Déclencher des avalanches granulaires par ultrason

Des chercheurs de l’Institut Langevin (ESPCI Paris – PSL, CNRS) et de l’Institut de Physique du Globe de Paris (Université de Paris, CNRS) ont apporté une nouvelle lumière sur les mécanismes qui président au déclenchement de certains éboulements et glissements de terrain [1].

Un lit incliné de grains solides ne commence à s’écouler qu’au-delà d’un angle maximal, appelé « angle d’avalanche », et se stabilise à nouveau pour un angle plus petit d’environ 2°, appelé « angle de repos ». Pour un angle inférieur à l’angle d’avalanche, le lit de grains peut tout de même commencer à s’écouler s’il est soumis à une perturbation extérieure. C’est ainsi par exemple que certains éboulements ou glissements de terrain trouvent leur origine dans les vibrations liées à l’activité sismique locale (cf. Fig. 1), voire même distante. Si le phénomène est connu, il est encore aujourd’hui imparfaitement compris.

Fig. 1. Cratère Dolomieu au Piton de la Fournaise. Plusieurs éboulements s’y produisent chaque jour. Leur occurrence et leur importance semblent liées à la sismicité locale (V. Durand, A. Mangeney, F. Hass, X. Jia, A. Peltier et al, J. Geophys. Res. 123, 2422 (2019)).


Une nouvelle lumière a été apportée à cette problématique grâce à une série d’expériences menées à petite échelle avec des ultrasons. Dans ces expériences, le lit granulaire consiste en une succession de couches de billes de verre (d’une centaine de m de diamètre) d’épaisseur contrôlée et déposée sur un émetteur ultrasonore dont la rugosité de surface est elle-même contrôlée. L’ensemble est incliné d’un angle inférieur à l’angle d’avalanche (cf. Fig. 2). La source piézo-électrique est excitée par un signal sinusoïdal de fréquence 40 kHz pour produire une vibration d’amplitude nanométrique. Lorsque l’inclinaison est légèrement inférieure à l’angle d’avalanche, la mise sous vibration du lit granulaire déclenche un écoulement stationnaire dont la vitesse est indépendante de l’amplitude ultrasonore. Pour un angle d’inclinaison plus faible, l’écoulement provoqué par les vibrations ultrasonores présente un caractère intermittent dont la vitesse dépend de l’amplitude des ultrasons et qui s’arrête lorsque ces derniers sont éteints. Dans les deux cas, l’amplitude de la vibration est bien trop faible pour induire un réarrangement macroscopique des grains. L’effet des ultrasons est en fait de réduire l’aire de contact « collé » entre grains. Le coefficient de friction interparticulaire s’en trouve diminué, phénomène baptisé « lubrification acoustique », ce qui conduit à une réduction du seuil de rupture du lit granulaire. Ce travail devrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension des déclenchements d’éboulements et de glissements de terrain induits par la sismicité.

[1] J. Léopoldès, X. Jia, A. Tourin, and A. Mangeney, “Triggering granular avalanches with ultrasound”, Phys. Rev. E 102, 042901(2020)
DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.042901

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