Datation par carbone 14 de peintures anciennes à base de blanc de plomb

par Cyrielle Messager

Projet de thèse en Météorologie, océanographie, physique de l'environnement

Sous la direction de Lucile Beck.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LSCE - Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (laboratoire) et de Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Que ce soit pour l'environnement ou pour la connaissance de l'évolution l'Homme, la datation par le carbone 14 est un outil incontournable qui permet de retracer les évènements marquants de notre histoire. C'est certainement une des méthodes les plus utilisées pour établir la chronologie de sites archéologiques, pour dater les œuvres d'art ou encore comme chronomètre pour situer temporellement les évènements paléoclimatiques. Depuis les premières mesures en 1949, et grâce aux milliers de dates qui ont suivi, cette méthode a contribué de façon majeure à retracer l'histoire de l'homme et de son environnement [1]. La datation par le carbone 14 permet de dater jusqu'à 50 000 ans les matériaux contenant du carbone. Elle s'applique aux matériaux organiques comme le bois, les végétaux, l'os, les résidus alimentaires, les textiles ou encore les sols et aux matériaux inorganiques tels que les coquilles, coraux ou calcites. Grâce au développement des techniques de préparation, d'une part, et la miniaturisation des échantillons, d'autre part, il est possible d'envisager la datation par le radiocarbone de matériaux nouveaux qui, jusqu'à présent, étaient considérés comme non datables. Ainsi, récemment, en collaboration avec le Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération (LAPA), notre laboratoire (LMC14) [2] a mis au point une approche originale pour la datation des métaux ferreux archéologiques basée sur des méthodes d'investigation innovantes d'extraction du carbone. Cette approche a permis la datation inédite des fers de cathédrales et la première datation des temples d'Angkor [3,4]. Toujours dans le bâti, les mortiers de construction font aussi l'objet de datation par le carbone 14 depuis plusieurs années [5]. Dans ces deux exemples, la datation par le radiocarbone est rendue possible par le processus d'élaboration du matériau au cours duquel celui-ci absorbe et piège le dioxyde de carbone. Pour le fer, il s'agit du CO2 produit lors de la combustion du bois dont la mort est supposée contemporaine de la création de l'alliage ferreux. Pour les mortiers, le CO2 atmosphérique est piégé lors du durcissement de la chaux. Dans le cadre de la thèse, nous proposons d'appliquer le même principe à un matériau clé de l'art et l'archéologie qui n'a jamais été daté jusqu'à présent. Il s'agit du blanc de plomb, abondamment utilisé depuis l'Antiquité comme pigment et cosmétique [6,7]. Il est composé principalement de deux phases minérales, la cérusite PbCO3 et l'hydrocérusite 2PbCO3.Pb(OH)2. Mélangés à un liant, ces composés forment un peinture blanche très couvrante, utilisée dans les plupart des œuvres jusqu'au XIXè siècle [8]. Contrairement à la plupart des pigments anciens, le blanc de plomb est obtenu par voie de synthèse. Le processus d'élaboration est décrit par plusieurs auteurs de l'Antiquité au XIXè siècle et repose sur la transformation du plomb métallique en présence de vapeurs d'acide acétique dans un milieu en fermentation naturelle. La fermentation produit de la chaleur et des dégagements de CO2 qui se combinent avec l'attaque des vapeurs acétiques pour former des carbonates de plomb [9]. Dans ces conditions, le blanc de plomb se forme donc en piégeant du CO2 d'origine organique ce qui le rend en principe datable par la méthode du carbone 14. Des premiers résultats très encourageants ont été obtenus à partir de synthèses actuelles de blancs de plomb et sur des échantillons anciens [10]. Dans cette première phase, des pigments purs ont été datés. Dans le cadre de cette thèse, il s'agira d'étendre les protocoles de préparation aux mélanges afin de réaliser des datations sur des peintures en séparant les différents composants, carbonates, liants et vernis. L'objectif est de parvenir à extraire le carbone contemporain de l'évènement à dater en s'affranchissant de toute contamination ou biais. Le protocole sera établi sur des matériaux modèles puis transférer à des objets anciens pour répondre à des questions archéologiques ou d'histoire de l'art. En parallèle, un effort sera entrepris sur le spectromètre de masse par accélérateur (SMA) afin de diminuer la taille de l'échantillon, paramètre toujours très critique pour les œuvres précieuses. En routine, 1 mg de carbone est nécessaire pour la datation radiocarbone. Les protocoles de préparation et de mesure mis au point ces dernières années ont permis de réduire la quantité de carbone d'un facteur 10 et de mesurer dans certaines conditions des échantillons jusqu'à 100 µg [11,12]. Ces protocoles peuvent être encore améliorés en supprimant une étape de préparation (graphitisation) et en injectant directement le CO2 issus de la combustion de l'échantillon dans l'accélérateur. L'étude d'une source gaz basée sur la modification de la source d'ions solide existante sera menée en parallèle. Le recours à la source gaz donnerait l'avantage de réduire considérablement la taille de l'échantillonnage et de s'affranchir de contaminations dues à la préparation classique. Les datations des micro-prélèvements seront menées en collaboration avec le Centre de recherche et de restauration des musées de France et en concertation avec les chercheurs de différentes disciplines : physiciens, chimistes, archéologues et conservateurs. Les retombées de ce travail seront multiples. En premier lieu, il permettra d'élargir la palette des matériaux datables par 14C et d'offrir cette possibilité à la communauté nationale et internationale. Il permettra ensuite de dater directement les peintures répondant ainsi à des problématiques de conservation-restauration ainsi que d'authentification. La possibilité de lever les verrous technologiques qui s'opposent à la datation des peintures revêt une importance primordiale car elle permet d'entrevoir des perspectives inédites pour l'histoire de l'Art, l'histoire des techniques et des sociétés anciennes. Elle permet également de lutter contre les fraudes et d'apporter ainsi son soutien à la lutte contre le commerce illicite des œuvres d'art. Le LMC14 étant Instrument National, ces avancées bénéficieront à l'ensemble de la communauté scientifique.

  • Titre traduit

    Radiocarbon dating of lead white based paintings


  • Résumé

    Carbon 14 dating is an essential tool that enables us to trace the most striking events in our history. It is certainly one of the most widely used methods for establishing the chronology of archaeological sites, for dating works of art or as a chronometer for palaeoclimatic events. Since the first measures in 1949, and thanks to the thousands of dates that followed, this method has contributed in a major way to retrace the history of man and his environment. Carbon-14 dating allows carbon-containing materials to be dated up to 50,000 years. It is applied to organic materials such as wood, bone, food residues, textiles or even soils and to inorganic materials such as shells, corals or calcite. Thanks to the development of the preparation techniques and to the miniaturization of the samples, it is possible to envisage the dating by radiocarbon of new materials which until now have been considered as non-datable. Thus, recently, in collaboration with the Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération (LAPA), our laboratory (LMC14) has developed an original approach for the dating of archaeological ferrous metals based on an innovative extraction methods of carbon. This approach allowed dating cathedral irons and the first dating of the temples of Angkor. Building mortars have also been subject to carbon-14 dating for several years. In these two examples, radiocarbon dating is made possible by the process of material preparation during which carbon dioxide is absorbed and trapped. In the framework of this PhD thesis, we propose to apply the same principle to a key material of art and archeology that has never been dated so far. It is the white lead, abundantly used since antiquity as pigment and cosmetic. It is composed mainly of two mineral phases, the cerusite PbCO3 and the hydroperusite 2PbCO3Pb(OH)2. Mixed with a binder, these compounds form a very covering white paint, used in most works until the 19th century. Unlike most old pigments, lead white is obtained by a synthetic route. The process of elaboration is described by several authors of Antiquity in the 19th century and relies on the transformation of the metallic lead in the presence of vapors of acetic acid in a medium in natural fermentation. Fermentation produces heat and CO2 that combine with the attack of acetic vapors to form lead carbonates. Under these conditions, lead white is formed by trapping CO2 of organic origin, which makes it in principle datable by the carbon 14 method. Very encouraging initial results have been obtained from current syntheses of lead white and old samples. In this first phase, pure pigments have been dated. The aim of this thesis is to extend the preparation protocols to mixtures in order to make dating on paints by separating the various components, carbonates, binders and varnishes. The aim is to extract the carbon that is contemporary from the event to be dated by avoiding any contamination or bias. The protocol will be established on model materials and then transferred to ancient objects to answer archaeological or art history questions. At the same time, an effort will be made on the Accelerator Mass Spectrometer (SMA) to reduce the size of the sample, a parameter that is always very critical for valuable works. Micro-sampling dating will be carried out in collaboration with the Center for Research and Restoration of Museums in France and with researchers from different disciplines: physicists, chemists, archaeologists and curators. The impact of this work will be manifold. First, it will broaden the range of 14C datable material. It will then enable direct dating of the paintings thus answering problems of conservation-restoration as well as authentication.