Frost shattering of faunal remains. Fron the laboratory to the field.
La gélifraction des restes fauniques. Du laboratoire au terrain.
Résumé
Because the freeze/thaw cycles during the ice ages have been a key factor in the natural process of formation and evolution of the sites and those who acted on artefacts and faunal remains in the sites, the experimental study of frost shattering may explain at least part of the fragmentation of the faunal remains. In collaboration with J.-C. Ozouf, during a decade in the Centre of Geomorphology of CNRS (Caen) daily cycles of freeze/thaw (according to the method used in the frost shattering of rocks) was performed on some samples (teeth, long bones, short bones, antler,...).
Our experimental protocol took into account three parameters: 1°) the freezing intensity (between -5 and + 12 ° C). 2°) the descent and temperature ascent speed (12 hours for the descent to -5 ° C and 12 hours for the ascent up to + 12 ° C) i.e. one complete cycle per 24 hours. 3°) - the water content of the samples at the beginning of the experiment (samples 100% saturated). During the experiment we were only interested in cryoclasty (freeze/thaw cycles) "setting" the hydroclasty parameter (humidification/drying cycles) maintaining the samples water saturated by a daily addition of water; we considered negligible the salt weathering (mechanical weathering by salts) as we always used distilled water but it is an experimentation that should be explored in the future, to be as close as possible to natural conditions.
The experiments were stopped after 3149 cycles (approximately a little more than 50 years of open air cycles) and at the same time in the we have deposited faunal remains in an experimental site in the Southern Alps (program "TRANSIT") and identical samples in the cold rooms of the Centre of Geomorphology of Caen (experiment stop after 2200 cycles).
The main results are:
- In general the effects of frost are, in some ways, independent of the water content of the sample, whether modern or fossil. The porosity and nature of pores are the most important and will control the effects of freeze/thaw alternations.
The evolution of the porosity according to the frost shows that, according to the cycles, there is a more and more large-sized porosity which becomes less and less “useful" for the frost because it is an open porosity (free or, in our case, effective).
The frost shattering depend on the age of the individuals: the porosity of the cortical bone increases according to the age because the amount of bone laid down decreases regularly during the ageing.
- The fragmentation is not anarchic or unpredictable and according to the considered part the frost shattering is predictable even if there is also a great disparity in the effects of the frost according to the skeletal elements. The elements of the same nature fragmented in the same way, only change the speed of appearance of cracks then that of the possible break of the samples. The change of orientation of cracks in the neighborhood of the extremities and/or the feeder foramens implies that a complete long bone has few chances to be broken by the alternations frost/thaw. "Baguettes" are far from being representative of the action of the frost, but, on the contrary, the frost shattering produces especially flat, often long, wide and very thin fragments and multitude of fragments of size lower than the millimeter. The ultimate secondary frost shattering, produces no more fragments after a number of cycles "plateau" which varies according to the nature of the sample.
- For teeth, the frost shattering causes a destruction of the dentin in smaller and smaller polyhedrons which falls out of the enamel while the this one and even the cement remain much more for a long time intact. At the end of the process of frost shattering there is only a tube of enamel without dentin.
- As regards the immature animals, the long bones crack in the same way as the equivalent bones of adult animals, but the short bones break apart without generating of measurable fragments (less than 0,2 mm). The frost shattering of the deciduous and definitive teeth are the same except that for the first one a secondary frost shattering also breaks the enamel in tiny fragments which become totally unrecognizable. It emerges from these experiments that we cannot interpret the absence (or the low representation) of immature animals in a faunal assemblage before having highlighted that the frost had no action. The loss of informations concerning these age groups can be very important in periglacial context and difficult to quantify because it depends on conditions which cannot be easily valuable such for example the local conditions of drainage in the site.
- In a general way, we note that the fragmentation of bones and teeth in natural environment is identical but doubtless faster than the one that we obtained in the cold rooms of the Centre of Geomorphology of Caen. However the major problem is that all the parameters acting together, it is very difficult to determine "who does what", what severely limits the interest of the experiments in natural context without experiment in laboratory. Independently of the studies carried out in periglacial context since at least the 60s, (modifications in stratification of archaeological materials, spatial distribution of artifacts, physical aspects of archaeological pieces) the simple observation "that broke", "that did not break" or “it look like...” without recognition of mechanisms (with laboratory experiments) is without interest but worse, can generate completely fanciful interpretations.
C’est parce que les cycles gel/dégel au cours des différentes périodes glaciaires ont été un facteur naturel fondamental dans les processus de formation et d’évolution des sites et dans ceux qui ont agi sur les artefacts et les restes fauniques abandonnés dans les gisements, que l’étude expérimentale de la gélifraction peut expliquer au moins une partie de la fragmentation de ces derniers. En collaboration avec J.-Cl. Ozouf nous avons donc soumis au Centre de Géomorphologie du CNRS de Caen pendant une dizaine d’années des échantillons (dents, os longs, os courts, bois de renne, ) à des cycles journaliers de gel/dégel selon la méthode utilisée dans les expériences de gélifractions des roches.
Notre protocole expérimental a pris en compte trois paramètres : 1°) l’intensité du gel (entre -5 et +12°C). 2°) les vitesses de descente et de remontée de la température (12 heures pour la descente jusqu’à -5°C et 12 heures pour la remontée jusqu’à +12°C), soit un cycle complet par 24 heures. 3°) - la teneur en eau des échantillons au début de l’expérience (échantillons saturés à 100 %). Au cours de l’expérimentation nous nous sommes uniquement intéressé à la cryoclastie (cycles gel/dégel) en « fixant » le paramètre hydroclastie (cycles humidification/séchage) en maintenant les échantillons saturés en eau par un rajout journalier d’eau ; nous avons considéré comme négligeable l’haloclastie (altération mécanique par des sels) car nous avons toujours utilisé de l’eau distillée mais c’est un pan de l’expérimentation qu’il faudrait explorer à l’avenir, ne serait ce que pour se rapprocher au plus près des conditions naturelles.
Les expériences ont été arrêtées au bout de 3149 cycles (soit environ un peu plus de 50 ans de cycles en milieu naturel) et dans le même temps nous avons dans le cadre du programme expérimental pluridisciplinaire « Transfert de Référentiels Actuels de l’étage Nival aux SITes paléolithiques (TRANSIT) », placé des restes fauniques dans des sites artificiels naturels dans les Alpes du Sud et des échantillons identiques dans les chambres froides du Centre de Géomorphologie du CNRS de Caen (arrêt à 2200 cycles).
Les principaux résultats sont les suivants :
- De manière générale les effets du gel sont, en quelques sortes, indépendants de la teneur en eau des échantillons, qu’ils soient modernes ou fossiles. C’est la porosité et la nature des pores qui sont importantes et qui vont commander les effets des alternances de gel/dégel.
- L’évolution de la porosité en fonction du gel montre qu’il se crée au fur et à mesure des cycles une porosité de plus en plus de grande taille qui devient de moins en moins « utile » au gel puisqu’il s’agit d’une porosité ouverte (libre ou, dans notre cas, efficace).
- La gélifraction dépend de l’âge du sujet, car la porosité de l’os cortical augmente en fonction de l’âge puisque la quantité d’os déposée diminue régulièrement durant le vieillissement.
- La fragmentation n’est pas anarchique ou aléatoire et en fonction de la pièce considérée la gélifraction est prédictible même s’il y a aussi une grande disparité dans les effets du gel en fonction des éléments squelettiques. Les éléments de même nature se gélifractent de la même façon, seule change la vitesse d’apparition des fissures puis celle de l’éventuelle cassure des pièces. Le changement d’orientation des fissures au voisinage des extrémités et/ou des foramens nourriciers implique qu’un os long ou allongé complet a très peu de chance d’être brisé par les alternances gel/dégel. Les « baguettes » sont loin d’être représentatives de l’action du gel, mais qu’au contraire la gélifraction produit surtout des fragments plats, souvent longs, larges et très minces et une multitude de fragments de taille inférieure au millimètre. La gélifraction secondaire ultime, ne produit plus de fragments après un nombre de cycles « plateau » qui varie selon la nature de l’échantillon.
- Pour les dents la gélifraction provoque une destruction de la dentine en polyèdres de plus en plus petits qui se détachent de l’émail alors que ce dernier et même le cément restent beaucoup plus longtemps intacts. À la fin du processus de gélifraction il ne reste qu’un tube d’émail dépourvu de dentine.
- En ce qui concerne les animaux immatures, les os longs ou allongés se fissurent de la même façon que les os homologues d’animaux adultes, mais les os courts se détruisent sans générer de fragments mesurables (moins de 0,2 mm). Les observations que nous avons effectuées avec les dents définitives se retrouvent chez les dents déciduales à ceci près qu’une gélifraction secondaire brise aussi l’émail en minuscules fragments qui deviennent totalement méconnaissables. Il ressort de ces expériences qu’on ne peut interpréter l’absence, ou la faible représentation, des animaux immatures dans un ensemble faunique avant d’avoir mis en évidence que le gel n’a eu aucune action. La perte d’informations concernant ces classes d’âges peut être très importante en contexte périglaciaire et difficilement quantifiable car cela dépend de conditions très difficilement appréciables telles par exemple les conditions locales de drainage dans le gisement.
- De manière générale, on note que la fragmentation des os et des dents en milieu naturel est identique mais sans doute plus rapide que celle que nous avons obtenue dans les chambres froides du Centre de Géomorphologie du CNRS de Caen. Toutefois le problème majeur est que tous les paramètres agissant ensemble, il est très difficile de déterminer « qui fait quoi », ce qui limite singulièrement l’intérêt des expériences en milieu naturel sans expérimentation en laboratoire. Indépendamment des études effectuées en contexte périglaciaire depuis au moins les années 60, (modifications dans la stratification des dépôts archéologiques, distribution spatiale des artéfacts, les aspects physiques de pièces archéologiques), la simple observation « ça a cassé », « ça n’a pas cassé » ou « ça ressemble à… » sans reconnaissance des mécanismes (avec des expériences en laboratoire) est sans intérêt, mais pire, peut produire des interprétations complètement fantaisistes.
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