Métallurgie extractive protohistorique du cuivre (étude thermodynamique et cinétique des réactions chimiques de transformation de minerais de cuivre sulfurés en métal et caractérisation des procédés)

L objectif de cette thèse est d apporter un éclairage physico-chimique pour la résolution d un problème archéologique : la reconstitution des premiers procédés de métallurgie extractive du cuivre dans les Alpes et le Sud de le France (IVe-IIe millénaire av J.C.). En particulier, les données archéologiques dans ces régions durant la protohistoire montrent : - qu un seul réacteur a été très probablement utilisé, alors que tous les procédés connus de réduction des sulfures exigent au moins deux étapes effectuées dans des réacteurs différents, - qu un saut technologique a eu lieu entre le Chalcolithique et l âge du Bronze Ancien, qui se traduit par le passage d une production de type domestique à une production de masse.. Au cours de cette thèse, nous étudions les deux étapes principales des procédés de transformation de la chalcopyrite (CuFeS2) en cuivre, le grillage (oxydation à l état solide) et la fusion scorifiante. Pour chaque étape, des simulations expérimentales sont effectuées en laboratoire en modélisant les conditions d un réacteur protohistorique. D une part, la cinétique de grillage est étudiée par thermogravimétrie couplée à l analyse physico-chimique des produits intermédiaires. D autre part, des simulations de fusion scorifiante sont menées pour distinguer l influence respective de deux sources d oxygène sur la microstructure des produits obtenus : l oxyde présent initialement (CuO) et la pO2 de l'atmosphère régnant dans le système. Ces simulations expérimentales nous ont permis : - de caractériser les réactions chimiques mises en jeu lors du procédé et proposer des mécanismes réactionnels, - d élaborer des référentiels expérimentaux qui mettent en évidence les correspondances entre conditions opératoires et produits obtenus. Ces référentiels ont ensuite été testés en conditions protohistoriques afin de vérifier leur pertinence, puis appliqués à l étude des scories archéologiquesThis PhD thesis is aimed at studying chemical transformations of copper sulphides to shed light on a particular archaeological issue: the reconstruction of the copper smelting processes during protohistory (IVth-IIth millennium BC). More specifically, archaeological data from the protohistorical sites shows two main characteristics: - Only one type of reactor was excavated in all the sites studied, while all sulphides smelting processes mentioned in literature require two different types of reactor. - An important technological gap occurred between the Chalcolithic period and the Early Bronze Age, suggested by a drastic increase of copper production scale. The two main steps of the copper extractive metallurgy process starting from chalcopyrite (CuFeS2), roasting oxidation at solid state) and smelting, are studied by experimental simulations at laboratory scale by modelizing the conditions of protohistoric furnaces. On one hand, kinetic of roasting is studied by thermogravimetry combined with the analysis of synthetic products. On the other hand, smelting simulations are performed to establish a calibrated correspondance between slag microstructure and two parameters affecting the chemical potential of oxygen: initial quantity of oxide and pO2 in the system. These experimental simulations lead to: - characterising the chemical reactions governing the transformation of iron-copper sulphides and proposing the mechanisms of these reactions; - developing a reference collection of synthetic products. These samples have been recreated under simulated protohistoric conditions, iPARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF