou pas profond ? Utilisation de la géophysique sur les carrières antiques de Délos

Contexte de l’étude

L’île de Délos est un site emblématique de la Grèce antique, connu d’un point de vue mythologique comme étant le lieu de naissance d’Apollon et de sa sœur Artémis et classé au patrimoine mondial de l’UNESCO depuis 1990. Le site recense des centaines d’édifices publics et privés érigés avec des matériaux de construction locaux et d’autres importés des îles environnantes ou encore de Grèce continentale.

Depuis 2019, le projet GAD (Géologie et architecture à Délos) étudie l’usage de la pierre à Délos, de son extraction en carrière à son utilisation dans les monuments de l’île. Plus d’une quarantaine de carrières de pierres ont ainsi été creusées sur l’île de Délos pour l’exploitation du marbre, du gneiss ou du granite. Ces carrières sont aujourd’hui en partie comblées par un mélange de blocs de pierre et de sédiments, sans que l’on sache réellement si ce remplissage ne concerne que quelques dizaines de centimètres ou plusieurs mètres…

C’est pour répondre à cette question, et ainsi permettre une évaluation la plus précise possible du volume total de roche excavé, qu’une étude combinant des mesures géophysiques et géotechniques a été réalisée entre 2022 et 2023 sur les carrières situées au nord de l’île. Reposant sur le postulat qu’il existe entre la couche de remplissage et la roche encaissante un contraste de propriétés électrique et mécanique suffisant pour être détecté, la première campagne de mesure a permis de montrer le potentiel de la combinaison de ces méthodes d’investigation pour l’estimation des épaisseurs de remplissage sur une carrière test. La seconde campagne de mesure a permis d’étudier un plus grand nombre de carrières en utilisant les trois méthodes d’investigations qui s’étaient avérées les plus pertinentes lors de la précédente campagne. Cette seconde campagne a également permis de montrer que la variation des propriétés des carrières avec la profondeur, est en réalité plus complexe que l’hypothèse de travail considérée initialement.

Fig. 1 : Répartition des méthodes d’investigation mises en œuvre en 2023 dans les carrières de Délos.
Les méthodes d’investigation utilisées
  • Pénétromètre dynamique

Le pénétromètre dynamique léger (ou Dynamic Cone Penetrometer – DCP) permet de caractériser la résistance mécanique du sous-sol par l’enfoncement d’un train de tiges en acier par battage manuel dans notre cas (Fig. 2).

Fig. 2 : à gauche : courbe de résistance de pointe en fonction de la profondeur pour deux sondages (en vert et en bleu) au pénétromètre dynamique ; à droite : le PANDA® sur le terrain.

La mesure de l’enfoncement de la tige après chaque coup permet de déterminer la résistance mécanique du sol à la pointe de la tige et de différencier des couches aux propriétés mécaniques différentes. Il s’agit d’un essai local, utilisé sur les sols fins jusqu’à 2 à 3 m de profondeur ou au refus atteint lorsque le sous-sol est trop résistant pour que la tige puisse s’enfoncer. L’appareil utilisé sur le terrain est le PANDA® de chez Sol Solution. Il fonctionne par battage manuel à énergie variable : l’opérateur tape avec un marteau sur un capteur de pression placé au-dessus de la tige, la pression du coût et l’enfoncement de la tige sont ainsi mesurés et permettent de quantifier la résistance mécanique du sol à la pointe de la tige. Lorsque le train de tige ne pénètre plus pas la roche on parle de refus. C’est le signe qu’un bloc ou le substratum géologique est atteint.

  • Les profils de tomographie de résistivité électrique

La tomographie de résistivité électrique (TRE ou ERT — electrical resistivity tomography — ou encore panneaux électriques) est utilisée pour décrire les variations des propriétés électriques des différentes couches stratigraphiques du sous-sol en fonction de la profondeur.

Fig. 3 : à gauche : principe de la tomographie de résistivité électrique et exemple de modèle 2-D de résistivités résultant ; à droite : ligne d’électrodes implantée lors d’un profil de tomographie électrique.

Elle permet une visualisation des ensembles stratigraphiques à partir de mesures de surface, en se basant sur leur résistivité électrique. Un profil d’électrodes régulièrement espacées est implanté au sol (Fig. 3) et, au fur et à mesure de l’acquisition, des électrodes de plus en plus espacées sont utilisées. Le courant injecté circule ainsi de plus en plus profondément dans le sous-sol ce qui permet réaliser une série de sondages non destructifs. Les variations en profondeur de résistivités électriques reflètent les changements de nature du sous-sol (composition, type de roche, teneur en eau, porosité etc.). Cette méthode permet ainsi de restituer un modèle 2-D des variations de résistivité électrique le long du profil de mesure.

  • Profilage électromagnétique

La prospection électromagnétique utilise le phénomène d’induction d’un champ électromagnétique (EM) pour déterminer la résistivité électrique des terrains sous-jacents. Ce champ est créé par une bobine émettrice disposée à proximité du sol et la réponse du sol est mesurée par une bobine réceptrice. Le déphasage entre le champ émis et la réponse reçue permet d’estimer la résistivité électrique du sol. La profondeur d’investigation croît avec l’écartement entre les bobines et l’utilisation d’un système avec plusieurs bobines réceptrices permet de réaliser un sondage non destructif. L’appareil utilisé sur le terrain est un CMD-Explorer de chez GF Instruments disposant de 3 bobines de réception (Fig. 4). Cette méthode permet de restituer un modèle 2-D des variations de conductivité électrique avec la profondeur ainsi que ses variations latérales.

Fig. 4 : à gauche : principe de la prospection électromagnétique ; à droite : CMD-Explorer.
Discussion et Recommandations

L’étude géophysique réalisée en 2023 à Délos s’inscrit dans la continuité directe de « l’étude de faisabilité » réalisée en 2022 (Vitale et al. 2023). Cette précédente étude s’était notamment consacrée à une analyse comparée de différentes méthodes d’investigation mises en œuvre sur la carrière C01 et avait abouti à la sélection des trois méthodes d’investigation utilisées cette année (sondage pénétrométrique, tomographie de résistivité électrique et profilage électromagnétique). Ce choix était principalement motivé par l’existence d’un contraste de propriétés électrique et mécanique entre le remplissage de la carrière et le substratum géologique dans cette carrière.

Au cours de la mission de 2023, sur les 15 carrières étudiées, l’ensemble des trois méthodes d’investigation a pu être mis en œuvre pour onze d’entre elles (les quatre autres ayant été prospectées par au moins une des méthodes, Fig. 1).

Les différentes techniques d’investigation mises en œuvre n’ont pas permis une estimation satisfaisante de l’épaisseur de comblement des carrières. Il apparaît que l’hypothèse initiale d’un remplissage conducteur surmontant l’encaissant résistant ne se vérifie pas dans toutes les carrières. On peut globalement regrouper les carrières étudiées en deux catégories (remplissage électriquement résistant d’un côté et remplissage conducteur de l’autre) qui reflètent principalement une distinction entre les carrières de l’est et celles de l’ouest.

Dans les carrières ayant un remplissage conducteur (à l’est de l‘île), les résultats montrent que la méthode EM sous-estime l’épaisseur du remplissage tandis que l’ERT s’avère, quant à elle, incapable de la traverser. La Figure 5, qui rassemble les résultats des trois méthodes, illustre ce phénomène : on y voit au centre de la section ERT une zone de remplissage conducteur (tons bleus) qui descend bien au-delà des profondeurs données par sondages pénétrométriques (représentés en rouge sur la figure). Au contraire, sur la section EM, cette zone conductrice à une épaisseur plus faible que la profondeur minimale donnée par les sondages pénétrométriques.

Fig. 5 : Sondages pénétrométriques sur la tomographie de résistivité électrique (haut) et profil de conductivité électrique obtenu par la méthode électromagnétique (bas) sur la carrière C03.

Dans les carrières ayant un remplissage résistant (à l’ouest de l‘île), la méthode EM ne permet pas de distinguer le remplissage de ces carrières tandis que l’ERT le met bien évidence sans toutefois permettre une quantification de son épaisseur. Ceci se traduit (Fig. 6) par l’apparition d’un remplissage résistant sur les sections ERT (tons jaunes), tandis que la section EM ne montre pas de réelle variation latérale.

Fig. 6 : Sondages pénétrométriques sur la tomographie de résistivité électrique (haut) et profil de conductivité électrique obtenu par la méthode électromagnétique (bas) sur la carrière C18.

Les investigations menées en 2022, ciblées principalement sur la carrière C01 n’avaient pas mis en évidence cette hétérogénéité de propriété des remplissages.

Les sondages pénétrométriques réalisés au cours des deux missions permettent cependant de donner une information sur l’épaisseur minimale de remplissage des carrières. Ainsi, l’épaisseur du remplissage est de plus de 4,25 m dans la carrière C01 et d’au moins 0,92 m dans la carrière C20.

Étant donné l’incertitude qui demeure à l’issue de cette étude sur l’épaisseur précise de remplissage, l’utilisation d’autres méthodes, non encore testées à Délos car le matériel est lourd à transporter et elles sont difficiles à mettre en œuvre, pourrait être envisagée sur quelques carrières choisies lors d’acquisitions futures. Il serait intéressant notamment de tester des méthodes sensibles au contraste de propriétés mécaniques entre le remplissage et la roche encaissante. La méthode sismique (en réfraction et en onde de surface) pourrait permettre d’obtenir des profils 2D traversant l’intégralité du remplissage de certaines carrières.

Bibliographie

Vitale, Q., Finco, C., Moretti, J.-C., 2023. Non-invasive depth estimation of Delos quarries, in: Advances in On- and Offshore Archaeological Prospection: Proceedings of the 15th International Conference on Archaeological Prospection. Presented at the 15th International Conference on Archaeological Prospection, Kiel: Universitätsverlag Kiel, Kiel, Germany, pp. 287–291. https://doi.org/10.38072/978-3-928794-83-1/p58

Les auteurs

Quentin Vitale est ingénieur de recherche à Éveha International et chercheur associé de l’UMR 5133 – Archéorient, Maison de l’Orient et de la Méditerranée, Lyon.

Cécile Finco est chargée de recherche au Cerema dans l’équipe de recherche ENDSUM, Le Grand-Quevilly (anciennement en post-doctorat au sein de l’UMR 6143 M2C, Université de Rouen).

Jean-Charles Moretti est directeur de recherche au CNRS et directeur de la mission archéologique de Délos. Antenne IRAA Lyon, Maison de l’Orient et de la Méditerranée, Lyon.



Citer ce billet
Quentin Vitale, Cécile Finco et Jean-Charles Moretti (2023, 31 octobre). Profond ou pas profond ? Utilisation de la géophysique sur les carrières antiques de Délos. ArchéOrient - Le Blog. Consulté le 20 mai 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/bd3k

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