Delphine LACANETTE 1, Philippe MALAURENT 2, J.-Paul CALTAGIRONE 1, Jacques BRUNET3 (1) Transferts, Ecoulements, Fluides, Energétique (TREFLE), UMR CNRS 8508 Site ENSCPB, 16 avenue Pey-Berland, 33607 PESSAC Cedex,
[email protected] (2) Géosciences, Hydrosciences, Matériaux, Construction (GHYMAC), avenue des Facultés, 33405 TALENCE Cedex (3) Ministère de la Culture et de la Communication, 29 rue de Paris, 77420 CHAMPS-SUR-MARNE Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux : le suivi climatique et le simulateur montré un impact négligeable de ce retrait sur l’équilibre de la cavité. MOTS CLÉS : grotte de Lascaux, climatologie souterraine, aérologie, simulation numérique, art pariétal. ABSTRACT: MASS AND HEAT TRANSFER IN LASCAUX CAVE: CLIMATOLOGICAL OBSERVATIONS AND SIMULATIONS. RÉSUMÉ : La grotte de Lascaux, découverte en 1940 et située en Dordogne dans la vallée de la Vézère est inscrite au Patrimoine Mondial de l’Unesco. Elle est considérée comme l’une des grottes ornées les plus importantes au monde. Les visites qui ont suivi sa découverte ont perturbé l’équilibre de la cavité et induit sa fermeture en 1963. Depuis, elle a retrouvé un état à peu près stable, jusqu’en 2001 où une attaque de micro-organismes a eu lieu. Suite à cette prolifération un comité scientifique international pluridisciplinaire a été créé par le ministre de la Culture et de la Communication. Ce comité a d’emblée souhaité disposer d’une meilleure compréhension des écoulements présents dans la cavité. Pour répondre à cette demande un nouvel outil a été créé, le « Simulateur Lascaux », basé sur un code de mécanique des fluides numérique. Un des principaux atouts de cette méthode est son caractère non intrusif. Deux configurations climatiques ont été choisies dans cet article. En septembre 1981 la grotte était dans des conditions « stables » : les températures dans la roche entourant la grotte suivaient le schéma classique augmentant avec la profondeur. La seconde configuration (en décembre 1999) concerne une période précédant des travaux dans la cavité : les températures se sont inversées se trouvant être plus élevées à la voûte qu’au sol. Cette inversion a conduit au confinement de la grotte. Finalement, les écoulements résultant du retrait d’une cloison ont été appréciés grâce au simulateur, et il a été The cave of Lascaux, discovered in 1940 and located in the Dordogne area in France, is inscribed in the Unesco World Heritage List. It is considered as one of the major prehistoric caves in the world. Since its discovery, several problems have occurred, due to the huge amount of visitors, and their release of vapour and carbon dioxide by their breath, causing the formation of calcite and the apparition of green algae and mosses. The Ministry of Cultural Affairs had the cave closed in 1963. Since then, prehistorians, archaeologists, geologists, and hydrogeologists have tried hard to maintain the cavity in the most stable state possible, using remote monitoring to record the variations in temperature, hygrometry, and carbon dioxide gas pressure. The biological equilibrium remained fragile, and in 2001, colonies of micro-organisms, mushrooms and bacteria developed on the rock edges and on the floor. This attack made the authorities and the Minister of Culture and Communication create the scientific international committee of Lascaux cave, a multidisciplinary committee (composed of archaeologists, physicists, geologists, hydrogeologists, and conservators working together) to understand the mechanisms of apparition of the micro-organisms in order to stop their propagation. Among the measures taken by the committee, a better understanding of the flows in the cave was considered very important, and has induced the creation of a simulation tool, the “Lascaux Simulator”. The non-intrusive character of simulation is one of the major assets of this method. The numerical simulation in fluid mechanics is here dedicated to the conservation of the cave of Lascaux. The simulator is based on a computational fluid dynamics code named Aquilon. A three dimensional survey has been done in the cave using laser scanning. An accurate topology of the environment is incorporated in the simulator. Starting from this point, governing equations of the fluid mechanics are solved and parameters such as temperature, velocity or moisture content are known in every point of the cavity. Thermal conditions are chosen based on the analysis of the calculated and measured temperature data for more than 50 years. In this article, two configurations are presented, the first one in September 1981, a period during which the cave remained in a stable state regarding condensation, and the other one in December 1999; at this time, temperature was reversed, the ground of the cavity was colder than the ceiling. This phenomenon implied an inversion of the air flow in the cave. Finally, the removal of the dividing wall of the “Bauer airlock” has been simulated, and it has been shown that the impact on the cavity would be negligible. KEYWORDS: Lascaux cave, numerical simulation, aerology, numerical simulation, wall paintings. Introduction La grotte de Lascaux, découverte en 1940 à Montignac en Dordogne, dans la vallée de la Vézère, figure au patrimoine mondial de l’Unesco. Au cours du temps, les températures et les conditions hydriques du milieu environnant ont souvent changé [Malaurent et al. 2006 a]. Sous l’influence d’échanges et de transferts d’énergie avec le milieu extérieur, le système formé par la grotte de Lascaux a évolué et ses variables d’état ont été modifiées. Les changements climatiques ont des conséquences dont on peut D. LACANETTE, Ph. MALAURENT , J.-P. CALTAGIRONE et J. BRUNET, Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50, 2007 • 19-30 19 Le simulateur Lascaux est basé sur un code de mécanique des fluides adapté à cet 20 D. Dans la Salle des Taureaux et le Diverticule Axial. Le caractère non intrusif de la simulation a intéressé tout particulièrement les conservateurs et la possibilité de prédire la réaction de la cavité à différentes perturbations telles que la présence de cloisonnements.Photo 1 : Succession de cicatrices d’écailles de roche bien développées sur la trace d’un joint de stratification. le Simulateur Lascaux. pendant et après le passage des hommes du Paléolithique. La présence de très nombreux vestiges de colorants dans les parties en creux de la roche et les restes de gravures laissent supposer que l’intégralité des parois fut couverte de gravures et de peintures. En 2001. MoskalikDetalle. travaillant en synergie pour comprendre les mécanismes de l’apparition de ces microorganismes afin d’enrayer leur propagation. Ph. de géologues. 1997] liés à une trop grande fréquentation du site qui ont conduit à sa fermeture au public en 1963.-P. Ce comité pluridisciplinaire est constitué d’archéologues. Localization and map of the Lascaux cave. la roche est fréquemment recouverte de concrétions carbonatées en chou-fleur (photos 5 et 8). la grotte a vu l’apparition de nombreuses moisissures blanches qui a induit la création en 2002 par le ministre de la Culture et de la Communication d’un comité scientifique international de la grotte de Lascaux. la régulation climatique ou encore la présence humaine indispensable des restaurateurs. CALTAGIRONE et J. Parmi les mesures prises par ce comité. observer les traces en divers endroits de la grotte de Lascaux. Les tracés peints ont été effectués sur ce support rugueux. 2007 • 19-30 . la surface est pulvérulente et s’est altérée. au travers de la création d’un outil de simulation. elle a connu des problèmes de conservation [Brunet et al. conservateurs et géologues leur a paru comme de première importance. Cliché A. Figure 1 : Localisation et plan de la grotte de Lascaux. J. d’hydrogéologues et de karstologues. BRUNET. ainsi de nombreuses cicatrices d’écailles de roche sont visibles (photo 1 et couverture) et résultent de la desquamation de la paroi concrétionnée proche de joints stratigraphiques. Dans la partie latérale la roche très tendre est pratiquement à nu comme en témoignent les traces de pigments conservées au fond des fissures et des anfractuosités de la roche (photo 7). En raison d’un support constitué d’une roche aux éléments détritiques et bio détritiques mal cimentés. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. MALAURENT . Succession of scars of rock wedges well developed on the trace of a bedding plane. une étude la plus complète possible du comportement thermo-hydro-aéraulique de la cavité a été envisagée. de biologistes. Depuis sa découverte. de physiciens. De grandes zones corrodées en partie droite de la Salle des Taureaux (photo 2) et dans le Passage peuvent également être observées. de préhistoriens. LACANETTE. Chutes d’écailles (photos 1 à 3) et probablement usures de la paroi (photos 4 à 7) ont pu avoir lieu avant. nose. Cet outil numérique est destiné à aider le comité à prendre des décisions quant à l’aménagement et aux interventions dans la cavité grâce à son aspect prédictif des écoulements. Les dimensions sont modestes: longueur maximum d’une branche : 85 m . A cela il faut ajouter la Salle des Machines créée en dessous du Sas 1 à la suite du déblaiement de l’éboulis d’entrée. chignon …) and the two horns well developed in a half-bent perspective. BRUNET. CALTAGIRONE et J. chignon…). naseaux. I.-P. hauteur maximale : 12 m . MALAURENT . la Nef. Every modification of the stability of the painting support will affect the integrity of the drawings. Cliché N. prolongée par le Cabinet des Félins d’une part. L’étroite relation entre le suivi climatique. c’est en ce sens que la modification des conditions minéralogiques. Pour fixer un peu mieux les idées. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. environnement. with all the anatomic details of the head (chin tuft. avec tous les détails anatomiques de la tête (houppe du menton. et les deux cornes bien développées en perspective semi-tordue. The scars of a block of rock detached of the wall after the achievement of the paintings and before the discovery can be observed. ainsi dans la Salle des Taureaux. Compte tenu de la géométrie de la cavité. Ils sont représentés de profil. les peintures sont entre 10 et 12 m en dessous du sol extérieur. recouvrent le sommet de la colline qui domine la vallée de la Vézère d’une centaine de mètres. They are represented on the side view. J. chemical and micro climatic conditions at the interface air/rock might or would have effects on the amount or lack of mineral (calcite) and fatal consequences regarding the conservation of the prehistoric settings. longueur totale développée : 250 m . while the other is partly on the bare rock. entre 10 et 15 m dans le Diverticule Axial.Photo 2 : Aurochs de la Salle des Taureaux (quatrième et cinquième taureaux de la grande frise de la Salle des Taureaux). in this way the modification of the mineralogical. début de la paroi droite. sur la rive gauche de la Vézère. The right part of the picture shows the usury of the wall under the conjugated effects of chemical and aerological phenomena. Ph. et le simulateur permet de valider les résultats de la simulation et de proposer de nouveaux modèles de compréhension des phénomènes intervenant dans la caractérisation des conditions susceptibles d’assurer la pérennité des peintures et gravures de la grotte. en particulier la grande zone centrale laissant voir la pierre à nu. These big bulls are part of a set of five animals facing on two rows. cet espace sert de local technique. l’autre est en partie sur la roche à nu. Ces grands taureaux font partie d’un ensemble de cinq animaux « s’affrontant » sur deux files. l’Abside et le Puits d’autre part. L’ossature géologique de la colline est formée d’une série de calcaires détritiques et zoogènes de couleur beige (80 m) sur laquelle repose un niveau calcaréogréseux jaune attribué au Santonien. Quelques placages sabloargileux. La grotte de Lascaux : environnement. 2007 • 19-30 21 . and explaining the discontinuity of the drawing at the withers and on top of the breast. entre 13 et 15 m dans le Diverticule de Droite. montre l’usure de la paroi sous les effets conjugués des phénomènes chimiques et aérologiques. et enfin entre 16 et 18 m dans le Puits. Nous pouvons voir les cicatrices d’écailles de roche qui se sont détachées de la paroi après l’exécution des œuvres et avant la découverte. LACANETTE. Toute modification de la stabilité du support des peintures affectera l’intégrité des tracés . The prehistoric man achieved his painting on an incompletely calcite-covered support: one of the horns is on a thin. il est possible de différencier une partie axiale composée de la Salle des Taureaux et du Diverticule Axial et une partie latérale comprenant le Diverticule de Droite. le fond du Puits du Cabinet des Félins (partie pénétrable la plus profonde) se situe entre 24 et 25 m D. D’un point de vue morphologique. Aujoulat. elle est constituée d’une suite de galeries qui convergent vers une galerie principale. et expliquant la discontinuité du tracé au niveau du garrot et du haut du poitrail. effectué depuis 1963. la Galerie du Mondmilch. hauteur moyenne : 4 m. soulignés par une végétation de pins et de châtaigniers. La grotte est une cavité descendante faisant partie du réseau supérieur fossile d’un karst en grande partie comblé par un remplissage sablo-argileux . enjeux et histoire La colline de Lascaux est située à 1 km au sud-est de Montignac. especially the great central zone allowing to see the rock. Aurochs in the Great Hall of the Bulls (fourth and fifth bull of the big frieze of the Great Hall of the Bulls). almost continuous deposit of calcite (white). L’homme préhistorique a effectué le tracé sur un support incomplètement recouvert de calcite : l’une des cornes est sur un mince dépôt de calcite (en blanc) pratiquement continu. Conservateur CNP. La partie droite du cliché. chimiques et microclimatiques à l’interface air/roche (pour ne citer qu’elles) pourrait avoir ou aurait des effets en apport ou déficit minéral (calcite) et des conséquences néfastes quant à la conservation du décor préhistorique. Elle enferme dans sa partie sommitale cette extraordinaire grotte à peintures et à gravures connue dans le monde entier. les parties ornées sont à différentes profondeurs. Cette dernière partie donne accès aux Salles Ensablées. B. en dessous de la surface topographique. le bouquetin. évacuation des eaux d’infiltration. G. La section verticale des galeries évolue entre 1 m2 au cabinet des félins et 80 m2 dans la Salle des Taureaux. . Underground water seeping through these fissures is responsible for precipitation of calcium carbonate. tracés du cheminement. Coencas) et découverte du réseau de galeries ornées de peintures et gravures d’âge préhistorique. Dès octobre 1947. les taches blanches sont formées aussi par ces dépôts de calcite amenés par l’eau d’infiltration suintant du joint formant le dos de l’animal.De 1895 à 1940 : un couvert végétal forestier sauvage s’étend sur la colline et comprend des pins sylvestres. par le conservateur 22 D. des chênes verts… A la faveur d’intempéries : vents violents. le cou et la tête sont disproportionnés. and on the imprint of rock slabs formed by pressure of the underground water applied on the joints. the white patches are also formed by these calcite deposits that originated from the infiltration water seeping from the joint forming the back of the animal. mais explicable par une véritable « médiatisation » de la découverte. les voûtes de plusieurs salles et galeries sur près de 80 m de longueur. l’aurochs. This animal does not correspond to any real animal. Les représentations mentionnées ci-dessus sont dans un remarquable état de conservation à la différence d’un grand nombre d’autres. Cet animal ne correspond à aucun animal réel . les « chevaux chinois ». dégage un éboulis calcaire agrémenté d’un orifice béant. On the bench. L’homme préhistorique a tracé cette figuration sur un support concrétionné formé bien avant la présence humaine et sur les empreintes d’écailles provoquées par la pression des eaux souterraines s’exerçant le long des joints accidentant la roche. la vigne doit être arrachée et les terrains de cultures abandonnés sont en friches. Selon les saisons.Juillet 1948 : ouverture de la cavité à des fins touristiques. la frise des cerfs. les parois et l’air sont plus ou moins humides et cela pourra être préjudiciable à la bonne conservation des œuvres rupestres.27 décembre 1940 : classement de la grotte au titre des monuments historiques. une modification de l’état hydrique de la cavité est signalée.Le 12 septembre 1940: première exploration de la grotte par quatre jeunes gens (J. L’un de ces arbres en tombant. S. La vapeur d’eau rendue agressive (par dissolution du gaz carbonique) est susceptible d’attaquer. des châtaigniers.Dans la première moitié du 19ème siècle. A l’inverse. de rhinocéros laineux. . subi de nombreuses vicissitudes liées à des causes naturelles ou d’origine humaine dont les effets ont pu être nocifs à divers titres. Agniel. les hommes du Paléolithique ont créé un grand nombre de figures peintes et de gravures ayant pour modèles le cheval. Aujoulat. white deposits mostly found on the back of this unreal animal. M. la colline de Lascaux présente un paysage composite (forêts et clairières). bourrasques. De nombreuses visites s’ensuivent . mais également de lions. dans l’air de la cavité joue un rôle fondamental sur l’agressivité des eaux de condensation. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. Mysterious animal named the unicorn. . A. MALAURENT . . . 2007 • 19-30 . Les eaux souterraines suintant par ces fissures sont à l’origine de précipitations de carbonate de calcium sous forme de dépôts blancs disséminés principalement sur le dos de cet animal irréel. retenons la licorne. Cliché N. aménagement intérieur de la caverne (escalier. Ce qu’il faut conserver Sur les parois.Les extrêmes seraient donc : . orages. the neck and the head are disproportionate. jusqu’à 1500 personnes par semaine. Que s’est-il passé depuis la découverte ? Photo 3 : Animal énigmatique surnommé La Licorne. le phylloxera . de cerfs. qui sera l’accès à la grotte de Lascaux quelques années plus tard. les mécanismes d’évaporation pariétale sont susceptibles de provoquer différents effets selon le degré d’équilibre ionique de l’eau.la destruction des pigments par suite de la désagrégation du support (cas d’une eau sous-saturée en carbonate de calcium) . le support calcique et de provoquer après dissolution partielle la chute des pigments. et même avant. en quantité variable. Un rapide rappel illustre les événements marquants de la caverne : . Elles ornent les parois. la grande vache noire dans la nef et d’innombrables gravures finement incisées.le recouvrement des peintures par la calcite sous des formes variées : voile calcitique. The prehistoric man drew this representation on a support made of concretion formed long before human presence. Cette cavité a depuis sa découverte. BRUNET.Juillet 1955 : observation en période d’affluence touristique. La hauteur de cette dernière salle est au maximum de 6 m. de chevaux. La présence de gaz carbonique. . le corps massif à l’abdomen ballonné possède une série de taches ovales.De 1890 à 1895 : attaque de la vigne par un insecte. De tous ces tracés. . micro concrétions… (cas d’une eau saturée en carbonate de calcium).De 1947 à 1948 : construction d’un accès à la grotte aux dépens du cône d’éboulis.-P. J. . . LACANETTE. l’ours. Conservateur CNP. le cerf.De 1850 à 1890 : la partie sommitale est recouverte de vignobles. Ravidat. le bison. the massive body with a swelled abdomen has a succession of oval spots. chiffre énorme dans le contexte de l’époque. les cinq grands aurochs dont l’un reste exceptionnel par sa taille (5. Sur la banquette. Marsal. électrification…). CALTAGIRONE et J.De 1941 à 1945 : premiers aménagements rudimentaires. Ph.50 m de la corne à la queue). . en se condensant sur les parois. de nombreux arbres sont abattus en raison de la faible pénétration des racines dans le sol. un coup de tonnerre secouait les milieux administratifs et scientifiques du Ministère français de la Culture : Bruno Desplat et Sandrine van Solinge. réfection des installations mécaniques.1970 : incendie d’une partie du couvert végétal. CALTAGIRONE et J.De 1962 à 1963 : importante prolifération de colonies d’algues vertes sur les parois ornées (plus de 700 colonies disséminées).20 avril 1963 : fermeture par décision administrative de Lascaux et création de la première commission scientifique pour la sauvegarde de la grotte. Première installation de régulation climatique (machinerie P. 2007 • 19-30 23 . Aujoulat. . Sur la partie gauche du cliché. montrant clairement la différence d’usure de la paroi entre la partie haute. BRUNET. Photo 5 : La paroi du « Passage » est constituée d’une série de conques et d’arêtes saillantes. humidité. . Moskalik-Detalle. the dividing wall of the “Bauer airlock” can be seen. où la circulation de l’air est la plus intense. les agents chargés de la surveillance du site. J. rough crusts covered with cauliflower-shaped calcite deposits can be observed.de la grotte. de gouttelettes d’eau de condensation colorées de traces de peintures. teneur en CO2) et saisonnières (aspects des parois…).Au printemps 2001. Cliché A.Septembre 1960 : observation de la présence de taches vertes sur les peintures du Diverticule Axial. Ph. . The gallery of this part of the cave is constituted by a succession of hollows and jumping ridges. Sur le cliché à gauche. . On the left part of the picture. et la partie basse de la voûte.A partir de 1970. aérologie.2000 : nouveaux travaux de remise en état de la toiture de la Salle des Machines et changement des batteries statiques de régulation du climat. and the lower part of the ceiling. M.De 1964 à 1970 : premières recherches fondamentales pluridisciplinaires (géologie. une surface d’aspect granuleux interprétée comme le résultat d’une altération due à la circulation de l’air. . minéralogie. suivi régulier de l’état du milieu souterrain par mesures journalières (température. a brighter granular surface interpreted as the result of an alteration caused by air circulation. Guyon). La même année.1958 : l’augmentation de la teneur en gaz carbonique et en vapeur d’eau de l’atmosphère de la grotte due à l’afflux de visiteurs. nécessite de nouveaux travaux : installation aux dépens du cône d’éboulis d’une machine à recycler l’air et pose de conduits dans le sol pour l’air pulsé traité et en partie pompé à l’extérieur. Création de sas intermédiaires à l’entrée. séparée de la précédente par une limite très nette. separated from the former by a sharp boundary. . On the left side of the picture. signalent l’apparition de moisissures dans le sas Photo 4 : Dégradation de la roche dans le Passage. La fermeture au public et l’arrêt de la machinerie de soufflage ne suffiront pas à stabiliser la cavité ! . le matériel de gestion du climat de la cavité est remplacé. chimie. . Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. . D. rugueuse avec des dépôts de calcite dits en chou-fleur et à droite. where the air flow is most intense.-P. . alors que Lascaux « paraissait vivre sur un rythme de croisière » en ce qui concerne la conservation des tracés préhistoriques. Conservateur CNP. Deterioration of the rock in the Lateral Passage clearly showing the difference of wear of the wall between the upper part. en plus clair. microbiologie. MALAURENT . travaux d’entretien. on aperçoit une partie concrétionnée. Cliché N. physique…) et remise de la grotte dans des conditions de ventilation naturelle pour faciliter l’assèchement relatif des parois ruisselantes d’eau et ainsi mieux observer et localiser d’éventuels suintements d’eau. and on the right. la cloison restante du sas Bauer est visible. LACANETTE.De 1989 à 1992 : deuxième génération de machine destinée à assurer le conditionnement de l’air ambiant. favorable à la photosynthèse. Cette très forte concentration en représentations essentiellement gravées n’est plus rehaussée que par quelques rares plages de couleur. Cliché G. fin 2007. Photo 7 : L’ensemble de l’Abside est recouvert de plus d’un millier de figures peintes et gravées. le Ministère de la Culture met sur pied un Comité scientifique international de la grotte de Lascaux qui oriente ses travaux vers le contrôle et l’éradication des moisissures et la recherche des causes de ces désordres (récents travaux d’aménagement dans la partie assurant la régulation climatique souterraine. Dans le milieu souterrain en général et pour la caverne de Lascaux en particulier. Ce phénomène coïncide avec l’installation du nouveau système de régulation hygrothermique qui a été mal conçu. il est produit lors de la destruction des matières 24 D. le haut de la cloison restante du sas Bauer est visible. d’autres se sont récemment densifiées. quelques groupes de « taches Que s’est-il donc passé depuis la découverte le 12 septembre 1940.des quantités importantes de matières organiques existent dans la cavité (elles sont liées aux visites. Une lecture attentive de la paroi permet de découvrir un enchevêtrement de dessins d’animaux complets ou partiels ayant subi des dégradations naturelles importantes. mais nécessite régulièrement tous les 15 jours une intervention manuelle pour éliminer les filaments de mycélium qui réapparaissent malgré tout. Type of wear as if “cut with a knife” at the crossing of the Main Gallery and the Great Hall of the Bulls. Cliché B.-P. cracks and between the grains of the support because of slow weathering of the superficial rock layer over several millennia. Le sol et les parois se couvrent d’un champignon extrêmement résistant. LACANETTE.la présence de microparticules de poussières minérales transportées par les allées et venues des visiteurs n’est pas négligeable . il faut savoir que : . On this photograph the dividing wall of the “Bauer airlock” can be seen. les biologistes [Sire 2006 . La faible cimentation naturelle des constituants détritiques et biodétritiques du calcaire du Crétacé supérieur a favorisé ce mécanisme d’altération. the paintings remain only in the irregularities. par contre la peinture ne subsiste plus que dans les anfractuosités. aux apports par l’eau d’infiltration.l’humidité ambiante est généralement très forte en raison des infiltrations d’eau de pluie et de la respiration des visiteurs (chaque visiteur produit en moyenne 40 g de vapeur d’eau par heure) . par la fréquentation des animaux) . From this very high concentration of mostly engraved depictions remain only few colour parts. . . Orial et al. J. les plus grandes inquiétudes sur l’état de conservation de la cavité puissent naître ? Pour rendre accessible la cavité au public. La crise de 1963 Photo 6 : Usure particulière dite « au couteau » à l’intersection du Diverticule de droite et de la Salle des Taureaux. Depuis cette date. A ce jour.En 2006. . C. Ph. est présent en quantité importante . An attentive reading of the wall allows the discovery of a superposition of full or partial animal drawings having undergone major natural degradation. The whole Chamber of Engravings is covered of more than a thousand of painted and engraved pictures. la contamination est à peu près maîtrisée. Sur ce cliché. suivis de constructions diverses. les moisissures blanches ont en grande partie disparu. BRUNET. This alteration mechanism results from the weak natural cementation of the detrital and biodetrital constituents of the Upper Cretaceous limestone. Le tracé gravé est profondément incisé dans le calcaire gréseux à grain fin . des aménagements ont nécessité d’importants travaux de déblaiement. . MALAURENT . En revanche. origine climatique de ce dérèglement ?).noires » liées au développement de moisissures à pigment de mélanine sont apparus et évoluent de manière diversifiée : certaines ont disparu. The engraved drawing is deeply incised in the fine-grain sandy limestone. le Fusarium solani.En 2002. L’ensemble orné apparaissait plus sensible qu’auparavant aux variations climatiques externes saisonnières. CALTAGIRONE et J. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. pour qu’au début des années 1960. Desplat. dans les fissures et entre les grains du support en raison d’une lente désagrégation de la couche superficielle de la roche pendant plusieurs millénaires.le gaz carbonique. 2006] ont mis au point des traitements et des procédures complexes destinées à provoquer l’éradication de ces moisissures. Ils ont entraîné de profondes modifications de l’environnement immédiat et à l’intérieur de la grotte. 2007 • 19-30 . d’entrée de la grotte. Perazio. . d’autant plus que les aménagements se sont révélés après coup mal adaptés et insuffisants et que la fréquentation des touristes était trop forte. rendant de ce fait les résultats de plus en plus opaques à l’utilisateur. On the photograph. the painting of the whole animal has been achieved by spraying coloured dust. J. qui se voudrait général. Parmi ceux-ci. Le simulateur Lascaux La compréhension de la thermodynamique joue un rôle prépondérant dans la connaissance du monde souterrain. repose forcément sur des approximations et donc une ignorance. With 3. LACANETTE. 2007 • 19-30 25 . par personne en moyenne) . aérologie…). Nous ne pouvons procéder autrement puisque la construction de modèles. A ce CO2 géopédologique s’ajoute celui produit par la respiration des visiteurs (20 litres de CO2 par heure. Il n’est pas étonnant que des difficultés de conservation soient apparues dans ce contexte. suppose une vision et une connaissance globales de toutes les disciplines concernées (en supposant que nous puissions les inventorier) et tend vers une abstraction croissante.l’énergie ne manque pas car l’éclairage peut être en permanence allumé en raison de la succession des groupes. les études émettaient donc déjà quelques doutes sur la stabilisation et l’invulnérabilité prétendues de la grotte. devient de plus en plus complexe. rendant de plus en plus difficile la compréhension des résultats obtenus.93 m le « Black Bull » ou grand taureau noir du fond du Diverticule Axial est imposant. Le simulateur Lascaux est l’adaptation à la grotte de Lascaux du code de mécanique des fluides Aquilon développé au laboratoire TREFLE. dont la valeur est directement liée à leur plus ou moins bon accord avec l’expérience. Currently this problem disappeared. Le simulateur permet la résolution d’équations traduisant les écoulements thermoaérauliques dans la cavité en tout point d’un maillage décrivant la topologie précise de cet ensemble. rayonnement de la chaleur.93 m height. mentionnons l’instauration de conditions défavorables à la conservation des tracés par l’augmentation de l’agressivité de la vapeur d’eau ou par le dépôt de carbonate de calcium sur les parois.71 m pour une hauteur de 1. La dépigmentation partielle du chignon est peut-être le résultat de l’attaque du support pendant des années. L’édification d’un modèle. BRUNET. and even the smallest asperities or cupules have been colored. Nous cherchons à modéliser cet univers en mettant en équations chacun des phénomènes sur lesquels l’équilibre d’une cavité s’appuie (conduction. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. différents phénomènes ont été observés sur les parois calcaires par les chercheurs de la commission scientifique d’études de la grotte de Lascaux. la chaleur est apportée par les échanges avec le milieu extérieur lors de l’entrée ou de la sortie des visiteurs. La grotte de Lascaux est devenue un milieu souterrain perturbé et les modifications ont engendré la déstabilisation du support pariétal orné. Bien avant la crise de 2001. et les moindres aspérités ou cupules ont été imprégnées. par l’eau de condensation se formant systématiquement entre ses cornes.organiques dans le sol puis transféré vers la profondeur par les eaux d’infiltrations.-P. Une description de plus en plus fine du milieu. Cliché Philippe Dubarry. . délibérée ou non. Nous élargissons le cadre de travail lorsque le modèle se révèle insuffisant pour répondre aux questionnements de la communauté scientifique directement concernée par la gestion de Lascaux. et produite aussi par les visiteurs eux-mêmes (100 W par personne). D’après Norbert Aujoulat la totalité de l’animal a été rendue par pulvérisation de matière colorante.71 m width and 1. Nous nous attachons à étudier des problèmes précis dans le cadre restreint (que nous nous imposons) qui nous intéresse pour l’heure : le comportement microclimatique de la cavité face au réchauffement du climat. observations…) confirmaient ce qui avait été déjà remarqué 25 ans plus tôt (crise de 1963) : la très faible marge de manœuvre pour assurer des conditions optimales de conservation. A partir d’une situation initiale fournie par les mesures in situ et les aménagements concernés. convection. et notamment de son évolution. liée au progrès des moyens d’investigation expérimentaux et des outils de calcul (tant mathématiques que numériques). the partial lack of pigmentation of the chin is perhaps the result of the long-lasting attack of the underlying rock by condensation water that continuously appears between its horns. différentes Photo 8 : Large de 3. de certains phénomènes (incidence de la biologie sur les transferts d’énergie…). the « Black Bull » at the far end of the Painted Gallery is imposing. Les conditions énumérées sont tout à fait favorables au développement des microorganismes et à la précipitation sur les parois de carbonate de calcium. Au cours des deux années suivant la fermeture de la grotte en 1963. According to Norbert Aujoulat. Les documents scientifiques (mesures. ainsi qu’à une exigence croissante au niveau des applications. CALTAGIRONE et J. Ces deux processus fortement nuisibles au maintien en bon état des œuvres préhistoriques de la grotte ont été imputés à une déstabilisation du climat souterrain provoquée par les importants travaux destinés à faciliter l’accès à la cavité pour les visiteurs. II. Ph. MALAURENT . Actuellement ce phénomène a disparu. D. u=0 (1) 6 6 6 6 6 ρ ∂u +(u. t le temps. 2006]. l = 67 m. LACANETTE. entre le Passage et la Nef au niveau de l’Abside. Résolution des équations L = 75 m H = 33 m Figure 3 : La grotte dans son environnement – domaine de calcul. la conductivité ou encore la capacité calorifique. ainsi que des repères topographiques. 2007 • 19-30 . BRUNET. La figure 2 montre un détail de l’enveloppe de la grotte.-P. J. ρ la masse volumique. The Lascaux cave as it is taken into account in the simulator.L PERAZIO Géomètre . Ces triangles sont ensuite retravaillés afin d’en uniformiser les dimensions. p la pression. The cave in its environment – calculation domain. et à l’extérieur. l’air. λ+λT T (2) ∂t ( ) (( )) ( ) (( ) ) Figure 4 : La grotte de Lascaux telle qu’elle est prise en compte dans le simulateur. l = 67 m Une fois la géométrie prise en compte dans le simulateur.configurations climatiques et géométriques sont abordées et les écoulements correspondants analysés. EUR. A. un relevé laser en 3 dimensions d’environ 150 millions de points. Cp la capacité calorifique. g la gravité. B. 6 . et H = 33 m. nombreuses. le massif dans lequel se trouve la cavité. c’est-à-dire décrite par Figure 2 : Détail de l’enveloppe de la grotte (abside). Il se présente sous la forme d’un nuage de points décrivant les parois de la grotte avec une résolution pouvant aller jusqu’au millimètre. 1. les équations de NavierStokes incompressibles (1) et de l’énergie (2) sont résolues en tout point du maillage cartésien fixe. Cette surface triangularisée est ainsi projetée sur un maillage volumique fixe cartésien en 3 dimensions. )u = ρg – ρ + . )T = . Où u est le vecteur vitesse. A chacun des domaines sont attribués les caractéristiques thermiques et physiques correspondantes. entre 2005 et 2006. Detail of the envelope of the cave (Chamber of Engravings). Ph. la perméabilité. La surface représentant les parois de la grotte est triangularisée. µ la viscosité dynamique. dans un milieu environnant constitué d’un pavé de dimensions L = 75 m. C’est sous cette forme que le maillage est utilisé dans le simulateur. la surface figurant la paroi délimite deux domaines. à l’intérieur. Une fois projetée dans ce domaine d’étude [Lacanette et Caltagirone. comme décrit à la figure 3. Lacanette et al. La génération du maillage Le cabinet de géomètres Perazio1 a réalisé dans la grotte de Lascaux. Les conditions initiales en température sont calculées au moyen d’un modèle de conduction de la chaleur à une dimension. des triangles dont les sommets sont issus directement du relevé laser. µ u+ tu ∂t 6 6 6 ρCP ∂T +(u. Ainsi la précision de la description de la topographie des parois sera plus grande. CALTAGIRONE et J. et composant le domaine complet d’étude concerné par la simulation. 2006 . Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. MALAURENT . la viscosité.38430 Moirans 26 D. T la température et λ la conductivité thermique. telles que la masse volumique. en se fondant sur les chroniques de température relevées depuis plus de 50 ans par météo France et sur celles. Chaque sommet de triangle a un correspondant dans un maillage fixe cartésien en 3 dimensions. La figure 4 représente la topographie de la surface délimitant les deux milieux. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. Lorsque le gradient de température est introduit dans le domaine comprenant le massif et la grotte. Les ressources informatiques nécessaires sont de 10 Go de mémoire pour 3. 2007 • 19-30 27 .effectuées dans la cavité depuis 1963. LACANETTE. Figure 5 : Tracé des températures suivant un modèle de conduction de la chaleur dans la roche en fonction de la profondeur (à gauche) et visualisation de ce profil de température dans la configuration climatique de septembre 1981 (à droite). ce temps physique est de 4 heures. dont l’influence sera étudiée dans le point 3. Validation du modèle en se basant sur deux configurations climatiques On étudie la trajectoire d’une particule lâchée respectivement au fond de la galerie du Mondmilch (figure 6) et au fond du Diverticule Axial (figure 7) pour les deux configurations climatiques. période pendant laquelle la cavité montre un comportement stable et décembre 1999. dans le second. C’est aussi en cet endroit que se situe une cloison dite du « sas Bauer ». MALAURENT . la température décroît de 5 à 10 m en décembre 1999 alors qu’en septembre 1981 elle décroît jusque vers 7 m pour remonter continûment jusqu’à 10 m. CALTAGIRONE et J. Ph. à la moitié de la galerie de droite pour permettre d’examiner le sens de l’écoulement dans cette partie. on y constate en particulier que. La seconde est située entre le Passage et la Salle des Taureaux (figure 9) dans une zone critique puisqu’elle fait le lien entre les deux diverticules qui constituent la grotte de Lascaux. Une étude de stabilité est menée afin de déterminer le temps au bout duquel l’écoulement est établi. Trajectory of a particle let free at the end of the Mondmilch Gallery. quelle que soit la date envisagée. Afin d’expliquer ce comportement. J. Deux configurations climatiques sont choisies correspondant à deux périodes différentes : septembre 1981. 2006 b]. BRUNET. Layout of temperatures following a heat conduction model in the rock as a function of depth (left) and visualisation of this temperature profile in the climatic configuration of September 1981 (right). l’écoulement induit par la convection naturelle s’établit dans la cavité. l’analyse des écoulements d’air est proposée en deux zones choisies en raison de leur position stratégique dans la cavité. elle reste confinée au fond de la galerie du Mondmilch. for the climatic configuration of September 1981 (left) and December 1999 (right). soit une durée de 1 jour de calcul en fonction de la puissance de calcul. La première est située entre le Passage et la galerie du Mondmilch (figure 8).5 millions de mailles. précédant une période de travaux [Malaurent et al. Dans le premier cas. C. D. Figure 6 : Trajectoire d’une particule lâchée au fond de la galerie du Mondmilch respectivement pour la configuration climatique de septembre 1981 (à gauche) et de décembre 1999 (à droite). Les profils de température dans la roche pour ces deux périodes sont donnés à la figure 5 . la particule se dirige vers la Salle des Taureaux et.-P. -P. ce qui explique le comportement des particules. les particules lâchées aux mêmes endroits restent confinées vers le fond de la cavité et ne sont en conséquence pas évacuées. tandis qu’en décembre 1999. J. Figure 9 : Sens des écoulements matérialisé par les flèches entre la Salle des Taureaux et le Passage respectivement pour la configuration climatique de septembre 1981 (à gauche) et de décembre 1999 (à droite). Direction of the air-flow materialised by arrows between the Great Hall of the Bulls and the Lateral Passage. LACANETTE. L’écoulement de l’air a tendance à aller vers l’entrée de la grotte dans la configuration climatique de 1981 alors qu’il semble se diriger vers les extrémités de la cavité dans celle de 1999. L’analyse de ces résultats montre un écoulement d’air favorable à l’évacuation des particules éventuellement présentes dans la cavité dans la configuration de septembre 1981 et défavorable dans la configuration de décembre 1999. tout étant strictement identique par ailleurs. MALAURENT . Trajectory of a particle let free at the end of the Painted Gallery. CALTAGIRONE et J. for the climatic configuration of September 1981 (left) and December 1999 (right). for the climatic configuration of September 1981 (left) and December 1999 (right). D. En septembre Figure 8 : Sens des écoulements matérialisé par les flèches entre le Passage et la galerie du Mondmilch respectivement pour la configuration climatique de septembre 1981 (à gauche) et de décembre 1999 (à droite). for the climatic configuration of September 1981 (left) and December 1999 (right). BRUNET. 2007 • 19-30 . Ph. situation thermique semblable à la situation actuelle. Analyse des résultats On compare les trajectoires de particules pour des configurations thermiques correspondant à deux périodes.Figure 7 : Trajectoire d’une particule lâchée au fond du Diverticule Axial respectivement pour la configuration climatique de septembre 1981 (à gauche) et de décembre 1999 (à droite). Ces résultats sont en adéquation avec les observations faites dans la cavité à ces périodes. Direction of the air-flow materialised by arrows between the Lateral Passage and the Mondmilch Gallery. les particules lâchées aux extrémités de la cavité reviennent vers l’entrée naturellement. 1981. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. Ces zones sont observées plus attentivement pour chacune des configurations climatiques afin d’en analyser les écoulements. 28 D. le « sas Bauer » sur l’équilibre aéraulique de la cavité. dans la configuration de septembre 1981 correspondant à la figure 10 a). ce qui est confirmé par la simulation aux figures 6 à 9. J. tous les « altéragènes » de la cavité ont tendance à sortir naturellement. les particules éventuellement introduites dans la cavité s’accumulent aux extrémités de la cavité (galerie du Mondmilch et fond du Diverticule Axial). BRUNET. Dans la configuration de septembre 1981. en tenant compte de la cloison restante du sas. le simulateur a montré que le retrait de la cloison du sas Bauer n’entraînerait pas de modification notable des écoulements d’air. En cela. La grotte étant assez superficielle (plafond à 10 m de profondeur) elle subit Figure 10 : Evolution des températures en fonction de la profondeur dans les configurations climatiques a) de juin 1980 à décembre 1981 b) de mai 1999 à décembre 2000. La question des conséquences de son retrait définitif sur l’équilibre aéraulique de la grotte était posée. LACANETTE. Par opposition. quelle que soit leur position. une partie de l’air de la cavité est naturellement évacuée vers l’extérieur et celle-ci se trouve dans une situation semblable à une cavité ouverte sur l’extérieur. Dans la configuration actuelle. La validation faite sur des observations permet de tester des scénarios dans ces deux configurations thermiques. conformément aux conclusions tirées des figures 6 à 9. tandis que la figure 13 présente ces écoulements pour la configuration climatique de décembre 1999. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. La figure 12 présente les écoulements observés dans la configuration de septembre 1981 avec et sans la cloison du sas. Influence de la présence du sas Bauer sur les écoulements dans la cavité Le sas Bauer (figure 11) a été installé en janvier 1965 pour isoler les deux parties de la cavité et ainsi éviter la dissémination des pollutions biologiques et les conséquences des perturbations climatiques. Current position of the dividing wall of the “Bauer airlock”. MALAURENT . Les mêmes configurations climatiques que précédemment sont étudiées. la Salle des Taureaux constitue un seuil thermique qui partitionne la cavité et confine le Diverticule Axial d’une part et la galerie du Mondmilch d’autre part. dans la configuration de décembre 1999 correspondant à la figure 10 b). Conclusion La modification du climat extérieur induit des changements importants sur le comportement thermoaéraulique de la grotte de Lascaux. Dans la configuration de décembre 1999. L’ouverture du sas Bauer permet de les disséminer de la Salle des Taureaux vers le Passage avec des vitesses faibles. D. septembre 1981 et décembre 1999 et notamment l’influence de la présence ou non d’une cloison issue d’une ancienne installation. CALTAGIRONE et J. Ph. b) III. la fermeture du sas Bauer ne modifiait pas l’écoulement de l’air dans sa globalité mais bloquait le transfert du Passage vers la Salle des Taureaux. Evolution of temperatures as a function of depth in the climatic configurations a) from June 1980 to December 1981 b) from May 1999 to December 2000. il ne restait qu’une cloison en place. 2007 • 19-30 29 . Figure 11 : Position de la cloison issue du « sas Bauer ». En partie démonté.a) En effet. ce qui a pu être vérifié in situ par le retrait réel de la cloison en 2006.-P. p. BRUNET. 2007 • 19-30 . 2006 . De l’élimination des champignons au constat d’état. et CALTAGIRONE J.. CDS Isère. without the dividing wall (left) and with it (right). p. for Mathematical Geology XIth International Congress Université de Liège – Belgium. et CALTAGIRONE J.A model of thermal and aeraulic flows in the cave of Lascaux.Climatologie du monde souterrain. LACANETTE D.Des restaurateurs au chevet des peintures de Lascaux. p. le Conservateur du Service Régional de l’Archéologie d’Aquitaine. p. le Conservateur Régional des Monuments Historiques d’Aquitaine.Figure 12 : Sens des écoulements matérialisé par les flèches pour la configuration climatique de septembre 1981 respectivement sans la cloison (à gauche) et avec (à droite). le président du Comité scientifique de la grotte de Lascaux.-P. 1997 . BRUNET J. n° 8. MALAURENT P. 2003 . MALAURENT . Editions du Patrimoine. 2004 . 68-75. LACANETTE.Le simulateur Lascaux : un outil d’aide à la décision pour l’avenir de la préhistoire. Conservation and Management of Archaeological Sites.Lascaux : une grotte vivante.. CALTAGIRONE et J. 2006a .. le simulateur donnera au travers de différentes configurations des pistes de remplacement du système de gestion de l’air dans la cavité..-P. les mouvements d’air qui au début des années 1980 avaient tendance à renouveler naturellement l’air de la cavité en entraînant les altéragènes potentiellement présents vers la sortie. BRUNET J. MALAURENT P. et VOUVÉ J. FERCHAL C. la machinerie d’assistance climatique mise au point en 1963 par la précédente commission n’étant plus satisfaisante. Monum. 76-78. 88-93. n° 332. 2006 .. 94-97. Les grottes ornées semestriel 2 – Monumental 2006. Les grottes ornées semestriel 2 – Monumental 2006. Assoc. MALAURENT P. Etude et suivi des phénomènes microbiologiques. L’intégration d’un modèle d’humidité dans le simulateur induira un élargissement du champ des études possibles. Les perspectives de son évolution sont nombreuses. Bibliographie AUJOULAT N. Editions du Patrimoine. Ainsi. 2006b . Thèse de mécanique. en partenariat avec l’Université Bordeaux 1 et le CNRS. Direction of the air-flow materialised by arrows for the climatic configuration of September 1981.-A. Int.D. Editions du Patrimoine. Figure 13 : Sens des écoulements matérialisé par les flèches pour la configuration climatique de décembre 1999 respectivement sans la cloison (à gauche) et avec (à droite). LISMONDE B.-P. l’espace et le temps. semblent s’inverser et induire un stockage de ceux-ci vers les extrémités de la grotte.Modélisation des écoulements et des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux.. p. pour comprendre et prévoir les phénomènes thermiques et aérauliques à l’intérieur de la grotte.Lascaux. 2002 . Électricité de France. dans le cadre de sa politique de mécénat technologique et scientifique. division Recherche et Développement d’EDF du EDF RED MTI/MSTT. En outre. 2 vol. 2006 . a mis à la disposition du Ministère de la Culture et de la Communication les compétences et les moyens de ses équipes. 24-35. J. Ph. et VINCENT S. LASTENNET R. Remerciements Les auteurs remercient pour leur collaboration le Directeur Régional des Affaires Culturelles d’Aquitaine. 30 D. et BRUNET J. édition du Seuil Paris. Etude des transferts de masse et de chaleur dans la grotte de Lascaux KARSTOLOGIA n° 50. Monum. LACANETTE D. Les grottes ornées semestriel 2 – Monumental 2006. Université Bordeaux 1. SIRE M. histoire d’un difficile sauvetage Archéologia. les évolutions de température avec suffisamment d’amplitude pour modifier considérablement les écoulements dans la cavité. 2006 . Direction of the air-flow materialised by arrows for the climatic configuration of December 1999. MALAURENT P. éditions du Patrimoine.. 1-11.Lascaux. CALTAGIRONE J. ORIAL G et MERTZ J. et le Groupe thermoaéraulique au Département mécanique des fluides et transferts thermiques. without the dividing wall (left) and with it (right). Monum. Monum.-P. le geste. 133 + 7 p. p. Le simulateur Lascaux est actuellement en mesure de donner des indications quant à l’influence d’aménagements sur les écoulements liés à la convection naturelle. La prise en compte de l’impact de la présence humaine dans la cavité au travers de la simulation de diffé- rents scénarios d’occupation permettra par exemple d’optimiser les temps de présence dans la cavité et de calculer les temps de relaxation de la grotte après une sollicitation.Contribution of numerical modelling of environmental parameters to the conservation of prehistoric cave paintings: the example of Lascaux Cave. Les grottes ornées semestriel 2 – Monumental 2006.Une grotte sous influence : l’environnement hydrogéologique et climatique de la grotte de Lascaux. 168 et 362 p. LACANETTE D.