Début décembre 2017, l’incendie de Thomas a ravagé près de 300 000 acres du sud de la Californie. La chaleur intense des flammes a non seulement tué les arbres et la végétation sur les coteaux au-dessus de Montecito, mais a également vaporisé leurs racines.
Un mois plus tard, dans les heures précédant l’aube du 9 janvier, une forte tempête a bombardé les pentes arides avec plus d’un demi-pouce de pluie en cinq minutes. Le sol sans racines s’est transformé en une boue puissante, dévalant un canyon creusé par un ruisseau et ramassant des rochers dans la précipitation avant de se répandre au fond et de pénétrer dans les maisons. Vingt-trois personnes sont mortes dans la catastrophe.
Ce drame aurait-il pu être évité ? Quel est le point de basculement auquel une pente solide commence à suinter comme un liquide ? De nouvelles découvertes d’une équipe dirigée par Douglas Jerolmack de la Penn’s School of Arts & Sciences et de la School of Engineering and Applied Science en collaboration avec Paulo Arratia de Penn Engineering et des chercheurs de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), appliquent une physique de pointe pour répondre à ces questions.
Leur étude, publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciencesont réalisé des expériences en laboratoire qui ont déterminé comment la défaillance et le comportement d’écoulement des échantillons des glissements de terrain de Montecito étaient liés aux propriétés matérielles du sol.
« Nous n’étions pas là pour le voir », explique Jerolmack, « mais notre idée était : » Pourrions-nous apprendre quelque chose sur le processus par lequel un versant solide perd sa rigidité en mesurant comment les mélanges d’eau et de sol s’écoulent lorsqu’ils sont à différentes concentrations ? »
Confondre le théorique et l’appliqué
Au cours de l’hiver 2018, Jerolmack était en congé sabbatique et s’est rendu à l’Institut Kavli de physique théorique de l’UCSB, mais pas pour étudier les coulées de boue. « C’est un endroit où venir résoudre des problèmes qui sont des sujets frontières en physique », dit-il. « Je suis géophysicien, mais je n’étais pas là pour faire de la géoscience. J’étais là pour en apprendre davantage sur cette physique des frontières, en particulier sur la physique des suspensions denses. »
Trois jours après l’arrivée de Jerolmack, cependant, les coulées de débris se sont produites. Environ un mois plus tard, alors qu’il était sûr de le faire, Thomas Dunne, géologue à l’UCSB et co-auteur de l’article, l’a invité à prélever des échantillons de Montecito.
C’était une tâche sinistre. Certains échantillons provenaient des restes dévastés de maisons, où les coulées de boue du flanc de la colline étaient suffisamment fortes pour pousser des rochers massifs dans les lits de ruisseaux jusqu’aux maisons et parfois à travers. « Au moment où nous nous sommes approchés de l’embouchure du canyon, c’était presque comme une phalange de rochers », explique Jerolmack. « Les maisons ont été enterrées jusqu’aux lignes de toit; les voitures ont été pulvérisées et méconnaissables. »
Ramenant les échantillons au laboratoire, l’objectif des chercheurs était de modéliser comment la composition de la boue et les contraintes auxquelles elle est soumise influencent lorsqu’elle commence à s’écouler, en surmontant les forces qui confèrent de la rigidité aux substances, ce que les scientifiques appellent un « état bloqué ». . »
Ce n’était pas la première fois que des ingénieurs et des scientifiques tentaient ce type de modélisation à partir d’échantillons de terrain. Certaines études avaient tenté de simuler les conditions sur le terrain en plaçant des pelletées de terre et de boue dans de grands rhéomètres, un appareil qui fait tourner rapidement des échantillons pour mesurer leur viscosité ou la façon dont leur écoulement réagit à une force définie. Les rhéomètres typiques, cependant, ne donnent des résultats précis que si une substance est homogène et bien mélangée, contrairement aux échantillons de Montecito, qui contenaient diverses quantités de cendres, d’argile et de roches.
Des rhéomètres plus sophistiqués et plus sensibles, qui mesurent la viscosité de quantités infimes, peuvent pallier cet inconvénient. Mais ils en viennent avec un autre : des échantillons contenant des particules plus grosses, par exemple des roches dans la boue, pourraient obstruer leur fonctionnement délicat.
« Nous avons réalisé que nous pouvions prendre des mesures que nous savions fiables et précises si nous utilisions cet appareil extrêmement sensible », explique Jerolmack, « même si cela se faisait au prix d’avoir à tamiser le matériau le plus grossier de nos échantillons. »
Un signal clair à partir d’échantillons « sales »
L’enquête s’est appuyée sur l’expertise de chaque membre de l’équipe. Le post-doctorant de l’UCSB, Hadis Matinpour, a préparé, enregistré et tracé les premiers échantillons et analysé la composition des particules naturelles. Sarah Haber, alors assistante de recherche à Penn, a déterminé la composition chimique des matériaux, y compris des quantités importantes comme la teneur en argile.
« Nous avions toutes ces données brutes et avions du mal à les comprendre », explique Jerolmack. « Robert Kostynick, alors étudiant à la maîtrise à Penn, a repris le projet pour sa thèse et a fait énormément de démarches et a pensé à organiser, interpréter et essayer de regrouper une grande partie des données. »
Ces contributions s’appuyaient sur une compréhension de la physique de pointe liée aux forces à l’œuvre dans les suspensions denses. Ceux-ci incluent le frottement, car les particules se frottent les unes contre les autres; la lubrification, si un mince film d’eau aide les particules à glisser les unes sur les autres ; ou la cohésion, si des particules collantes comme l’argile se lient.
« Nous avons eu l’audace, ou peut-être la naïveté, d’essayer d’appliquer des développements très récents en physique à un matériau vraiment désordonné », explique Jerolmack.
Penn postdoc Shravan Pradeep, qui a une solide expérience en rhéologie, ou l’étude de la façon dont les matériaux complexes s’écoulent, a également rejoint l’équipe. Il a identifié avec précision comment les propriétés matérielles du sol – la taille des particules et la teneur en argile – déterminaient ses propriétés de rupture et d’écoulement. Son analyse a montré que la compréhension de l’adhérence des particules, mesurée en tant que « limite d’élasticité », et à quel point les particules peuvent se regrouper dans « l’état bloqué », pourrait presque entièrement expliquer les résultats observés dans les échantillons de Montecito.
Le stress de rendement peut être envisagé en imaginant du dentifrice ou du gel capillaire, dit Jerolmack. Dans un tube, ces matériaux ne coulent pas. Ce n’est que lorsqu’une force est appliquée au tube – une pression ferme – qu’ils commencent à couler. L’état de blocage peut être considéré comme le point auquel les particules sont tellement entassées qu’elles sont incapables de se déplacer les unes par rapport aux autres.
« Ce que nous avons réalisé, c’est qu’avec les coulées de débris, lorsque vous ne les poussez pas fort, leur comportement est entièrement régi par la contrainte d’écoulement », explique Jerolmack. « Mais lorsque vous poussez très fort – la force de gravité entraînant une coulée de débris à flanc de montagne – le comportement visqueux domine et est déterminé par la distance entre la densité des particules et l’état bloqué. »
En laboratoire, les chercheurs n’ont pas été en mesure de simuler une défaillance, le point auquel un sol solide, contraint par un « blocage », s’est transformé en une boue mobile. Mais ils pourraient approximer l’inverse, en évaluant les matériaux boueux mélangés à de l’eau à différentes concentrations pour extrapoler l’état bloqué.
« La beauté de cela est que, lorsque vous obtenez des échantillons de la nature, ils peuvent être partout en termes de composition, de quantité de cendres qu’ils contiennent, de l’endroit où vous les avez collectés », explique Arratia. « Pourtant, à la fin, toutes les données se sont simplement effondrées en une seule courbe maîtresse. Cela vous indique que maintenant, vous avez une compréhension universelle qui tient si vous êtes dans le laboratoire ou sur les montagnes de Montecito. »
Avec le changement climatique, la fréquence et l’intensité des feux de forêt augmentent dans de nombreuses régions, tout comme l’intensité des précipitations. Ainsi, le risque de glissements de terrain catastrophiques n’est pas près de disparaître.
Les nouvelles découvertes pour prédire la limite d’élasticité et l’état de blocage peuvent aider à éclairer la modélisation que les gouvernements fédéraux et locaux font pour simuler les coulées de débris, selon les chercheurs. « Disons, s’il pleut si fort et que j’ai ce genre de matériel, à quelle vitesse va-t-il couler et jusqu’où », dit Jerolmack.
Et d’une manière plus générale, Jerolmack et ses collègues espèrent que le travail, qui a combiné les sciences théoriques et empiriques, mènera à davantage d’approches interdisciplinaires. « Nous pouvons prendre des découvertes de dernière minute en physique et les relier assez directement à un problème environnemental ou géophysique significatif. »
Plus d’information:
Robert Kostynick et al, La rhéologie des matériaux de coulée de débris est contrôlée par la distance du brouillage, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2209109119