Analyse des charbons de bois archéologiques de la séquence Later Stone Age du site préhistorique de Bushman Rock Shelter, Limpopo, South Africa : du terrain au travail de laboratoire

TEXTE INTEGRAL

Introduction

Le feu, stimulateur des innovations culturelles en Afrique australe

L’Afrique australe est une région incontournable pour la compréhension de l’évolution biologique et cognitive de notre espèce. L’intensification et la diversification de nouveaux comportements techniques et symboliques à partir de 100 ka BP ont ainsi été révélées par les récentes découvertes archéologiques [1]. L’usage du feu a joué un rôle fondamental dans le développement cognitif complexe des sociétés préhistoriques de la région. En plus de faire partie intégrante de la vie quotidienne des groupes de chasseurs-cueilleurs du passé, par exemple pour la cuisine ou le chauffage, son utilisation témoigne également d’innovations techniques basées sur des traitements thermiques : préparation pour façonnage d’outils, fabrication de colle pour emmanchement, préparation de colorants pour éléments de parure, ou de plantes à but médicinal [2-4]. Le feu, objet social et reflet des capacités techniques et symboliques, est de ce fait considéré comme marqueur d’identité et facteur de transformation sociale. Les charbons de bois, résidus des foyers préhistoriques, sont remarquablement bien conservés dans les sites sud-africains [5]. L’étude de ces restes botaniques, appelée anthracologie, est une discipline connue de la région, mais dont le cadre méthodologique reste encore à développer. Le riche registre disponible de sites archéologiques préservant des charbons, couplé à l’usage des nouveaux outils des sciences bioarchéologiques offrent aujourd’hui l’opportunité à la fois (i) d’évaluer le rôle socio-économique du feu et sa gestion au sein des communautés de chasseurs-cueilleurs préhistoriques et (ii) de contribuer à la reconstruction paléoenvironnementale via l’évolution de la végétation ligneuse dans une région clé pour la compréhension des processus évolutifs et des interactions sociétés/milieux.

Objectifs de recherche

Les occupants du bassin du Limpopo après la dernière glaciation

L’étude du riche assemblage de charbons préservés sur le site préhistorique de Bushman Rock Shelter permet d’explorer ces grandes questions autour du feu. Les restes de charbon, issus de la combustion incomplète du bois, contribuent largement à l'accumulation des dépôts sur le site et sont considérés comme étant principalement, voire exclusivement, d'origine anthropique. L’abri situé dans les terres du bassin du Limpopo, une région peu documentée au profit des sites côtiers, bénéficie depuis 2014 d’un programme international et multidisciplinaire dirigé par G. Porraz, CNRS, et A. Val, Universität Tübingen [6].

Les charbons sont issus d’une séquence quasi continue et robustement datée comprise entre ca -15,7 et -10,7 ka cal BP dont la culture matérielle témoigne d’occupations de la période du Later Stone Age. Longtemps oubliée des problématiques liées à nos origines, cette période charnière atteste des derniers chasseurs-cueilleurs préhistoriques de la région avant l’installation des premiers groupes pastoraux il y a ca 2 ka. Cette séquence représente ainsi l’une des rares archives paléoenvironnementales terrestres d’Afrique australe ayant enregistré la période climatique critique de la transition Pléistocène/Holocène avec des occupations humaines qui lui sont associées. En effet, ces groupes humains ont fait face au dernier changement climatique majeur du passé: le passage il y a 11,7 ka cal BP de la dernière glaciation globale de la fin du Pléistocène au climat tempéré de l’Holocène [7]. Si les mécanismes de cette transition sont bien documentés dans l’hémisphère Nord, elle reste encore peu comprise dans cette région de l’hémisphère Sud où les occupations humaines ont évolué dans des milieux écologiques contrastés entre littoral et intérieur des terres. À cet égard, cette première étude anthracologique sur le site revêt un caractère exceptionnel puisqu’elle renseigne un moment clé et peu connu de l’histoire humaine et climatique de la région dont les données respectives sont directement interprétables et corrélables.

Résumé de la méthode

Ce travail de recherche doctorale s’articule autour de deux approches complémentaires :

(i) Une approche paléoéconomique. Les charbons concentrés dans des lentilles plus ou moins riches en matière organique (graines, brindilles et os brûlés) assimilés à des structures de combustions (dépôt primaire) témoignent de niveaux d’occupations in situ. Leur étude permet d’appréhender la gestion du bois en tant que combustible depuis sa collecte (territoire d’approvisionnement, choix taxinomique, état physiologique) jusqu’à son usage (propriétés physico-chimiques du combustible, usage symbolique et/ou fonctionnel du foyer).

(ii) Une approche paléoécologique. Les charbons dispersés dans les couches cendreuses (dépôt secondaire remobilisé et accumulé sur la longue durée) comportant une plus grande diversité d’espèces ligneuses, apportent une information synthétique reflétant l’évolution de la végétation locale boisée en lien avec les changements environnementaux.

Si cette démarche scientifique est communément adoptée pour répondre aux problématiques des périodes paléolithiques des régions européennes [8], elle requiert de relever des défis méthodologiques majeurs en Afrique australe où la grande diversité des espèces ligneuses (>950 espèces d’arbres et arbustes indigènes des savanes et des prairies dans la zone d’étude) complexifie le processus d’identification des taxons présents dans l’assemblage [9]. En Afrique australe, le potentiel des charbons archéologiques comme outil de reconstruction de la végétation ligneuse passée a été exploité pour la première fois à Boomplaas Cave [10]. Depuis, encore trop peu d’analyses anthracologiques en contexte préhistorique ont contribué aux études paléoenvironnementales de la région [11-12]. L’originalité de ce travail de recherche réside ainsi dans la mise en place d’un cadre méthodologique standardisé assurant l’intégrité des résultats et leur reproductibilité pour de futures études dans une région où le potentiel reste encore à exploiter.

L’acquisition des données de terrain

L’assemblage des charbons archéologiques

Les charbons de bois préservés dans la stratigraphie ont été systématiquement prélevés par tamisage à sec de maille 3 mm des sédiments fouillés lors des campagnes de fouille entre 2015 et 2018. Leurs récoltes s’effectuent par décapage, sous-carré et unité stratigraphique à l’instar des autres vestiges archéologiques [6,13]. Les vestiges archéologiques issus de la fouille de Bushman Rock Shelter sont stockés à l’Evolutionary Studies Institute à l’Université de Witwatersrand. Un permis d’exportation a été obtenu pour les charbons archéologiques pour en effectuer les analyses au CEPAM à l’université Côte d’Azur.

Collecte de bois modernes pour collection de comparaison

La structure anatomique du bois, caractéristique des essences, est préservée après carbonisation et les taxons peuvent être identifiés au microscope à lumière réfléchie. L’identification taxinomique des charbons de bois constitue une étape inhérente à toute analyse anthracologique, mais peut s’avérer extrêmement difficile dans cette partie du monde, très riche en espèces ligneuses, qui se caractérisent par la grande similarité anatomique inter spécifique au sein des familles ou des genres. Les divers régimes climatiques et reliefs qui caractérisent la région contribuent également à la grande variabilité intra spécifique de l’anatomie du bois qui est intrinsèquement liée aux conditions écologiques de croissance de l’arbre. Par conséquent, la précision de l'identification et leur interprétation pour la reconstruction de la végétation ligneuse passée dépendent du degré de connaissance de l’anatomie des taxons et de l’écologie de la végétation actuelle [14].

La création d’une collection de bois de référence des espèces indigènes est indispensable pour assurer la fiabilité des identifications taxinomiques des charbons archéologiques. Des collections de référence modernes sur les charbons de bois existent pour l'Afrique australe mais sont souvent spécifiques à des zones géographiques relativement limitées et ne sont pas systématiquement publiées et/ou disponibles pour consultation [e.g.15].

Pour mener à bien ce projet, une prospection importante de la végétation environnante du site de Bushman Rock Shelter a ainsi été réalisée sur la base des descriptions détaillées des « types de végétation » de savane et de prairie [16] présents, afin d'identifier les espèces importantes qui devraient être intégrées pour compléter la collection de comparaison de bois de référence disponible à l’université de Witwatersrand.

56 espèces de branches de bois sélectionnées provenant de différents arbres et arbustes ont été échantillonnées en novembre 2018.

Ensuite, 9 autres bois ont été échantillonnés à côté du site archéologique d'Olieboomspoort près de Lephalele dans le biome de la savane en octobre 2019. En outre, d'autres bois modernes des environs de la BRS (échantillonnés précédemment par C. Sievers et M. Murungi à d'autres fins botaniques) ont également été ajoutés à la collection. Des échantillons de référence comme des feuilles, des graines et/ou des fruits et des fleurs de chacun des spécimens ont été systématiquement collectés pour en garantir l'identification, grâce à l’expertise des botanistes R. Reedy et K. Balkwill au Wits C.E. Moss Herbarium de l’université de Witwatersrand.

Visites des collections de bois et charbons de référence

Toujours dans l’optique de compléter les taxons qui présenteraient un intérêt écologique pour la zone d’étude, des xylothèques européennes possédant des bois de l’Afrique australe ont également été contactés. Des collaborations avec différents laboratoires de recherche possédant des xylothèques de bois d’Afrique australe ont permis également d’enrichir le corpus des référentiels. Accueillies par l’anatomiste du bois P. Langbour pour consulter la xylothèque des bois tropicaux du Cirad, Unité de Recherche BioWooEB, à Montpellier en novembre 2019, 25 nouvelles essences ont pu être décrites et photographiées [17]. La collection de charbons de référence de Namibie [18] et des bois tropicaux d’Afrique (>100 essences avec descriptions et photographies) du département d’archéobotanique africaniste de l’Université de Goethe à Francfort a également pu être observée au cours d’un séjour en juillet 2021 sous la supervision des anthracologues K. Neumann et A. Höhn.

L’acquisition des données en laboratoire

Constitution de la collection de bois de référence

Après avoir été séchés, les spécimens de bois récoltés ont été pesés et mesurés avant et après la combustion afin de comparer par espèce l'effet de la carbonisation sur la réduction du bois. Ils ont été carbonisés dans un four à moufle LENTON 0861, disponible à l'Evolutionary Studies Institute, pendant 3 heures à 500 °C. Ensuite ils ont été examinés selon les trois dimensions du bois, transversale, longitudinale et tangentielle, pour une observation standard au microscope optique à lumière réfléchie et aux grossissements de 100x, 200x et 500x [19]. Environ 150 caractères anatomiques du bois ont été systématiquement décrits pour chaque spécimen selon la liste de l'Association Internationale des Anatomistes du Bois (IAWA) [20] et ont été photographiés à l'aide du logiciel d'analyse d'images associé au microscope.

Standardisation des caractères anatomiques : clés d’identification et atlas des bois d’Afrique australe

Il n'existe actuellement pas d'atlas ou de clé d’identification anatomique exhaustive des bois pour la zone d’étude. Cette étude s’appuie donc sur la littérature disponible mais disparate et sur quelques atlas publiés pour le Sahara, l'Afrique de l’Ouest, australe et centrale [e.g.12] [18,21], sur la base de données en ligne « Inside Wood » [22] ainsi que la collection de charbons de référence disponible à l’université de Witwatersrand à Johannesburg. Il s’est alors imposé de réunir dans une même base de données les différentes descriptions et photomicrographies de bois extraites des publications, des collections consultées ainsi que de la collection réalisée pour cette recherche. Accompagnée d’un atlas photographique détaillé, cette base permettra de constituer une clé d’identification numérique des bois de la région à l’instar de celle publiée pour la Guyane française [23] à l’aide du logiciel libre Xper2® dédié à la classification taxinomique.  

Protocole de sous-échantillonnage : représentativité et estimation de la diversité et de la fragmentation taxinomique

Une fonction mathématique a permis d’estimer le nombre de fragments préservés à plus de 100 000 répartis sur 267 décapages fouillés de 40 cm x 50 cm de surface et représenté par 26 unités stratigraphiques. Compte tenu du nombre particulièrement élevé de charbons de bois préservés, un protocole de sous-échantillonnage a été établi pour s’adapter aux particularités de conservation de l’Afrique australe et permettre d’atteindre les objectifs de recherche. Pour amorcer cette démarche, une revue de la littérature a permis d’établir une liste exhaustive des études anthracologiques antérieures réalisées dans la région de l’Afrique australe et régulièrement mise à jour. Une classification détaillée des différentes méthodes publiées pour l'étude des charbons de bois en fonction de la provenance géographique, de l’âge de dépôt, de la période culturelle associée, de leur abondance, de leur conservation, etc. a également été répertoriée. Il en est ressorti le besoin de proposer une méthode reproductible pour chaque unité analysée mais également transposable à d’autres sites permettant d'évaluer si la richesse et la fragmentation taxinomique de l'échantillon analysé reflète adéquatement celles de l’assemblage total.

Pour la première fois mis en place dans une étude anthracologique dans la région, ce protocole se propose d’évaluer et de limiter les biais de représentativité de l’échantillon analysé, permettant d’obtenir une taille d’échantillon raisonnable, représentative de l’assemblage total et statistiquement significative.

Deux unités stratigraphiques "test" ont été choisies pour évaluer la pertinence de la méthode à adopter pour l'ensemble de la séquence. Ces unités ont été identifiées comme des couches dites " synthétiques ", résultant d'un processus dépositionnel accumulé sur du long terme, difficilement attribuable à des activités spécifiques. Les fragments de charbon de bois contenus dans ces unités ont été triés, pesés et comptés par classe de taille. La classe de taille, la diversité, la spatialité et la fragmentation interspécifiques ont été discutées. Ainsi, les résultats de cette étude préconisent d’analyser les charbons de Bushman Rock Shelter selon 3 classes de taille < 5 mm, [5 ; 10 [mm et ≥ 10 mm afin d’observer la fragmentation différentielle des taxons.  Une résolution à l’unité stratigraphique est suffisante pour rendre compte des changements de la végétation ligneuse au sein de la stratigraphie. Un minimum de 500 fragments par couche est recommandé pour assurer la représentativité de l’assemblage totale. Enfin, il est proposé de présenter les courbes de saturation en échelle logarithmique pour une meilleure visualisation de la représentativité de la richesse spécifique dans la couche étudiée [24].

Progression de l’analyse anthracologique

Ces aspects méthodologiques indispensables à la réalisation de cette thèse permettent d’avancer en parallèle l’identification taxinomique des charbons au laboratoire du CEPAM. Pour une identification en routine, les fragments de charbons issus de l’assemblage archéologique de Bushman Rock Shelter sont observés à l’aide d’un microscope optique à lumière réfléchie. Quand celles-ci sont présentes, les signatures anatomiques issues de la dégradation du bois (ex. attaques fongiques) ou dendrométriques informant sur l’état du bois mis au feu (ex. fentes de retrait) sont systématiquement relevées. Cette analyse, dite taphonomique, renseigne sur les processus post- et ante-combustion et apporte des informations précieuses sur les pratiques de la collecte du bois (abattage vs ramassage, calibre du bois, etc.). La description exhaustive et à fort grossissement de leurs caractères anatomiques, est rendue possible grâce à l’utilisation d’un microscope électronique à balayage (MEB) disponible au CCMA du campus de Valrose de l’Université Côte d’Azur.

Enfin les résultats sont soumis à des tests statistiques pour en garantir une interprétation robuste et sont confrontés aux autres données environnementales et culturelles disponibles pour la région et la période étudiée. En l’état actuel, quatre unités stratigraphiques et cinq structures associées à des activités de combustion ont été analysées. Cela représente plus de 2 500 fragments identifiables répartis sur une trentaine de « types » anatomiques de charbons archéologiques individualisés, correspondant chacun à un ou plusieurs taxons. Ces « types », actuellement en cours de description et d’identification, sont principalement représentés par des mimosoïdés (la grande famille des acacias), des Astéracées (Brachylaena sp. principalement), des Anacardiacées (marula et Searsia sp.) mais aussi Boscia sp, Olea europea sbsp africana, ou encore Ziziphus sp. Les descriptions des « types » archéologiques de charbons identifiés sur le site de Bushman Rock Shelter seront publiées afin de discuter et d’argumenter les identifications proposées au regard de la littérature et des collections disponibles pour la région. Déjà proposées dans d’autres régions du continent au Cameroun et au Congo [14,25], elles permettront de poser un regard critique sur le processus d’identification des charbons dans cette région riche en espèces ligneuses. Ces travaux méthodologiques auront vocation à servir de base à l’interprétation des spectres de fréquences des essences identifiées le long de la séquence de Bushman Rock Shelter qui sera présentée dans une synthèse sur  l’évolution de la végétation ligneuse et du climat associé à la transition Pléistocène/Holocène autour du site.

Remerciements

Cette recherche doctorale est réalisée dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’université Côte d’Azur à Nice et l’université Witwatersrand à Johannesburg sous la supervision d’I. Théry et de M. Bamford. Ce doctorat ne bénéficie pas de contrat doctoral ou de financement sur trois ans. Le travail de terrain en Afrique du Sud a reçu une subvention de la Fondation Martine Aublet (Paris, France) pour l’année universitaire 2018-2019 ainsi que d’une Aide à la Mobilité Internationale de l’Institut français en Afrique du Sud (IfAS-Recherche) en septembre et octobre 2019. L’une des missions à Johannesburg fut consacrée à la co-organisation d’un workshop international “Around the fire. Fire and its uses, from MSA to LSA in South Africa: palaeoenvironments, fuel management, heat treatments and symbolic use of fire” en collaboration avec l’IfAS-Recherche en septembre 2019. Les visites des différentes xylothèques ont été rendues possibles grâce à une aide à la mobilité pour la mise en place de nouvelles collaborations financée par l’Académie 5 de l’université Côte d’Azur.

Références

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