Les glissements de terrain sur Terre et sur d’autres corps planétaires analysés par la modélisation numérique

Vendredi, 18 avril 2014

L’évaluation des risques liés aux glissements de terrains passe par une bonne connaissance des mécanismes en jeu. Par l’étude de différents exemples pris sur Terre, Mars et Janus, une équipe de chercheurs de l’IPG de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité), du California Institute of Technology et de l’INRIA ont pu mettre au point un modèle numérique de glissement de terrain. Ils montrent que glissement de terrain et glissement de plans de failles à l’origine des tremblements de terre présentent certaines analogies.

  • Glissement d’Oso (Washington, USA) 22 mars 2014. Bilan : 170 victimes (bilan non définitif). Source BBC / AP http://www.bbc.com/news/world-us-canada-26726746
  • Exemples de glissements de terrain dans le systeme solaire : a) Hong Kong, b) Canada c) Pole Sud de Vesta, d) Caledera d'Olympus Mons (Mars), e) Valles Marineris (Mars), f) Venus, g) Io, h) Callisto et i) Japet. Lucas et al. 2014



Qu’elles soient aériennes, sous-marines ou encore sur d’autres planètes, les instabilités gravitaires – c’est-à-dire les glissements de terrains - participent activement aux processus d’érosion et de transport de matière en surface, et donc à la dynamique des paysages. En outre, la catastrophe d’Oso, village de l’État de Washington aux Etats-Unis d’Amérique (Figure 1), du 22 mars dernier, nous rappelle tragiquement qu’il est nécessaire de mieux comprendre ces phénomènes afin d’améliorer notre capacité à anticiper le risque associé.

Bien que de nombreuses avancées aient été récemment faites, comprendre les mécanismes à l’œuvre pendant la phase d’étalement après que les roches se soient détachées de la pente, reste aujourd’hui encore un problème très largement ouvert. La variabilité des contextes géologiques, des matériaux impliqués ou encore des mécanismes de déclenchement rend difficile la prédiction et la compréhension des instabilités gravitaires. À titre d’exemple, il n’existe toujours pas de consensus sur la transition statique/fluide propre aux milieux granulaires, c’est-à-dire sur le moment où la rupture se fait et où les éboulis peuvent être assimilés à un fluide.

Depuis le début du 20e siècle, on considérait que le coefficient de friction des glissements naturels étaient uniquement déterminés par la hauteur de chute et la longueur total de parcours (le rapport entre les deux), comme s’il s’agissait d’une simple brique qui glisse sur un plan incliné.

  • Anaglyphe d’un glissement du l’astéroïde Vesta. Lucas et al 2014
  • Le glissement de Hong-Kong, évolution en temps de la simulation numérique : (gauche) épaisseur, (centre) vitesse et (droite) friction avec prise en compte de l'adoucissement
  • Glissement de Coprates (Mars). Champ de vitesse au cours de la simulation avec prise en compte de l'adoucissement frictionnel. Lucas et al.


En prenant en compte la topographie, la morphologie de la masse initiale, la géométrie de la loupe d’arrachement et la déformation de la masse pendant la phase de glissement, les auteurs de l’article ont cherché à déterminer la friction des glissements naturels et étudier son comportement en fonction du volume pour dépasser l’approche simpliste du patin. Ainsi, ils ont reproduit par modélisation numérique de nombreux glissements observés sur Terre (Canada, Hong-Kong, Alpes), comme sur d’autres corps planétaires (Mars ou encore Japet, un satellite de glace de Saturne). Les simulations ont montré que le coefficient de friction dépendait du volume du glissement (plus ce dernier est grand, plus la friction est faible). Cependant, en mesurant la vitesse de glissements sur Terre ainsi qu’en analysant celle obtenue depuis les simulations, ils ont montré que la vitesse augmentait avec le volume, il y a donc une dépendance du coefficient de friction avec la vitesse.

Ce type de comportement est par ailleurs bien connu des mécaniciens et de certains sismologues, car en effet, ils sont suspectés de contrôler les glissements des plans de failles responsables des tremblements de terre (glissement co-sismiques).

En s'inspirant de formalismes développés en mécanique et en sismologie, ils ont montré que des mécanismes d’adoucissement de la friction avec la vitesse permettaient d’expliquer d'une part les vitesses mesurées pour les cas terrestres et d'autre part, les morphologies des dépôts observées sur Terre et sur d’autres corps planétaires comme Mars ou Japet. Il semblerait donc que cet adoucissement soit indépendamment des échelles et des environnements.

Ceci suggère également que des mécanismes similaires contrôlent les glissements de terrain et les tremblements de Terre.

Ces travaux ouvrent donc de nouvelles perspectives pour mieux comprendre et donc mieux gérer les risques associés à ces phénomènes. Une meilleure description des lois de comportement intrinsèque implique une meilleure estimation du champ de la vitesse et de l'étalement, qui sont les deux facteurs important qui constituent le risque associé à ces processus.

Source(s): 

Frictional velocity-weakening in landslides on Earth and on other planetary bodies. Antoine Lucas1,2, Anne Mangeney1,3 & Jean Paul Ampuero2 Nature Communications, Mars 2014
1-Institut de Physique du Globe de Paris, CNRS, Université Paris Diderot, Sorbone Paris Cité
2-Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, USA
3-Laboratoire Jacques-Louis Lions (INRIA, UPMC),  Astrophysique, Instrumentation et Mode´lisation (AIM), CNRS, Université Paris-Diderot, CEA-Saclay

Contact(s):
  • Antoine LUCAS, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    lucas [at] ipgp [dot] fr
  • Anne MANGENEY, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    mangeney [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 75 62

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