Fractures ouvertes dues à un étalement latéral, conséquence de la liquéfaction sismique d'un sable gorgé d'eau

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Albert Jambon

Université Pierre et Marie Curie (Paris 6)

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

09/10/2017

Résumé

Sable sec ou mouillé, qui coule ou casse sous l'effet d'un séisme, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili).


Figure 1. Fissures ouvertes sur la plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili), photographiées deux jours après le séisme de magnitude 7,6 du 25 décembre 2016

Les fissures sont parallèles à la côte et perpendiculaires à la ligne de plus grande pente. Tout ce passe comme si le sable de la plage avait glissé vers la droite, en direction d'un chenal séparant la plage de l'ile principale. Le sable, mouillé a un comportement cohésif, il "casse" sans s'écouler et forme des mini-"falaises", contrairement au sable sec qui forme des talus avec un pendage caractéristique d'une trentaine de degrés.


Figure 2. Vue d'ensemble la plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili), deux jours après le séisme de magnitude 7,6 du 25 décembre 2016

Les fissures sont parallèles à la côte et perpendiculaires à la ligne de plus grande pente. Tout ce passe comme si le sable de la plage avait glissé vers la droite, en direction d'un chenal séparant la plage de l'ile principale. Le sable, mouillé, a un comportement cohésif, il "casse" sans s'écouler et forme des fissures ouvertes bordées de "falaises", contrairement au sable sec qui forme des talus au pendage d'environ 30°.


Figure 3. Détail des fissures ouvertes le 25 décembre 2016 par un séisme de magnitude 7,6 sur la plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

On voit très bien que le sable mouillé "casse" sans s'écouler et forme des fissures ouvertes bordées de "falaises" sub-verticales, contrairement au sable sec qui forme des talus en pente douce. Le vent (venant de la gauche) commence à rapporter du sable sec qui remplit progressivement les fissures.


Figure 4. Détail des fissures ouvertes le 25 décembre 2016 par un séisme de magnitude 7,6 sur la plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

On voit très bien que le sable mouillé "casse" sans s'écouler et forme des fissures ouvertes bordées de "falaises" sub-verticales, contrairement au sable sec qui forme des talus en pente douce. Le vent (venant de la gauche) commence à rapporter du sable sec qui remplit progressivement les fissures.


Le jour de Noël (25 décembre) 2016, un violent tremblement de terre (magnitude 7,6) affecte l'ile de Chiloé, au Chili. Il n'y a pas eu de victimes dans cette région relativement peu peuplée, mais des dégâts matériels parfois importants. Deux jours plus tard, des amis (dont Albert Jambon, auteur des photographies présentées ici) étaient sur l'ile de Chiloé pour visiter son célèbre parc national et ils ont pu observer les structures sismiques faites sur une plage.

Le séisme était un séisme de magnitude 7,6. L'intensité MSK (échelle qui va de 1 à 12) était comprise entre 7 et 8 sur le site de la plage de Cucao. Le séisme a eu lieu après une grande marée, à marée basse. Les marées décroissant en cette fin décembre 2016, les hautes eaux suivantes n'ont pas effacé les fractures sismiques induites dans le sable mouillé situé en haut de l'estran, en particulier là où la topographie de la côte faisait qu'aucune vague ne déferlait sur cet estran. C'était le cas sur le versant Est d'un cordon littoral séparant l'océan d'un cours d'eau, émissaire venant du lac Cucao. Ces circonstances exceptionnelles (marées décroissantes, plage à l'abri des vagues...) a permis à des structures faites dans du sable d'être encore visibles 48h après le séisme.

Ces structures sont principalement des fentes ouvertes, établies dans du sable mouillé (donc cohésif)), fissures perpendiculaires à la ligne de plus grande pente, et donc parallèles à la côte. Ce type de fissures ouvertes sont classiques quand un fort séisme affecte un substrat meuble (sable, alluvions …) localisé sur une pente.

Figure 5. Carte de l'ile de Chiloé sur la côte du Chili

La plage de Cucao est localisée par la flèche bleue. L'épicentre du séisme est localisé par l'étoile rouge. Les chiffres localisés sur les lignes concentriques (les lignes isosismiques) indiquent l'intensité MSK sur ces lignes. L'intensité sismique sur la plage de Cucao était comprise entre 7 et 8.


Figure 6. Vue aérienne de la plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Toutes les photos ont été prises sur le versant Est (gauche) du cordon littoral séparé de l'ile principale par le fleuve côtier émissaire du lac Cucao.


Les substrats meubles imbibés d'eau ont parfois des comportements mécaniques assez particuliers, qui obéissent à des lois physiques assez complexes. Tout un chacun a pu remarquer que quand on marche sur une plage de sable mouillé, ce sable "s'assèche" temporairement autour de son pied. Quand on retire son pied, souvent, l'empreinte légèrement creuse que le pied vient de quitter se remplit d'eau et est donc plus mouillé qu'avant et qu'autour, et forme comme une suspension de grains de sable dans de l'eau. Ce phénomène qui n'est pas du tout intuitif peut s'expliquer très qualitativement et en simplifiant énormément de la façon suivante : quand le pied exerce une pression (verticale) sur le sable, cela tend à écarter horizontalement les grains de sable les uns des autres. Les espaces entre les grains devenant plus grands, l'eau qu'ils contenaient dispose de plus de place et a tendance à baisser, d'où l'assèchement temporaire observé (cf. figure ci-dessous7). Dans cette expérience simplissime, les grains aussi bien ceux à la base de la figure 7 que ceux au fond du creux laissé quand on enlève son pied sont largement séparés de leurs voisins par beaucoup d'eau. Un tel mélange eau-sable avec des grains souvent non jointifs et "baignant" dans l'eau peut avoir un comportement de "liquide", les grains de sable ainsi séparés pouvant très facilement se déplacer les uns par rapport aux autres.

Figure 7. Principe de l'assèchement superficiel et de l'enrichissement profond quand on comprime du sable mouillé

Sur ce schéma, les cercles représentent les grains de sable, et le bleu représente l'eau.


Le passage d'ondes sismiques intenses correspond à une succession de compressions et de dilatations. En mettant en jeu une physique voisine de celle de l'expérience précédente, cela peut donner temporairement à un substrat meuble un comportement de liquide. C'est ce qui a dû arriver ce 25 décembre 2016 sur la plage de Cucao. La partie imbibée d'eau de mer à la base du sable de la plage s'est liquéfiée lors du passage des ondes sismiques. Ce niveau temporairement liquide a eu tendance à couler vers le bas, c'est-à-dire à s'étaler en direction du chenal à l'Est de la plage dans le cas des images 1 à 11. On parle d'étalement latéral ( lateral spreading en anglais). Le sable mouillé mais non totalement imbibé d'eau situé au-dessus du niveau saturé d'eau n'a pas acquis ce comportement liquide, il a été entrainé vers le chenal par l'écoulement sous-jacent, mais en "cassant" et non en "coulant", d'où toutes les cassures photographiées ce 27 décembre 2016.

Dans ce cas précis, la liquéfaction des niveaux de base du cordon littoral n'a eu aucune conséquence gênante, car il n'y avait aucune habitation sur le cordon littoral. Mais si des bâtiments voire une ville entière sont bâtis sur un tel substrat qui se liquéfie lors d'un fort séisme, les dégâts peuvent être spectaculaires. Cela a été le cas par exemple, lors du fort séisme du 27 février 2010 qui a affecté le Centre-Sud du Chili) et dans d'autres pays sismiques, comme le Japon…

Figure 8. Exemple de dégâts causés par la liquéfaction du sous-sol lors du tremblement de terre de Niigata, Japon (1964)

Les bâtiments, bien construits, n'ont pas été détruits par les mouvements sismiques. Mais bâtis sur un sous-sol meuble imbibé d'eau qui s'est liquéfié, ces bâtiments ont basculé d'un seul bloc.


Que ce soit à Chiloé ou à Niigata, nous voyons donc que les mouvements du sol peuvent être importants, mouvements au niveau de la faille qui joue, comme mouvements périphériques dans le cas de Chiloé en 2016. Mais il ne faut pas oublier qu'à côté des mouvements telluriques qui se font de façon discontinue sur des grandes failles (les séismes), il y a aussi des mouvements continus et asismiques, comme en témoigne le temple de Pouzolles vu la semaine dernière (cf. Les colonnes du temple de Sérapis, à Pouzzoles, et les Principles of Geology de Charles Lyell ). Une même faille peut d'ailleurs jouer par à-coups sismiques sur certains fragments et par mouvement lent asismique (on parle de creep , en anglais). La célèbre faille de San Andrea possède de tels fragments jouant de façon sismique et discontinue et d'autres jouant de façon asismique et continue.

Nous vous avons montré 4 images prises sur le bord du chenal en direction de l'aval. Nous vous montrons aussi 3 images du bord de ce même chenal, mais prise en direction de l'amont. Nous vous montrons aussi sept images prises relativement loin du bord, au centre du cordon littoral, là où la pente est faible ou nulle.

Figure 9. Fractures sur la pente Est du cordon littoral vues en direction de l'amont, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Comme sur les photos 1 à 4, les fissures sont parallèles à la côte et perpendiculaires à la ligne de plus grande pente.


Figure 10. Fractures sur la pente Est du cordon littoral vues en direction de l'amont, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Comme sur les photos 1 à 4, les fissures sont parallèles à la côte et perpendiculaires à la ligne de plus grande pente.


Figure 11. Fractures sur la pente Est du cordon littoral vues en direction de l'amont, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Comme sur les photos 1 à 4, les fissures sont parallèles à la côte et perpendiculaires à la ligne de plus grande pente.


Figure 12. Relativement loin de la pente bordant le chenal, la pente est beaucoup plus faible, voire nulle, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

L'extension visible en surface est beaucoup plus faible que sur les pentes bordières, ce qui suggère un écoulement beaucoup plus faible du niveau liquéfié. Les fissures sont malgré tout parallèles entre elles et parallèles au bord du cordon littoral, montrant que l'écoulement du niveau liquéfié était unidirectionnel.


Figure 13. Relativement loin de la pente bordant le chenal, la pente est beaucoup plus faible, voire nulle, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

L'extension visible en surface est beaucoup plus faible que sur les pentes bordières, ce qui suggère un écoulement beaucoup plus faible du niveau liquéfié. Les fissures sont malgré tout parallèles entre elles et parallèles au bord du cordon littoral, montrant que l'écoulement du niveau liquéfié était unidirectionnel.


Figure 14. Au centre du cordon littoral, les fractures sont parfois orientées dans plusieurs directions, suggérant une extension multidirectionnelle, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Tout se passe comme si la base liquéfiée du cordon littoral s'était étalée dans toutes les directions sous le poids des quelques mètres de sable relativement sec surmontant les niveaux imbibés d'eau.


Figure 15. Au centre du cordon littoral, les fractures sont parfois orientées dans plusieurs directions, suggérant une extension multidirectionnelle, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

Tout se passe comme si la base liquéfiée du cordon littoral s'était étalée dans toutes les directions sous le poids des quelques mètres de sable relativement sec surmontant les niveaux imbibés d'eau.


Figure 16. Entonnoirs de soutirage, plus au centre du cordon littoral, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

La surface au centre du cordon littoral était constituée de sable sec ces 25 à 27 décembre 2016, sable sec recouvrant du sable humide (à comportement cassant comme celui qu'on voit sur les figures 1 à 11), sable humide surmontant le niveau totalement imbibé d'eau situé au niveau de la mer.

Lors du séisme, le sable imbibé d'eau s'est liquéfié, le sable humide s'est cassé en faisant des fractures ouvertes, et le sable superficiel sec est tombé dans ces fractures ouvertes, comme celui d'un sablier. Si les fractures ouvertes sous-jacentes étaient discontinues, ou si la chute du sable sec ne s'est pas faite de façon régulière à l'aplomb d'une fissure pourtant continue, le trajet de la fissure profonde est matérialisé par une suite d'"entonnoirs de soutirage" plus ou moins allongés et alignés.


Figure 17. Entonnoirs de soutirage, plus au centre du cordon littoral, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

La surface au centre du cordon littoral était constituée de sable sec ces 25 à 27 décembre 2016, sable sec recouvrant du sable humide (à comportement cassant comme celui qu'on voit sur les figures 1 à 11), sable humide surmontant le niveau totalement imbibé d'eau situé au niveau de la mer.

Lors du séisme, le sable imbibé d'eau s'est liquéfié, le sable humide s'est cassé en faisant des fractures ouvertes, et le sable superficiel sec est tombé dans ces fractures ouvertes, comme celui d'un sablier. Si les fractures ouvertes sous-jacentes étaient discontinues, ou si la chute du sable sec ne s'est pas faite de façon régulière à l'aplomb d'une fissure pourtant continue, le trajet de la fissure profonde est matérialisé par une suite d'"entonnoirs de soutirage" plus ou moins allongés et alignés.


Figure 18. Entonnoirs de soutirage, plus au centre du cordon littoral, plage de Cucao (ile de Chiloé, Chili)

La surface au centre du cordon littoral était constituée de sable sec ces 25 à 27 décembre 2016, sable sec recouvrant du sable humide (à comportement cassant comme celui qu'on voit sur les figures 1 à 11), sable humide surmontant le niveau totalement imbibé d'eau situé au niveau de la mer.

Lors du séisme, le sable imbibé d'eau s'est liquéfié, le sable humide s'est cassé en faisant des fractures ouvertes, et le sable superficiel sec est tombé dans ces fractures ouvertes, comme celui d'un sablier. Si les fractures ouvertes sous-jacentes étaient discontinues, ou si la chute du sable sec ne s'est pas faite de façon régulière à l'aplomb d'une fissure pourtant continue, le trajet de la fissure profonde est matérialisé par une suite d'"entonnoirs de soutirage" plus ou moins allongés et alignés.


Figure 19. Exemples terrestre et martien d'entonnoirs de soutirage alignés, analogies probables de grande taille des alignements d'entonnoirs des figures précédentes

La photo de gauche a été prise en Islande en 1983. Le substrat local y est constitué d'un basalte massif recouvert d'un saupoudrage de cendres volcaniques. Des fissures se sont ouvertes dans le basalte, ce qui est classique en Islande (cf., par exemple, Champ de fractures en Islande ). L'une de ces fissures est visible à l'arrière-plan. Les cendres volcaniques superficielles, meubles, se sont "écoulées" dans ces fissures ouvertes, ce qui a engendré une série d'entonnoirs de soutirage alignés à l'aplomb de la fissure.

L'image de droite est une image d'un champ de grabens martiens sur le flanc Est du volcan Alba Patera . Plusieurs dizaines de "petits cratères" sont alignés sur deux des failles normales bordant ces grabens. Une interprétation possible de cet alignement de cratères est semblable à celle expliquant l'alignement de petits cratères islandais. Certaines failles normales locales auraient été accompagnées d'ouvertures, dans lesquels se serait effondré le matériel superficiel. D'autres interprétations sont possibles, comme celle faisant intervenir des circulations d'eau "chaude" le long de certaines failles, eau chaude faisant localement fondre le permafrost.