Le déclenchement des avalanches de plaque

Notre connaissance des processus menant au déclenchement d’une avalanche de plaque s’est améliorée durant la dernière décennie. Nous présentons ici des éléments-clés pour comprendre ce phénomène, tels ceux proposés par la communauté scientifique internationale, notamment lors du dernier colloque de l’ISSW (International Snow Science Workshop, Colorado, USA, 2016). Cet article n’est pas un traité de nivologie pratique (voir revue n°147 d’octobre 2014) mais une explication mécanique du déclenchement.

Le déclenchement d’une avalanche de plaque de neige résulte de la perte d’équilibre du manteau neigeux sur une pente. Cet équilibre est instable car une petite perturbation mécanique, comme une surcharge ponctuelle et brutale (par ex. skieur) ou distribuée et progressive (par ex. chute de neige), peut entraîner le glissement d’une masse de neige très importante. Le déclenchement résulte d’une série de ruptures mécaniques dans le manteau neigeux (Schweizer et al., 2016) :

• L’initiation d’une rupture dans une couche fragile sous une plaque relativement cohésive (Fig. 1),

• La propagation de cette rupture dans la couche fragile (Fig. 2),

• La rupture en traction de la plaque et le glissement de la plaque dans la pente (Fig. 3).

A) Initiation de la rupture

Général. La rupture de ponts entre grains de neige dans la couche fragile constitue la première étape du déclenchement d’une avalanche de plaque (Fig. 1b). Un pont rompt si la contrainte (force/surface) appliquée excède sa résistance mécanique. Une fois rompu, il ne supporte plus la contrainte due au poids de la plaque qui est alors répartie sur les ponts voisins intacts. Ces ruptures à l’échelle du dixième de millimètre peuvent éventuellement « s’organiser » pour former une fissure de taille macroscopique dans la couche fragile, à l’échelle de dizaines de centimètres (Fig. 1c). Si cette fissure est suffisamment grande, elle se propagera ensuite d’elle-même.

Vitesse de déformation. L’initiation de la rupture diffère selon que le déclenchement est spontané ou provoqué car les vitesses de déformation impliquées sont distinctes. Dans le cas d’un déclenchement spontané lié à une augmentation progressive de la charge (par ex. chute de neige, transport de neige par le vent) et/ou la modification des propriétés physiques internes du manteau neigeux (par ex. métamorphisme), les déformations sont lentes et le passage d’une rupture diffuse (Fig. 1b) à une fissure macroscopique (Fig. 1c) peut prendre de quelques minutes à plusieurs heures (Schweizer et al., 2016). Un chargement lent entraîne une déformation plastique de la glace qui n’est pas systématiquement suivie d’une rupture. Par ailleurs, les ponts cassés peuvent se ressouder par frittage (Narita, 1983). Même endommagée, la couche fragile peut donc toujours supporter une certaine contrainte, ce qui rend la formation d’une fissure macroscopique plus difficile. Dans le cas d’un déclenchement provoqué, par exemple par le passage d’un skieur, l’incrément de chargement est rapide et entraîne une rupture soudaine : les ponts cassent et ne supportent plus aucune contrainte. De plus, les ruptures se concentrent sous le skieur et sont donc rapidement "organisées" en une fissure macroscopique.

Direction de chargement. L’initiation de la rupture est liée au poids de la plaque auquel s’ajoute éventuellement une surcharge ponctuelle. La contrainte supportée par la couche fragile est mixte, c’est-à-dire constituée d’une composante en compression et d’une composante en cisaillement (Fig. 1a). L’écrasement vertical de la couche fragile (Fig. 1c) est aujourd’hui perçu comme une conséquence d’une rupture en mode mixte (Schweizer et al., 2016) et non pas comme mode de rupture (Heierli et al., 2008). En effet, la composante en cisaillement est le plus souvent responsable de la rupture car la résistance au cisaillement des types de neige composant les couches fragiles (par ex. faces planes) est significativement plus faible que celle en compression (Reiweger et al., 2015). Ainsi, même si une initiation de la rupture en compression sur le plat est possible, elle est généralement plus facile en cisaillement dans une pente.

Figure 1 : initiation de la rupture dans la couche fragile. La couche fragile est soumise à une contrainte mixte en cisaillement et en compression (a). Cette contrainte entraîne la rupture des ponts les moins résistants (b), qui peut éventuellement aboutir à la formation d’une fissure macroscopique (c). Dans le cas d’une surcharge localisée, comme le passage d’un skieur, la formation de la fissure macroscopique sera rapide alors que sa formation sera plus lente pour un déclenchement spontané. L’échelle des grains et de la plaque n’est pas respectée.

Figure 2 : Propagation d’une fissure dans la couche fragile. Pour avoir propagation, il faut que la fissure soit de taille supérieure à la taille critique.

Arrêt de la propagation. La rupture en traction/flexion de la plaque stoppe la propagation en amont de la rupture dans la couche fragile, car la plaque ne joue alors plus son rôle de transfert de la contrainte (Fig. 3). Une plaque de trop faible résistance en traction ne permettra donc pas de propager la rupture de la couche fragile. L’arrêt peut également être dû à un changement des propriétés du manteau neigeux, par exemple la non continuité de la couche fragile. La rupture en traction peut alors résulter de la fin de la propagation de la rupture dans la couche fragile. D’une manière générale, la rupture dans la couche fragile peut se propager sur des centaines de mètres, voire plus.

Figure 3 : Exemple d’arrêt de la propagation de la fissure dans la couche fragile et rupture de la plaque. La couche fragile est ici composée de givre de surface. Crédit photo : Jamieson and Schweizer (2000).

C) Rupture en traction et glissement dans la pente

Général. La dernière étape du déclenchement est la rupture en traction de la partie amont de la plaque, qui produira, s’il y a glissement, la « cassure linéaire » (Fig. 4). La plaque se détache alors complètement du reste du manteau neigeux retenue dans la pente uniquement par des forces de friction dans la couche fragile détruite entre le bas de la plaque et le substrat. Ces forces de friction se révélant insuffisantes pour retenir la plaque, celle-ci se met à glisser dans la pente.

Angles de frottement. Les angles de frottement dynamique mesurés (la plaque accélère si l’angle de pente est supérieur à l’angle de frottement) varient entre 18° et 41°, avec une médiane de 30° (van Herwijnen et al., 2016). Ces valeurs sont cohérentes avec les statistiques d’accidents, qui montrent que l’immense majorité des déclenchements de plaques sèches se produisent dans des pentes > 30° (McClung and Schaerer, 2006). Cet angle augmente avec la différence de dureté entre la plaque et le substrat : il est plus élevé pour des plaques tendres glissant sur un substrat dur (van Herwijnen et al., 2016).

L’angle de pente. La présence d’une pente assez forte est indispensable dans cette étape du déclenchement, alors qu’elle n’est pas nécessaire pour initier et propager une rupture dans la couche fragile. Cette particularité explique les déclenchements à distance : le skieur initie une rupture dans la couche fragile sur du plat ou une faible pente, cette rupture se propage ensuite suffisamment loin jusqu’à une pente d’au moins 30°, puis la plaque glisse, uniquement dans cette zone pentue, tandis que rien d‘apparent ne se passe à proximité du skieur, sauf un possible "whumpf" (voir ci-avant) et un possible affaissement de la surface de la neige de quelques millimètres.

Figure 4 : Rupture en traction de la plaque et glissement dans la pente.

Un départ de type plaque requiert deux éléments : une couche fragile et, au-dessus, une plaque relativement cohésive. L’ensemble de ces deux éléments est appelé structure de plaque. Ces éléments peuvent être de différentes natures selon les conditions météorologiques (Fig. 5).

La couche fragile est une couche de neige de faible résistance située à l’intérieur du manteau neigeux. Le fait qu’une fois cassée, la couche fragile ne supporte presque plus aucune contrainte semble également être une condition nécessaire à son « bon » fonctionnement. On distingue les couches fragiles persistantes et non persistantes (Fig. 5a). Les couches fragiles persistantes sont le plus souvent composées de grains anguleux (faces planes, gobelets). Ces grains se forment par métamorphose de gradient. Ces couches sont dites persistantes car elles évoluent très lentement dans le temps et peuvent subsister parfois tout au long d’une saison. Par exemple, la neige tombée en début de saison dans les versants nord subit généralement un fort gradient thermique (faible épaisseur de neige, surface de la neige très froide, longue durée) et peut se transformer en une couche fragile pour le reste de la saison. Parmi les couches fragiles persistantes, on peut ajouter le givre de surface, qui semble cependant être plus rarement impliqué dans les accidents en France. Quelques très rares cas impliquent des couches fragiles de type neige roulée. Les couches fragiles non persistantes sont constituées de neige récente légère. Elles apparaissent lors de chutes de neige sans vent. Ces couches évoluent rapidement dans le temps par tassement mécanique et métamorphose d’isothermie : elles gagnent en résistance mécanique en quelques heures (de l’ordre de 48 h au maximum) et ne jouent alors plus leur rôle de couche fragile.

La plaque est une couche de neige, dont le poids et la cohésion supérieure à celle de la couche fragile, sont nécessaires à la propagation de la rupture dans la couche fragile. On distingue les plaques friables et les plaques dures (Fig. 5b). Les plaques friables sont constituées majoritairement de neige de type particules reconnaissables. Elles sont d’apparence poudreuse et se forment généralement lorsque les conditions atmosphériques changent sensiblement durant la chute de neige ou peu après: un peu de vent passager et/ou remontée de la température. Dans ces conditions, une neige légèrement cohésive (la plaque) se dépose au dessus d’une neige plus légère (la couche fragile). La différence de résistance mécanique entre une plaque friable et une couche fragile non persistante est très peu marquée ; elle ne peut donc pas être détectée par des tests d’enfoncement simples (test du bâton ou sonde de battage). Les plaques dures sont constituées de grains fins présentant une cohésion élevée. La plaque part alors en blocs qui se désagrègent difficilement.

Figure 5 : Types de couches fragiles (a) et de plaques (b) et types de neige associés. Échelle : la largeur typique des photographies de grains est de 10 mm. Crédit photo : Météo-France/CEN.

La facilité à initier et propager une rupture dans la couche fragile dépend des propriétés mécaniques de la couche fragile, du poids de la plaque mais aussi de ses propriétés mécaniques. Ce dernier point, détaillé ci-après, n’a fait l’objet d’attention de la part des scientifiques que depuis quelques années.

Le poids d’un skieur crée une surcharge ponctuelle en surface du manteau neigeux qui va se propager jusqu’au sol en s’étalant et en diminuant d’intensité. Cette surcharge pourra éventuellement initier une rupture dans la couche fragile. La figure 6a montre comment la contrainte de cisaillement additionnelle induite par cette surcharge se propage en profondeur dans le manteau neigeux. Cette contrainte diminue avec la profondeur et la distance latérale au skieur. En faisant une hypothèse de stratification homogène, on peut appliquer les relations mathématiques de Boussinesq et montrer que la variation de la contrainte maximale de cisaillement est inversement proportionnelle à la profondeur (par ex. Modèle MEPRA, CEN). En conséquence, plus la plaque sera épaisse, plus il sera difficile d’initier une rupture. Il y a néanmoins des déviations à cette relation dans le cas de vrais manteaux neigeux, dont la dureté des couches varie verticalement. La modélisation numérique permet d’étudier ce phénomène sur différentes stratigraphies modèles (Habermann et al., 2008; Hagenmuller et al., 2016). Il a ainsi notamment été montré que la présence de couches dures dans la plaque va réduire la contrainte induite (au max. d’environ -50% par rapport à un manteau homogène) par le skieur, tandis que la présence de couches dures immédiatement en dessous de la couche fragile va l’augmenter (au max. de + 50%) (Fig. 6b et 6c). Cette modélisation ne prend toutefois pas en compte l’enfoncement du skieur dans les couches tendres de surface, qui, s’il est pris en compte, renforce l’effet stabilisateur des couches dures en surface.

Figure 6 : Distribution de la contrainte de cisaillement due à une surcharge ponctuelle appliquée en surface (flèche blanche) pour différentes stratigraphies modèles : a) manteau homogène, b) manteau avec une croûte en surface, c) manteau avec une croûte juste en dessous de la couche fragile. L’étoile indique la position du maximum de contrainte absolue dans la couche fragile. Une croûte en surface, en distribuant la contrainte sur une zone plus étendue, diminue la contrainte maximale supportée par la couche fragile. Une croûte située en dessous de la couche fragile a un effet opposé.

La longueur critique de fissure dans la couche fragile représente sa facilité de propagation. Une longueur faible correspond à une propagation facile, une longueur élevée à une propagation difficile, voire impossible. Cette longueur croit avec la rigidité de la plaque et la cohésion de la couche fragile. Elle décroit quand la contrainte liée au poids des couches supérieures augmente (Gaume et al., 2016 ; Schweizer et al., 2016). Il est assez intuitif de comprendre que la propagation est plus aisée quand la couche fragile est peu résistante et que la plaque appuie fort dessus. Pour la rigidité, c’est plus compliqué. Il faut imaginer qu’une plaque plus rigide va répartir la force non supportée par la couche fragile sur une plus grande surface de couche fragile intacte, qui sera par conséquence moins sollicitée. Il faut néanmoins rappeler que la rupture en traction de la plaque stoppe la rupture dans la couche fragile et qu’une couche de faible rigidité est généralement peu résistante à la traction. Ainsi, le début de propagation dans une plaque friable sera plus aisé que dans une plaque dure mais pourra s’arrêter rapidement du fait d’une rupture en traction plus précoce.

Références

- Gaume, J., A. van Herwijnen, G. Chambon, N. Wever, and J. Schweizer, 2016: Critical length for the onset of crack propagation in snow: reconciling shear and collapse. International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 457–465.

- Habermann, M., J. Schweizer, and J. B. Jamieson, 2008: Influence of snowpack layering on human-triggered snow slab avalanche release. Cold Regions Science and Technology, 54, 176–182.

- Hagenmuller, P., T. Pilloix, and Y. Lejeune, 2016: Inter-comparison of snow penetrometers (ramsonde, Avatech SP2 and SnowMicroPen) in the framework of avalanche forecasting. International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 32–38.

- Heierli, J., P. Gumbsch, and M. Zaiser, 2008: Anticrack Nucleation as Triggering Mechanism for Snow Slab Avalanches. Science, 321, 240–243.

- Johnson, B. C., J. B. Jamieson, and R. R. Stewart, 2004: Seismic measurement of fracture speed in a weak snowpack layer. Cold Regions Science and Technology, 40, 41–45.

- Schaerer, P., and D. McClung, 2006: The Avalanche Handbook. 2006 The Mountaineers Books, Ed. 342 pp.

- Narita, H., 1983: An experimental study on tensile fracture of snow. Contributions from the Institute of low temperature science, 32, 1–37.

- Reiweger, I., J. Gaume, and J. Schweizer, 2015: A new mixed-mode failure criterion for weak snowpack layers. Geophysical Research Letters, 42, 1427–1432.

- Reuter, B., A. van Herwijnen, and J. Schweizer, 2016: Observer independent measures of snow instability. International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 397–404.

- Schweizer, J., B. Reuter, A. van Herwijnen, and J. Gaume, 2016: Avalanche Release 101. International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 1–11.

- Van Herwijnen, A., E. H. Bair, K. W. Birkeland, B. Reuter, R. Simenhois, J. B. Jamieson, and J. Schweizer, 2016: Measuring the mechanical properties of snow relevant for dry-snow slab avalanche release using particle tracking velocimetry. International Snow Science Workshop, Breckenridge, Colorado, USA, 397–404.