Reconstruction of paleohydrogeological evolutions (chalk groundwater levels) since 3500 years in Champagne-Ardenne.- Use of environmental archaeology data in the field of paleohydrogeology.
Reconstitution des variations de la nappe de la craie depuis 3500 ans en Champagne-Ardenne - Utilisation des données de paléo-puits issues des fouilles archéologiques
Résumé
Recent Holocene (Subboreal and Subatlantic climatic periods) has experienced significant variations, e.g. (Hallstatt climatic degradation, 'Roman Climatic Optimum', Late Antique pejoration, Medieval Climatic Optimum, Little Ice Age (1350-1850), and recently human-induced warming (Milly et al., 2008). In Europe, these climate variations had impacts on river flow regimes (Mitchell, 1976; Blöschl and Montanari, 2010), on lake levels (Magny, 2004, 2013, Magny et al., 2008, 2009) and on variations in groundwater levels (Tegel et al., 2020).
As water is a central element in the organisation of societies, reconstructing the history of variations in water resources (surface and groundwater) and their availability sheds light on the understanding of certain societal evolutions and the relationship between societies and environments.
However, these variations in water resources have been little studied to date; their impacts on societies are probably still underestimated. The field of palaeohydrogeology requires data, methods and tools that are complex to implement, particularly due to the absence of direct hydrological, hydrogeological and hydroclimatic observation data for this period (instrumental data limited to a few decades).
However, the data acquired by environmental archaeology and archaeology in general now seem to be able to fill these gaps, which were previously a barrier to the study of Holocene hydrogeology.
Within the framework of a Master 2 research project, an exploratory approach consisted of reconstructing the evolution of paleo-water resources in Champagne-Ardenne over the last 3500 years (reconstruction of water table levels and river flows). The more general objective was to determine the extent to which archaeological data constitute 'raw material' for palaeohydrogeology.
The reconstructions of the palaeo-levels of the water table were carried out according to two approaches:
1) Approach n°1: reconstruction by direct dendrohydrogeology (correlation of tree ring widths and water table levels);
2) Approach n°2: reconstruction of the paleo-levels of the water table by coupling a global hydrogeological model with paleoclimatic data reconstructed by dendroclimatology
This Master 2 research project was intended to be exploratory and methodological. However, results have already been obtained and initial interpretations made.
It has been possible to reconstruct the variations in water table levels over the period from 1532 BC to 2017 AD in the Marne valley in particular. The main evolutionary trends have been described and highlight certain intense episodes: 6 main episodes of low water and 7 of high water, among which the most extreme are the following:
- For low water: the period from the beginning of the Middle Ages: an episode that is not only very marked in terms of amplitude but above all in terms of duration (approximately 200 consecutive years). This episode corresponds to the Little Ice Age of Late Antiquity (LALIA);
- For high water: the most marked episode in duration and intensity is that of the climatic optimum of the Bronze Age (with 277 cumulative years of very high levels).
The correlations between climate and water levels observed by Tegel et al. (2020) with higher water levels in warm periods thus seem to be confirmed.
Finally, the archaeological data were used to reconstruct control data for the levels simulated by the numerical model. The altitude of the bottom of the palaeo-wells was tested as a proxy for the palaeo-levels of the water table. A selection of archaeological sites with several palaeo-wells dated to different periods was carried out by the SRA of Châlons-en-Champagne.
Initial tests were carried out using data from two archaeological excavations, including the 'Les Monteux' site located in the commune of Juvigny (Marne) (Achard-Corompt et al., 2016). The Juvigny site is particularly interesting for three reasons:
- on the one hand, it has a large number of dated palaeo-wells whose bottoms have been reached and excavated (25 wells);
- secondly, these 25 wells are spread over a period of almost 1000 years;
- and finally, this 1000-year period covers important climatic variability: the 'Roman climatic optimum', the Little Ice Age of late antiquity and the beginning of the 'medieval climatic optimum'.
The first tests carried out on data from these two archaeological excavations seem to show that the bottom elevations of the wells can be used as a proxy for the palaeo-levels of the water table. The correlation between the relative variations in the bottom of the wells and the piezometric levels reconstructed by the digital model is 0.507 for the Reims site and 0.704 for the Juvigny site. These encouraging results should however be confirmed by a larger number of sites tested in order to ensure the reliability of the method.
Concerning the palaeo-wells, in view of the wealth of information available in the excavation reports, a database called "Archéo-BSS" has been initiated. This database allows the banking of data relating to the palaeo-wells (depth, diameter, type of casing, etc.) but also the associated digital documents (geological sections, technical sections, photos, etc.). Some excavation reports have been banked but this work could be continued.
Finally, concerning the interest of these hydrological and hydrogeological reconstructions to improve the understanding of the links between societies and their environment, several examples of possible applications were given.
In short, the results of this research work in hydrogeoarchaeology seem encouraging and open up development prospects for this discipline.
L’Holocène récent (périodes climatiques du Subboréal et du Subatlantique) a connu des variations significatives, e.g. (dégradation climatique du Hallstatt, « Optimum Climatique Romain », péjoration de l’antiquité tardive, Optimum Climatique Médiéval, Petit Âge Glaciaire (1350-1850), puis récemment le réchauffement lié à l’activité humaine (Milly et al., 2008). En Europe, ces variations du climat ont eu des impacts sur les régimes des débits des rivières (Mitchell, 1976 ; Blöschl et Montanari, 2010), sur le niveau des lacs (Magny, 2004, 2013, Magny et al., 2008, 2009) et sur les variations des niveaux de nappes (Tegel et al., 2020).
L’eau étant un élément central dans l’organisation des sociétés, la reconstitution de l’histoire des variations des ressources en eau (de surface et souterraines) et de leurs disponibilités, permet d’apporter des éclairages sur la compréhension de certaines évolutions sociétales et des relations sociétés environnements. Ces variations des ressources en eau ont toutefois peu été étudiées jusqu’à aujourd’hui; leurs impacts sur
les sociétés sont probablement encore sous-estimés. Le domaine de la paléohydrogéologie nécessite des données, des méthodes et des outils complexes à mettre en œuvre du fait notamment de l’absence de données d’observations hydrologiques, hydrogéologiques et hydroclimatiques directes sur cette période (données instrumentales limitées à quelques décennies).
Or les données acquises par l’archéologie environnementale et l’archéologie en générale semblent aujourd’hui pouvoir combler ces lacunes qui constituaient autrefois un verrou à l’étude de l’hydrogéologie holocène. Dans le cadre d’un projet de recherche de master 2, une approche exploratoire a consisté à reconstituer sur les 3500 dernières années, l’évolution des paléo-ressources en eaux en Champagne-Ardenne
(reconstitution des niveaux de nappes et débits des rivières). L’objectif plus général a été de déterminer dans quelle mesure les données de l’archéologie constituent une « matière première » pour la paléo- hydrogéologie.
Les reconstitutions des paléo-niveaux de nappe ont été mises en œuvre selon deux approches :
1) Approche n°1 : reconstitution par dendrohydrogéologie directe (corrélation des largeurs de cernes d’arbres et des niveaux des nappes);
2) Approche n°2 : reconstitution des paléo-niveaux de nappe par couplage d’un modèle hydrogéologique global avec des données paléoclimatiques reconstituées par dendroclimatologie Ce projet de recherche de Master 2 avait une vocation exploratoire et méthodologique. Cependant des résultats ont d’ores et déjà pu être obtenus et des premières interprétations réalisées. Les variations des niveaux de nappes ont pu être reconstitués sur la période allant de 1532 avant notre ère à 2017 de notre ère dans la vallée de la marne notamment. Les grandes tendances d’évolution ont été décrites et mettent en lumière certains épisodes intenses : 6 épisodes principaux de basses eaux et 7 de hautes eaux, parmi lesquels les plus extrêmes sont les suivants :
- Pour les basses eaux : la période du début du Moyen-Âge : épisode non seulement très marqué en amplitude mais surtout en durée (200 années consécutives environ). Cette épisode correspond au Petit âge glaciaire de l’antiquité tardive (LALIA) ;
- Pour les hautes eaux : l’épisode le plus marqué en durée et en intensité est celui de l’optimum climatique de l’Âge du Bronze (avec 277 années cumulées de niveaux de très hauts ). Les corrélations climat et niveaux de nappe constatées par Tegel et al. (2020) avec des niveaux de nappes
plus hauts en périodes chaudes semblent ainsi se confirmer. Enfin, les données de l’archéologie ont été utilisées pour reconstituer des données de contrôle des niveaux simulés par le modèle numérique. L’altitude du fond des paléo-puits a en effet été testé en tant que proxy des paléo-niveaux de nappe. Une sélection de sites archéologiques disposant de plusieurs paléopuits datés sur des périodes différentes a été réalisée par le SRA de Châlons-en-Champagne.
Des premiers tests ont été réalisés en exploitant les données de deux fouilles archéologiques dont le site « Les Monteux » situé sur la commune de Juvigny (Marne) (Achard-Corompt et al., 2016). Le site de Juvigny est particulièrement intéressant pour trois raisons :
- d’une part, il comporte un nombre important de paléo-puits datés et dont le fond a été atteint et fouillé (25 puits) ;
- d’autre part ces 25 puits s’étalent sur une période de près de 1000 ans ;
- et enfin cette période de 1000 ans couvre des variabilités climatiques importantes : « optimum climatique romain », Petit âge glaciaire de l’antiquité tardive et début de l’ « optimum climatique médiéval »
Les premiers tests réalisés à partir de données de ces deux fouilles archéologiques semblent montrer que les altitudes du fond des puits peuvent être utilisés comme un proxy des paléo-niveaux de nappe. La corrélation entre les variations relatives de l’altitude du fond des puits et celles des niveaux piézométriques reconstitués par le modèle numérique sont de 0.507 pour le site de Reims et 0.704 pour le site de Juvigny. Ces résultats
encourageants devront toutefois être confirmés par un nombre plus important de sites testés afin de s’assurer de la fiabilité de la méthode.
Concernant les paléo-puits, face aux constats de la richesse des informations disponibles dans les rapports de fouille, une base de données nommée « Archéo-BSS » a été initiée. Cette base de données permet de bancariser des données relatives aux paléo-puits (profondeur, diamètre, type de cuvelage, etc..) mais également les documents numériques associés (coupes géologiques, coupes techniques, photos,...).
Quelques rapports de fouilles ont été bancarisés mais ce travail pourra être poursuivi.
Enfin, concernant l’intérêt de ces reconstitutions hydrologiques et hydrogéologiques pour améliorer la compréhension des liens entre les sociétés et leurs environnement plusieurs exemples de pistes d’applications ont été donnés.
En définitive, les résultats de ce travail de recherche en hydrogéoarchéologie semblent encourageants et ouvrent des perspectives de développement pour cette discipline.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)