Généralités | sables-mouvants

Les sables mouvants ont toujours fasciné les hommes. Ils entretiennent un mystère qui a intrigué les poètes (par exemple, Jacques Prévert et son poème : les sables mouvants) et surtout les cinéastes : de nombreux films ont présenté des scènes spectaculaires d’enlisement dans les sables mouvants (Laurence d’Arabie, Indiana Jones, la chèvre…)

Les sables mouvants : mythe ou réalité ?

Les sables mouvants peuvent se trouver partout sur terre. Qu’importe le climat, pourvu que les conditions soient réunies, la magie des sables mouvants opère . C’est un phénomène naturel qui, jusqu’à l’étude récente (2005) d’un chercheur Hollandais Daniel Bonn était très peu compris. En effet, la physique moderne s’intéresse depuis aux matériaux granulaires, le comportement de ces matériaux relevant à la fois de la mécanique des solides et des fluides.

Le Mont Saint Michel est le seul site en France où les sables mouvants représentent un réel danger.

Nous allons nous demander en quoi les sables mouvants représentent un danger pour l’homme.

Trois types de sables mouvants

1) Les sables mouvants humides

Tout d'abord, le sol bouge tout seul et coulisse en surface puis dans un second temps l'eau remonte violemment et amène le sol à bouger de plus en plus.

Nous allons étudier dans un premier temps les sables mouvants dits "humides". Ils sont nommés ainsi de par la grande quantité d'eau dont ils regorgent et à l'absence d'argile.

Ils sont localisés sur les bords des cours d’eau ou des océans. Des infiltrations d’eau sous des bancs de sables créent une circulation d'eau qui fragilise sa structure granulaire. De même que dans les sables mouvants aérés, plus les grains sont fins plus il y a des risques d'enlisement.

Ce type de sable mouvant se rencontre assez rarement :

après une forte pluie : une augmentation de 1% de la concentration d’eau dans le banc de sable suffit à provoquer une liquéfaction des sols.
après un séisme : les vibrations du sol provoquent de brusques mouvements d’eau qui, en s’immisçant entre les grains de sable, rendent le sable de plus en plus fluide. Néanmoins, ce phénomène est très rare. Le dernier recensé a eu lieu en 1964, à Niigata, une ville côtière de la mer du Japon.

Il s'agit des sables mouvants les plus dangereux puisqu'ils peuvent engloutir n'importe quoi et rapidement, peu importe la taille, le poids ou la densité. Mais heureusement ce sont les plus rares.

Pour comprendre ce phénomène, il faut imaginer une maison construite sur du sable. A priori lorsque le sol est sec il n'y a aucune raison pour que la maison bouge au vu du poids de celle-ci qui comprime les grains de sables et les tasse. Le problème survient lorsqu'une quantité d'eau aussi infime soit-elle, circule sous ce sable. Il suffit d'une augmentation de 1% d'eau pour que la structure granulaire s'écroule et que ce phénomène soit observé.

Pour bien comprendre, nous allons étudier le cas de Niigata au Japon. Niigata est une ville portuaire à peine plus petite que Toulouse avec prés de 900 000 habitants. Elle est située dans une région à très forte activité sismique. Lors d'un tremblement de Terre en 1964, l'eau souterraine est remontée à la surface et s'est infiltrée dans les grains de sable. La structure s'est alors brisée et le sol s'est fluidifié. Le sol n'étant plus solide et presque liquide, les immeubles se sont effondrés. C'est ce qu'il s'est passé notamment en 2011 à Fukushima et que vous pouvez voir dans cette courte vidéo filmée par un témoin.

Un sable classique est un sable solide qui garde sa consistance.

Pour obtenir un vrai sable mouvant, il faut plus que de l’eau salée et du sable sinon, en se promenant sur une plage, on s’enliserait à chaque fois .

Les sables mouvants sont un mélange d’argile, d’eau salée et de sable fin. L’argile lie les grains de sable entre eux, de ce fait les molécules de silice et les molécules d’eau sont enfermées dans le mélange (sable et argile). Ce mélange va créer une matière molle ayant des propriétés entre le solide et le liquide, capable de changer de consistance et d’aspect très rapidement. L’argile, mélangé au sel donne un aspect boueux aux sables mouvants.

Un sable mouvant s’apparente à un château de cartes argileux contenant des grains de sable. S’il n’y a aucune action sur le sable mouvant, rien ne se passe.

Mais, si on marche sur ce sable, ce simple mouvement est traduit comme un apport d’énergie :l’argile va devenir liquide en se mélangeant à l’eau salée et le château de cartes s’écroule. En effet, les molécules de silice (composantes du sable) sont liées entre elles par des liaisons faibles (liaisons de Van Der Waals).

Tout apport d’un photon d’énergie va casser ces liaisons, les molécules d’eau sont relâchées et remontent à la surface.

Le sable mouvant est alors liquide.

Quelle est la différence entre un sable classique et un sable mouvant ?

2) Les sables mouvants secs

Ils sont surnommés ainsi puisqu'ils sont situés dans les régions arides où très peu d'eau circule.

Dans une scène du film "Lawrence d’Arabie", on observe un homme s’enfoncer très lentement dans le sable d’une dune mais nous allons voir que cette scène ne relève pas totalement de la réalité.

Tout d’abord, pour qu'un sable mouvant sec se forme, il faut que les grains de sable soient très fins. Ces grains de sable sont parfois disséminés par le vent lors des tempêtes de sable. On observe alors de nombreuses et petites cavités dans lesquelles l’air est omniprésent. Alors que cette zone parait solide, elle dissimule une multitude de petites cavités remplies d’air, fragilisant l'édifice.

En marchant sur cette dune, l'armature de l'édifice va céder sous son poids puisque "l'armature va s'écrouler". C’est pourquoi on s’enfonce dans ce type de sable mouvant ; la poussée d’Archimède ne peut alors pas nous sauver puisqu'aucune trace de liquide n'est présente dans la structure.

Mais lorsque ce genre d’accident arrive, on s’enfonce directement car la structure s'effondre instantanément et non lentement comme dans la scène du film "Laurence d'Arabie".

C’est une chute libre et une mort par étouffement.

Une mort que l'on peut comparer à celle engendrée par une avalanche.

3) Les sables mouvants classiques dits "thixotropes"

Les sables mouvants classiques ou thixotropes sont les plus répandus sur Terre et ce sont ceux que nous avons choisi d'étudier cette année.

Ceux-ci sont généralement constitués de 50% d'eau, de 40% de sable et de 10% d'argile.
Les molécules hydrophiles (ayant une affinité avec l'eau) d'argile se mélangent et se solidifient avec les dipôles d'eau.
Les forces électrostatiques donnent ensuite à ce mélange une structure spécifique, comme un château de cartes en fait. Le sel permet quant à lui de solidifier la structure, il agit comme une sorte de ciment.

1) Les fluides newtoniens et non-newtoniens

Un fluide newtonien est un fluide qui, à température constante, a une viscosité qui reste constante, peu importe la force qu'on lui soumet.

Par exemple le lait est un fluide newtonien : quand on tourne une cuillère dans un bol de céréales, la résistance au mouvement ne change pas si on augmente ou diminue la vitesse de rotation.

Un fluide non newtonien est un fluide dont la viscosité varie selon la contrainte appliquée. Une boue saturée d'eau diminue de viscosité si elle reçoit une secousse : c'est le cas des glissements de terrain déclenchés par les séismes. Les forces de liaison entre les particules sont altérées; ce phénomène explique la consistance des sables mouvants.

Thixotropie

2) Etat granulaire

Le sable a un état particulier. Ce n'est ni vraiment un solide ni un liquide.

Par exemple, lorsqu'on verse du sable dans des récipients de formes différentes, on s'aperçoit que le sable adopte la forme de son contenant. Nous pouvons donc dire qu'il se comporte comme un liquide. Pourtant, lorsqu'on observe la surface, du sable on remarque qu'elle n'est pas parallèle au sol. Le sable n'a donc pas sa surface libre horizontale, car ce n'est pas un liquide.

Le sable adopte la forme de son contenant, comme un liquide

Mais sa surface n'est pas parallèle au sol, comme un solide

On parle dans ce cas-là d'un état particulier de la matière, l'état granulaire.

Les matériaux en grains peuvent être considérés comme solide, quand stables, ils peuvent porter un corps plus dense qu'eux comme les boules de pétanque sur un terrain sablonneux mais ils peuvent aussi avoir la propriété d'état liquide lorsqu’ils sont soumis à d’autres forces que leur poids.
Ainsi on dit que le sable mouvant est un sol thixotropique.

L’argile : c’est un solide ionique formé de silicates, une famille de minéraux. Ses particules résultent de l’assemblage de silice tétraédrique SiO2 et d’hydroxyde d’aluminium octaédrique Al(OH)3

Dans les sables mouvants ,l’argile est très avide d’eau et agit avec celle-ci comme un ciment léger. Il a la particularité de floculer c’est-à-dire de s’agglomérer afin de former des particules plus grosses. Cette propriété va lui permettre d’être liquide à l’état dispersé, pâteux dans la boue et solide dans un sol

Le sable : c’est également un composant ionique dont le principal constituant est la silice SiO2

L’eau : les molécules d’eau ont une forte polarité électrique , ont une charge négative au centre et une charge positive à l’extrémité. Cela amène les molécules d’eau à se lier entre elles et à se lier à d’autres surfaces chargées grâce à des liaisons hydrogène. L’argile a une grande capacité à se lier aux molécules d’eau.

Le sel : c’est un solide ionique ; c’est un très bon liant entre les molécules d’eau et d’argile

Mais, de quoi est composé un sable mouvant ?

3) Mais alors, qu'est-ce que la thixotropie ?

Avant de parler de thixotropie, ajoutons juste une petite notion sur la viscosité.

La viscosité est l'état d'un fluide dont l'écoulement est freiné par les forces de frottement entre les molécules qui le composent. Mais c’est aussi l’état d'un corps dont la surface est gluante. Lorsque la viscosité d’un fluide augmente, sa capacité à s’écouler diminue. Il existe différentes viscosités: celle qui nous intéresse est la viscosité de cisaillement qui est la résistance à l'écoulement des différentes couches d'un fluide, les unes sur les autres.

Le mot « Thixotropie » provient du grec thixis qui désigne l'action de tourner, et tropos, qui désigne la direction.

C'est un phénomène par lequel certaines substances passent de l'état de gel à celui de liquide après une légère agitation .

La thixotropie est la capacité qu'ont certains solides à se fluidifier lorsqu'ils sont soumis à certaines forces puis à se resolidifier quand ils sont de nouveau au repos.

C'est ce phénomène qui se produit dans les sables mouvants. Au repos, le mélange sable-argile-eau est solide. Cependant, la structure formée par les grains d'argile est fragile. Il suffit d'une simple pression pour qu'elle s'effondre, ce qui rend alors le milieu fluide. De retour au repos, le mélange se restructure. C'est pour celà que beaucoup de personnes s'enfoncent dans les sables mouvants sans en prendre garde, car au niveau visuel, le sol semble solide.

D'autres mélanges ont cette propriété thixotropique, comme la gélatine ou le yaourt que l'on remue.

Dans notre TPE, la thixotropie des sables mouvants s'explique par les capacités des sols à se transformer en fluide dans lesquels les particules sont en suspension.