La grotte d'Altamira est déjà habitée aux périodes aurignacienne, solutréenne et magdalénienne du paléolithique supérieur. Une datation du site au carbone 14 révèle que les premières peintures rupestres datent d'il y a 13500 à 15500 ans. La grotte est découverte par Marcelino de Sautuola en 1879. D'autres archéologues l'ont par la suite explorée : H. Alcalde del Rio en 1906, puis H. Obermaier en 1924.
La grotte d'Altamira est divisée en trois zones distinctes : un vaste vestibule de 18 mètres de long et de 9 mètres de large servant de pièce principale d'habitation, une deuxième grande salle remplie de peintures rupestres et enfin des couloirs et des petites salles plus étroites. Ces galeries font au total 270 mètres de long. La hauteur originelle de la pièce principale est située entre 1,10 et 1,90 mètres, mais le sol est actuellement rabaissé, afin de pouvoir mieux observer les dessins.
La grotte compte en tout 930 figures, dont 16 bisons des steppes, des chevaux, des biches, des sangliers, quelques représentations humaines, des empreintes de mains et d'autres motifs nonfiguratifs. La « grande biche » est le dessin le plus important de la grotte puisqu'elle fait 2,25 mètres de large. Elle se distingue par son grand réalisme témoignant du sens de l'observation des peuples d'antan. Le « cheval ocre » est aussi reproduit en plusieurs dimensions et rappelle les corniches cantabriques où il est maintes fois représenté.
Les peintures et dessins de la grotte d'Altamira ont été exécutés avec des pigments noirs, rouges et ocres ajoutés à de l'oxyde de fer, de charbon ou de manganèse. Les archéologues ont également découvert des gravures antérieures sous les peintures actuelles. Il s'agissait apparemment de gravures à lignes continues ou à lignes multiples, mais aussi de gravures monochromes de couleur rouge ou noire. Des outils en pierre et en os, ainsi que le squelette d'un ours des cavernes, complètent les découvertes faites dans cette grotte mythique.
À l'époque de la découverte de la grotte d'Altamira, les scientifiques sont plutôt sceptiques quant à l'authenticité des peintures qui l'ornaient. Leur exécution est alors réputée être trop parfaite pour le Paléolithique. Emile Cartailhac figure parmi les plus fervents détracteurs de la grotte, mais devant les preuves accumulées par d'innombrables études - dont les travaux de l'Abbé Breuil, il reconnaît enfin la valeur d'Altamira en 1902.
Quand la grotte est ouverte au public, l'affluence est telle que son microclimat est altéré et la conservation des peintures mise à mal. Devant cet état de fait, les autorités espagnoles ferment la grotte de 1977 à 1982. Elles ne permettent sa réouverture qu'à la condition expresse de restreindre le nombre journalier des visiteurs. L'engouement est tel qu'il devient nécessaire de s'inscrire sur des listes d'attente et de prendre en quelque sorte rendez-vous pour une visite.
La situation devient intenable, car la visite s'effectue souvent un an après l'inscription. L'administration décide alors la création de cavernes artificielles, copies de la grotte originelle et de ses principales peintures murales. L'une se trouve au Musée national et Centre d'Investigation d'Altamira (créé en 2001), tandis que l'autre est abritée par le Musée archéologique national d'Espagne, à Madrid.
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