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1. IntroductionLa zone pyrénéenne présente un intérêt particulier pour l’histoire de la sidérurgie au Moyen Âge. En effet, avec l’apparition de la mouline, forge de réduction directe profitant de la force hydraulique, elle témoigne de la large diffusion d’une innovation technique. Dès la fin du xiiie siècle et au cours du XIVe siècle, la mouline, qui correspond à une nouvelle façon de produire du fer dans un atelier où la force hydraulique est adaptée au fonctionnement du marteau et, au moins à partir du début du xve siècle, à la soufflerie, entreprend la conquête des cours d’eau, de la Montagne Noire aux Pyrénées centrales et orientales.À la lumière de ces données historiques et dans le cadre du programme ANR ACEUR et du programme de recherche archéologique sur le site de Castel-Minier (commune d’Aulus-les-Bains, Ariège)1, la découverte de deux ferriers datés de cette période et contenant des déchets et produits de la chaîne opératoire complète (de la réduction du minerai à la forge de pièces en métal) s’avère de première importance. En effet, elle permet de réinterroger la complexité d’un site métallurgique plus connu pour l’exploitation médiévale de plomb argentifère que pour celle du fer. Elle offre en outre un nouvel éclairage à la question des échanges économiques noués entre la vallée du Garbet dans la région du Couserans où se situe Castel-Minier et les vallées environnantes. Enfin l’étude archéométrique des installations sidérurgiques de cette époque et de la compréhension de leur fonctionnement ainsi que du type de métal qu’elles produisent et un point crucial de ces études pluridiciplinaires.À l’échelle du site de Castel Minier, il apparaît manifeste que la métallurgie extractive du fer trouve a priori sa raison d’être dans la production d’argent. La présence d’une métallurgie du fer sur un site métallique, qu’il soit d’argent, de cuivre ou de plomb, n’est pas en soi étrange. Les exemples de forge associés à des mines sont nombreux 2. Pourtant, dans le cas présent, il ne s’agit pas d’une activité de transformation ou de mise en forme mais bien d’une production de fer métal à partir d’un minerai. Or, les données historiques et géologiques montrent qu’il n’existe pas de minerai exploitable dans cette vallée. En effet, il est certain que le ravitaillement en minerai des exploitations sidérurgiques de la vallée du Couserans et notamment des moulines quand elles sont attestées est absolument dépendant d’un bassin minier proche, puisqu’il se situe au-delà du port de Saleix : la vallée de Vicdessos. Cette grande vallée sidérurgique s’impose comme un centre majeur de production de fer et d’acier et un épicentre de l’espace technique circonscrit par l’innovation puisque son minerai est acheminé, sous haute surveillance, au-delà de la vallée et approvisionne de façon très contingentée et irrégulièrement les moulines des autres vallées du comté de Foix, du pays d’Olmes et parfois celles du Minervois. Ainsi, les conditions d’approvisionnement du Couserans sont-elles exceptionnelles, puisque seul cet espace dispose d’un apport régulier en minerai, reconnu, en outre, par un document officiel. Cette situation, qui paraît au premier abord privilégiée, doit être analysée à la lumière d’un rapport de force. La qualité des minerais de la vallée de Vicdessos explique que leur exportation soit sous le contrôle des notables de la communauté. Rappelons que, dès la fin du xiiie siècle, le minerai extrait de la mine de Sem (mont Rancié) est désigné sous la forme mineriis de ferro calybe vel axero ou « mine d’acier » et qu’il est utilisé, effectivement, pour la production d’acier. C’est en 1348 que la communauté, sous la pression du comte de Foix, accepte de le voir régulièrement exporté vers le Couserans. L’accord est signé entre le comte de Foix, le vicomte de Couserans et la communauté. Dans cet acte sont mentionnées les moulines alors implantées en Couserans. L’accord de 1348 peut être lu à la lumière des nouvelles conditions d’approvisionnement en bois que subit la sidérurgie de Vicdessos. Si la communauté consent à cette exportation, c’est contre la livraison du bois et du charbon de bois qui lui est absolument nécessaire. Cet échange est fondamental. Il demeurera en application jusqu’à la fin du xviiie siècle et se trouve à l’origine d’une déforestation accrue du Couserans dès le Moyen Âge et d’une préservation du couvert forestier de la grande vallée sidérurgique du Vicdessos, au moins jusqu’au xviie siècle.Au vu de ce bref aperçu des informations données par les sources historiques, on voit l’intérêt que peut présenter l’examen des produits de la forge de Castel Minier. Ceux-ci permettront de vérifier l’utilisation du minerai de Vicdessos dans la vallée du Couserans aux époques considérées. Rappelons que le minerai de la vallée de Vicdessos 3 se caractérise par une teneur en manganèse importante (Verna, 2001). Cette teneur devrait se retrouver dans les inclusions non métalliques emprisonnées au sein du métal. Les inclusions, constituées de composés non réduits du minerai, portent, entre autre, la signature chimique du minerai (Dillmann et al., 2002 ; Dillmann et al., 1997). Si l’utilisation d’un minerai au manganèse est avérée, l’étude des produits et déchets de la chaîne opératoire correspondante sera de toute première importance. En effet, on connaît historiquement le lien entre les minerais au manganèse et les filières produisant de l’acier, par exemple pour le Moyen Âge, dans les Pyrénées (Verna, 2000 ; Verna, 2001) ou dans les alpes italiennes (Braunstein, 2001). Or, le rôle de cet élément pour l’obtention de l’acier en chaîne opératoire directe est très mal connu. En effet, la thermodynamique montre que dans les conditions du bas-fourneau, les oxydes de cet élément ne sont pas réductibles. Le manganèse peut alors difficilement jouer le rôle carburigène (favorisant la formation de carbures) qui lui est connu en métallurgie contemporaine. Ce point reste donc à éclaircir car, il pourrait éventuellement y avoir formation de carbures de manganèse dans le métal lors de la réduction du minerai de fer manganésifère. Cependant, ici encore, on saisit mal le rôle de ces éventuels carbures de manganèse sur la formation d’acier.Cet article présente les premiers résultats métallographiques obtenus sur les produits de la chaîne opératoire trouvée sur le site de Castel minier. Ces résultats seront mis en perspective des différents points cités précédemment et serviront de base à une étude complète lors de la poursuite des fouilles dans les prochaines années.2. Les ferriers de castel-minier : mise au jour de produits metalliquesLe but n’est pas ici de détailler les sondages effectués dans ces ferriers. Pour plus d’information on pourra se reporter à l’article de Bonnamour et al. (2007) dans le même volume. Les prospections menées à Castel-Minier en 2003 et 2004 ont permis de localiser deux ferriers 4. Le premier sondage archéologique entrepris sur le ferrier le plus important donne une stratigraphie relativement simple. Passée la couche de terre végétale, on note sur près d’un mètre d’épaisseur une accumulation de scorie dont la monotonie n’est rompue que par un lit argilo-sableux ocre. En revanche, il est très clair que le dépôt de ces scories est soigné. Il est limité à l’ouest par un muret qui empêche les couches de s’épandre dans le chenal qui est encore actif aujourd’hui. Ce muret est bien bâti et ne peut être assimilé à un simple mur terrasse. Sa disposition dans le sens de la pente l’interdit. La faible emprise du sondage ne permet pas de comprendre l’ensemble de ce dépôt. Faute de céramique, une datation par 14C a été réalisée donnant les xiiie-xive siècle comme la fourchette chronologique la plus probable 5. Il ne s’agit bien sûr que d’une seule date 14C mais elle concerne des charbons pris dans la strate supérieure du ferrier. On supposera donc en bonne logique que la strate inférieure est plus ancienne. L’activité sidérurgique est donc ancienne sur le site. Elle est en tout cas contemporaine de l’activité minière dont une phase xiiie siècle a été caractérisée en mine. D’autre part, dans ce sondage de faible ampleur, il a été possible de mettre au jour en plus des scories et des parois de fours, un morceau de plaque et une masse métallique parallélépipédique que nous nommerons dans la suite « lingot 6 ». Ce sont donc des éléments provenant de différents stades de la chaîne opératoire que nous avons exhumés. Leur analyse constitue le premier pas d’approche analytique globale sur le thème de la production du fer à la période charnière des xiiie et xive siècle dans les Pyrénées.Le « lingot » se présente sous la forme d’un bloc parallélépipédique pesant environ 800 g et dont les dimensions sont d’environ 9 x 5 x 3 cm (Fig. 1). Une des faces semble perturbée et la forme retrouvée pourrait avoir appartenu à un objet de taille plus importante (barre ?) dont une extrémité aurait été tranchée à chaud.Figure 1 : « Lingot » trouvé sur le site de Castel-Minier. Prélèvement de l’échantillon et vue de la face polie après attaque Nital.“Ingot” found on the Castel-Minier site. Sampling-Polished cross-section after Nital etching.Figure 2 : « Plaque » trouvée sur le site de Castel-Minier. Prélèvement de l’échantillon. Vue de la face polie.Figure 2: “Plate” found on the Castel-Minier site. Sampling and polished cross-section.La plaque présente une forme plate avec des dimensions d’environ 8 x 4 x 1 cm pour une masse d’environ 130 g. Elle est légèrement plus épaisse à une de ses extrémités. Il semble, là encore que ce soit un fragment d’une pièce plus importante.3. Méthodes analytiquesAprès découpe, les échantillons ont été dégrossis aux papiers abrasifs SiC grades 80 à 1 200. Un polissage de finition a été effectué à l’aide de suspensions diamantées Struers 9, 3 et 6 µm. La structure métallographique du métal a été observée par microcopie optique après attaque au Nital 2 % (Pokorny et Pokorny, 1994).Les analyses de la composition des inclusions ont été effectuées au Microscope Électronique à Balayage (MEB) par Spectrométrie Dispersive en Énergie (EDS) avant toute attaque métallographique ou après repolissage. Le détecteur Si(Li) utilisé est équipé d’une fenêtre mince qui permet la quantification de l’oxygène avec une bonne précision (1 % sur un échantillon standard de magnétite – Tension d’accélération des électrons : 15 kV). La limite de détection est de l’ordre de 0,5 %mass pour la détection des éléments de n° atomique supérieur au magnésium et l’incertitude relative de 1 % (sur références NIST de verres et oxydes de fer). Comme précisé dans de précédentes publications (Dillmann et Balasubramaniam, 2001 ; Dillmann et al., 2003 ; Dillmann et al., 2003 paru en 2004 ; L’Héritier, 2004 ; L’Héritier et al., 2004 ; L’Héritier, 2002), une étude fiable des inclusions ne peut se faire que si au moins une cinquantaine d’inclusions sont analysées par objets. Cette démarche permet de minimiser les effets de fragmentation 7 observables sur certaines inclusions et dus au travail d’épuration. Les teneurs sont quantifiées en pourcentages massiques et convertis en oxydes.Afin de détecter la présence éventuelle de manganèse dans le métal, la micro Fluorescence X (µXRF) sur un générateur de rayons X à anode tournante dont le faisceau est concentré à l’aide d’un capillaire de borosillicate (Engstrom et Riekel, 1996) sur une surface de 20 x 20 µm2 a été pratiquée sur la plaque. Les rayons X sont produits par une anode de Molybdène. Les spectres de fluorescence X ont été collectés à l’aide d’un détecteur Germanium pour des durées de 30mn par point analysé. Le manganèse a été recherché en analysant le métal et en évitant toute inclusion. Avec l’appareillage utilisé, la limite de quantification de cet élément dans une matrice de fer est d’environ 70 ppm.4. Résultats4.1. Structure et composition du métalLa face polie provenant du « lingot » présente un grand nombre de porosités, dont certaines sont millimétriques. Dans certains cas, celles-ci sont remplies d’oxydes et d’oxyhydroxydes de fer, générés par la corrosion lors de l’enfouissement de l’objet. Certaines de ces porosités sont partiellement remplies par des inclusions non métalliques, résidus de scories de la phase de réduction. En d’autres endroits, seules ces inclusions scoritiques sont identifiées (absence de porosité). Elles sont constituées de phases amorphes (Fig. 3). Vu le nombre de porosités et d’inclusions assez important, cet objet métallique se situe dans la chaîne opératoire proche de la phase de réduction tout en étant, vu sa forme extérieure, déjà travaillé, épuré et compacté de manière importante. Les observations au microscope optique après attaque au réactif nital montrent que la totalité de la surface est constituée d’acier très carburé, presque entièrement eutectoïde (0,8 %mass de carbone) avec des écarts de part et d’autre de cet eutectoïde allant jusqu’à 0,1 %mass.Figure 3 : « Lingot » (gauche) inclusion amorphe dans matrice perlitique, (droite) structure eutectoïde perlitique.“Ingot” (left) amorphous inclusion in a pearlitic matrix (right) eutectoïd steel structure.Les analyses métallographiques effectuées sur la plaque révèlent que l’objet est entièrement constitué d’un acier eutectoïde (0,8 %mass C) avec une très légère baisse de cette teneur vers la partie la plus épaisse de l’objet (0,7 %mass C - Figure 4). La perlite présente une structure assez fine, ce qui dénote un refroidissement relativement rapide. Un grand nombre d’inclusions a été observé dans la structure métallique : la propreté inclusionnaire est homogène et relativement mauvaise sur la totalité de la pièce. Ces inclusions sont allongées dans le sens perpendiculaire au martelage. L’ensemble des inclusions analysées présente un aspect amorphe (Fig. 4). Contrairement au « lingot », cet objet ne présente aucune porosité. Ceci est vraisemblablement dû au fait qu’il provient d’une étape postérieure de la chaîne opératoire, et a vu un martelage plus poussé que le lingot pour sa mise en forme 8. Des analyses de composition du métal dans les zones exemptes d’inclusions ont été réalisées par µXRF. Sur les spectres obtenus, un léger épaulement à gauche de la raie Kα du fer correspond à la raie Kα du manganèse. En tout état de cause, ces teneurs sont inférieures à 60 ppm. Au sens métallurgique, il semble que le métal de la plaque ne contient pas de manganèse. Ces analyses seront cependant à poursuivre plus en détail dans de futures études.Figure 4 : Plaque (haut) structure ferrito-perlitique à 0,7 % de carbone à perlitique (0,8 % de carbone) ; (bas) inclusions amorphes dans structure aciérée perlitique.Plate (up) ferrito-pearlitic structure (0.7%) to pearlitic (0.8%) (down) amorphous inclusion in a pearlitic steel structure.Figure 5 : Spectre de µXRF (taille de faisceau 20 x 20 µm2) caractéristique obtenu sur le métal de la plaque.µXRF spectrum (beamsize 20x20 µm2) obtained in a metallic zone.4.2. Analyse des inclusionsLes analyses EDS effectuées sur les inclusions révèlent la présence des éléments majeurs oxygène, fer, silicium, aluminium, calcium, potassium, magnésium et manganèse. La teneur en oxyde de fer (exprimé en FeO) varie fortement dans les inclusions. Ceci peut s’expliquer par le fait que, en fonction des conditions locales de température et de pression dans le bas-fourneau, la réduction de ces oxydes sera plus ou moins poussée. La figure 6 montre l’évolution de la teneur en FeO dans les inclusions en fonction de la teneur en SiO2, composé non réduit dans les conditions du bas fourneau. On voit que la teneur en FeO diminue en fonction de l’augmentation de celle en SiO2 dans les inclusions. Un point important est a noter : l’existence d’inclusions à très faible teneur en FeO (&#60; 5%mass). Celles-ci semblent correspondre à des zones où les conditions dans le bas fourneau sont particulièrement réductrices pour l’oxyde de fer 9. Les teneurs en MnO des inclusions sont très importantes ( 4 &#60; %massMnO &#60; 25). Cet élément ne peut provenir que du minerai initial et de telles teneurs sont sans aucun doute à mettre en relation avec l’utilisation d’un minerai au manganèse. On constate également sur la figure 6 que le comportement du MnO est différent de celui du FeO et ne semble pas décroître en fonction de l’augmentation de la teneur en SiO2. De plus, le rapport MnO/SiO2 n’est pas constant dans les inclusions, ce qui aurait indiqué sans aucun doute que cet oxyde n’est pas réduit dans le bas-fourneau. Ce point restera à être éclairci dans la suite des études.Figure 6 : (gauche) teneurs en FeO en fonction de SiO2 dans les inclusions du « lingot » et de la plaque. (droite) teneurs en MnO en fonction de SiO2 dans les inclusions du « lingot » et de la plaqueFigure 6: (left) FeO content versus SiO2 in slag inclusion from “ingot” and plate (right) MnO content versus SiO2.Les autres oxydes présents dans les inclusions ne sont pas réduits dans le bas fourneau. Ils peuvent provenir soit du minerai soit d’une pollution pendant la réduction par les parois du fourneau ou le charbon de bois. Ils peuvent également provenir d’éventuels ajouts. Toujours est il que, s’ils ne sont pas réduits, leur rapport respectif ne doit pas changer pour toutes les scories produites par une même réduction 10. Si ceci est vrai pour les scories macroscopiques, cela n’est pas toujours le cas pour les inclusions, de taille microscopiques et pouvant subir des fragmentations. Cependant, la figure 7 montre que c’est le cas pour les deux objets analysés pour lesquels les rapports Al2O3/SiO2 et CaO/K2O sont relativement constants pour l’ensemble des inclusions de l’objet. Certaines inclusions ne semblent pas respecter ce rapport, elles peuvent soient correspondre à des ajouts lors du forgeage soit, plus vraisemblablement êtres plus fragmentées que les autres. Il semble cependant que les rapports identifiés sur la majorité des inclusions puissent « signer » les réductions effectuées sur le site de Castel-Minier. Celui-ci sera comparé à ceux mesurés sur les scories macroscopiques dans la suite des études.Figure 7 : (gauche) teneurs en Al2O3 et SiO2 dans les inclusions du « lingot » et de la plaque. (droite) teneurs en K2O et CAO dans les inclusions du « lingot » et de la plaque.Figure 7: (left) Al2O3 and SiO2 in slag inclusions from “ingot” and plate (right) K2O and CAO contents.5. DiscussionCes premières analyses métallographiques appellent un certain nombre de commentaires en relation avec les questions évoquées dans l’introduction. En premier lieu il convient de rappeler le faible nombre d’objets examinés. L’ensemble de ces observations devra donc être confirmé par l’étude des déchets (scories) et autres produits qui seront mis au jour lors des fouilles des années à venir.Il semble cependant que la production de la forge d’Aulus soit au moins en partie de l’acier très carburé. Dans tous les cas les teneurs observées sont de l’ordre de l’eutectoïde. Ces teneurs importantes en carbone semblent donc confirmer les données historiques. On peut dès lors se poser la question sur la forme des produits qui sortaient de cette forge (barres ou plaques). Enfin, aucun traitement thermique destiné à durcir l’acier n’a pu être mis en évidence sur les objets, l’ensemble des structures observées correspondant à des refroidissements beaucoup plus lents que ceux nécessaires à une trempe.La très forte teneur en manganèse observée dans les inclusions va dans le sens de l’utilisation du minerai en provenance de la Vallée de Vicdessos. Les études sur la composition chimique de ce minerai (éléments majeur et présents à l’état de traces) seront menées à bien dans les mois à venir mais a priori aucun autre minerai manganésifère n’est accessible dans la vallée du Couserans.L’utilisation d’un minerai au manganèse, si elle est assurée, pose un certain nombre de questions. Au vu des teneurs très faibles mesurées dans la matrice métallique et de celles très importantes mesurées dans les inclusions, il semble que cet élément ne soit pas réduit et ne passe pas dans le métal (ou tout du moins en quantité trop faible pour avoir une influence métallurgique). La dispersion de ces teneurs et notamment la variabilité observée pour le rapport MnO/SiO2 (ce qui n’est pas le cas pour les rapports des composés non réduits dans les inclusions des deux objets) reste cependant encore à être comprise.6. ConclusionLes premiers résultats métallographiques présentés ici montrent le potentiel du site de Castel-Minier pour une étude d’une chaîne opératoire sidérurgique qui semble typique de la région à cette époque. Les observations archéométriques vont dans le sens des éléments historiques et techniques déjà connus : production au moins en partie d’acier fortement carburé, utilisation d’un minerai au manganèse, qui devront dans le futur être mis en perspective d’une étude plus large portant à la fois sur l’ensemble des produits et déchets mis au jour sur le site et sur les résultats archéologiques et archéométriques obtenus sur d’autres sites de la région à des périodes contemporaines ou postérieures. Un second ferrier n’a pas fait l’objet d’investigation intrusive mais les données topographiques de ce dernier permettent d’avancer l’hypothèse de l’existence d’une forge rattachée à la fortification de Castel-Minier. Parallèlement, des objets en fer ont été exhumés à l’occasion d’autres sondages sur le castrum. S’il est bien certain que la raison d’être de ce site repose sur l’exploitation de l’argent, nous pouvons avoir la chance de disposer de la totalité de la chaîne opératoire de production du fer en un même lieu. La fouille de ces amas de scories et la recherche des structures métallurgiques qui leur sont liées permettront de compléter avantageusement le tableau de cette activité sidérurgique médiévale d’autant plus qu’un usage de la force hydraulique dans ce système de production ne peut être exclu.