Analyse structurale et élémentaire de la transformation haute température de la chrysocolle en cuivre : application à l’étude de la métallurgie préhispanique

Thèse de doctorat de l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR)

Analyse structurale et élémentaire de la transformation haute température de la chrysocolle en cuivre : application à l’étude de la métallurgie préhispanique

Ecole doctorale n°638, Sciences de la Matière, des Molécules et Matériaux Spécialité : Chimie inorganique.

Français

Ujina-Collahuasi est un site archéologique situé dans le désert d'Atacama au Chili, réputé pour être un centre majeur de production de cuivre durant les périodes pré-Inca et Inca. Les métallurgistes préhispaniques utilisaient des fours en granodiorite en forme de banquette pour réduire le minerai, exploitant les vents pour atteindre des températures élevées et extraire le cuivre sous forme de billes métalliques. Les scories résultantes, riches en silicium, présentent diverses phases minéralogiques et notamment des phases jaunes-vertes ou jaunes-orangées qui interrogent. Riches en cuivre et en silicium, elles pourraient être attribuées à l'abondance de chrysocolle parmi les minerais utilisés.

Cette thèse se concentre ainsi sur la caractérisation approfondie de la chrysocolle, un silicate de cuivre à la structure amorphe et controversée. À température ambiante, plusieurs techniques analytiques (PIXE, MEB-EDS et RMN du solide) ont permis de surmonter les défis liés à sa composition chimique variable et à sa structure cristalline désordonnée. À haute température, la décomposition thermique de la chrysocolle a été étudiée en chauffant plusieurs échantillons à différentes températures, puis en les caractérisant par diverses techniques (microscopie optique, DRX, spectroscopie IR, MEB-EDS). Une étude de DRX in situ à haute température a également été réalisée sur un échantillon de chrysocolle.

Les résultats obtenus enrichissent notre compréhension de la transformation de la chrysocolle observée dans les scories préhispaniques de Collahuasi et des évolutions des techniques métallurgiques. Les études antérieures ont été complétées par l'analyse de scories provenant des fouilles du secteur d’Ujina 10, comprenant trois fours datés de périodes différentes. L'objectif était d'identifier d'éventuels changements dans les techniques de réduction du cuivre entre les périodes pré Inca et Inca.

English

Ujina-Collahuasi is an archaeological site located in the Atacama Desert in Chile, renowned as a major center for copper production during the pre-Inca and Inca periods. Pre-Hispanic metallurgists utilized bench-shaped granodiorite furnaces to smelt ore, leveraging the wind to achieve high temperatures and extract copper in the form of metallic beads. The resulting slag, rich in silicon, exhibits various mineralogical phases, notably yellow-green or yellow-orange phases that are of particular interest. These phases, rich in copper and silicon, may be attributed to the prevalence of chrysocolla among the ores used.

This study focuses on a characterization of chrysocolla, a copper silicate with an amorphous and controversial structure. At ambient temperature, several analytical techniques (PIXE, SEM-EDS, and solid-state NMR) were employed to overcome challenges related to its variable chemical composition and disordered crystalline structure. At high temperatures, the thermal decomposition of chrysocolla was investigated by heating several samples to different temperatures and characterizing them using various techniques (optical microscopy, XRD, IR spectroscopy, SEM-EDS). Additionally, an in-situ study was conducted, providing XRD scans of a sample subjected to increasing temperatures.

The results obtained enhance our understanding of the transformation of chrysocolla observed in the pre-Hispanic slag from Collahuasi and the evolution of metallurgical techniques. Previous studies have been supplemented by analyzing slags from excavations in the Ujina 10 sector, including three furnaces dated to different periods. The objective was to identify any changes in copper reduction techniques between the pre-Inca and the Inca occupation.