Introduction
Un homme se fraie un passage à travers le sous-bois de la jungle, machette à la main. Un pas atterrit sur ce qui ressemble à de la boue ordinaire. Sa botte disparaît. Puis son genou. Il s’agrippe à une liane, la liane cède, et la caméra s’attarde sur un chapeau qui se pose sur une surface brune et lisse, comme si la terre avait avalé un être humain tout entier et s’était refermée sur le trou. Cette scène, sous une forme ou une autre, s’est jouée dans des centaines de films. Le cliché a atteint son sommet dans les années 1960 : le journaliste Daniel Engber, écrivant dans Slate, a calculé que « près de 3 % des films de l’époque, soit un sur 35, montraient quelqu’un en train de s’enfoncer dans la boue, le sable ou l’argile suintante », un chiffre que cite aussi le programme EarthDate de l’Université du Texas, en l’arrondissant à 3 %, soit un sur 33.
La physique est moins coopérative. Vous pouvez rester coincé dans des sables mouvants. Vous pouvez y être piégé assez longtemps pour qu’une marée ou l’épuisement vous tue. Mais l’engloutissement vertical et lent, le moment où la surface se referme au-dessus de votre tête, n’a pas lieu, et la raison en est mesurable.
L’énoncé le plus clair vient d’un article de 2005 paru dans Nature, signé Asmae Khaldoun, Erika Eiser, Gerard Wegdam et Daniel Bonn, de l’Université d’Amsterdam, et intitulé « Liquefaction of quicksand under stress ». Leur compte rendu d’une page énonce la conclusion sans détour : « un simple test d’enfoncement démontre qu’il est impossible qu’un être humain soit entièrement aspiré par des sables mouvants ».
Que sont les sables mouvants ?
Les sables mouvants sont du sable ou du silt ordinaire qui a perdu sa capacité à supporter une charge, parce que l’eau a rempli, et mis sous pression, les espaces entre ses grains.
Le sable sec porte une personne parce que chaque grain s’appuie contre ses voisins. Les points de contact forment des chaînes de force qui transmettent la charge jusque dans le sol. Versez de l’eau jusqu’à saturer complètement les grains, et la situation peut rester stable : le sable mouillé d’une plage près de la ligne d’eau est assez ferme pour qu’on puisse y rouler en voiture. Le danger apparaît lorsque l’eau entre les grains se retrouve sous pression par en dessous, sous l’effet d’une source qui jaillit, d’une marée montante, d’une source artésienne ou de secousses sismiques. Quand cette pression interstitielle monte assez pour écarter légèrement les grains, le frottement qui les maintenait ensemble tombe vers zéro. L’empilement que les ingénieurs décrivent parfois comme un « château de cartes » s’effondre, et le mélange qui ressemblait à un sol solide se met à se comporter comme un fluide dense.
Britannica définit les sables mouvants comme un sable meuble saturé qui perd sa résistance et devient fluide dès que l’eau piégée ne peut plus s’évacuer, ce qui donne au sédiment liquéfié une consistance molle et spongieuse. Il faut que l’eau ne puisse pas s’évacuer. Tant que l’eau interstitielle reste piégée et sous pression, les grains flottent à distance les uns des autres et le sol cède.
C’est pourquoi les déserts sont, pour la plupart, le mauvais endroit où chercher, quoi que suggèrent les dessins animés. Les sables mouvants ont besoin d’eau. On en trouve là où l’eau remonte à travers le sable : berges de rivières, marais, abords de sources, cônes alluviaux et, surtout, estrans, où une mer qui se retire laisse derrière elle un sable saturé par en dessous. Les estrans et les sédiments intertidaux sont le cadre classique partout dans le monde, de la baie de Morecambe, en Angleterre, à la baie du Mont-Saint-Michel, en France.
La rhéologie : pourquoi une toute petite poussée change tout
Les sables mouvants appartiennent à une famille de matériaux appelés fluides non newtoniens, dont l’épaisseur apparente, la viscosité, dépend de la force avec laquelle vous les sollicitez. L’eau est newtonienne : remuez-la doucement ou violemment, sa viscosité est la même. Les sables mouvants se comportent à l’inverse du mélange, plus familier, de fécule de maïs et d’eau vendu comme jouet scientifique. Ce mélange, l’oobleck, est rhéoépaississant : frappez-le et il durcit. Les sables mouvants sont rhéofluidifiants : poussez-les et ils deviennent liquides. Le comportement non newtonien est ce qui donne à ces deux substances l’air d’enfreindre les règles des solides et des liquides.
Le groupe d’Amsterdam a mesuré avec précision l’ampleur de cette rhéofluidification. En travaillant sur des sables mouvants naturels dans un rhéomètre de laboratoire, ses chercheurs ont constaté que le matériau était extraordinairement sensible à de petites variations de la contrainte appliquée. Dans leur article complémentaire de 2006, « Quicksand ! », paru dans Europhysics News, ils ont rapporté que les mesures de viscosité montraient un écart d’un facteur proche d’un million entre des sables mouvants laissés au repos dans leur état « solide » et des sables mouvants perturbés au-delà de leur point de bascule.
Science, dans son compte rendu journalistique de l’article de 2005, a chiffré le déclencheur : « Une variation de 1 % seulement de la contrainte a fait chuter la viscosité du mélange d’un facteur proche du million, un changement qui a essentiellement transformé les sables mouvants de terre ferme en un liquide visqueux. » En termes simples, ont écrit les auteurs d’Europhysics News, c’est « la différence entre s’enfoncer de quelques millimètres par heure et s’enfoncer d’un mètre par seconde ».
La liquéfaction n’est que la première moitié du mécanisme. Une fois la structure effondrée, le mélange se sépare en deux phases : une couche riche en eau et un sédiment dense, riche en sable. Ce sédiment se compacte autour de tout ce qui y est piégé. Comme la viscosité apparente remonte en raison de la forte fraction de sable, l’objet piégé se retrouve désormais serré dans une boue tassée et lourde. Le matériau qui venait de céder s’est retassé en quelque chose de bien plus difficile à traverser.
L’argile, le sel et un lac salé d’Iran
Qu’est-ce qui transforme une plaque de sable mouillé en véritable piège plutôt qu’en simple zone molle passagère ? Les échantillons de terrain de l’équipe d’Amsterdam désignent l’argile et le sel.
Daniel Bonn a prélevé les sables mouvants naturels qu’il a étudiés dans un lac salé près de Qom, en Iran, un site à la sinistre réputation locale. Comme le raconte l’article d’Europhysics News, « les bergers de la région affirment que des chameaux entiers ont été engloutis par les sables mouvants ». L’analyse en laboratoire des échantillons a montré qu’en plus du sable et de l’eau, le matériau contenait des quantités considérables d’argile, de l’ordre de 5 à 10 %, ainsi que du sel.
C’est l’argile qui fait tenir le château de cartes, puis s’écrouler si brutalement. De fines particules d’argile forment un gel fragile qui jette un pont lâche entre les grains de sable et maintient ensemble l’empilement meuble tant qu’il n’est pas perturbé. Le groupe d’Amsterdam l’a décrit comme une structure colloïdale délicate dont la viscosité augmente lentement avec le temps passé au repos. Perturbez-la, et le gel d’argile se liquéfie, Bonn a comparé l’effet à celui d’un yaourt qui devient liquide quand on le remue, et la structure de soutien cède. Le sel joue un rôle d’appoint, en aidant l’argile à s’agréger et en favorisant le sédiment dense qui se forme après l’effondrement. Lorsque les chercheurs ont fabriqué des « sables mouvants de laboratoire » synthétiques pour reproduire le comportement d’écoulement du matériau naturel, la recette était de la bentonite (une argile gonflante) mélangée à du sable et à de l’eau salée.
Tout le monde ne s’accorde pas à dire que le sel est essentiel. Science a cité l’ingénieur civil T. Leslie Youd, de l’Université Brigham Young, qui a dit être lui-même entré dans des sables mouvants d’eau douce, contestant l’idée que le sel soit un ingrédient indispensable. La réponse de Bonn a été que des sables mouvants sans sel ne forment pas le même sédiment piégeant et sont donc probablement moins dangereux. Le désaccord compte : le mécanisme d’Amsterdam est propre aux sables mouvants d’argile et de sel échantillonnés en Iran, et des conditions de « sable boulant » en eau douce, au sens de la mécanique des sols, peuvent apparaître plus généralement partout où la pression interstitielle annule la contrainte entre les grains.
Peut-on se noyer dans des sables mouvants ?
Le mythe échoue sur une comparaison de densités. Le corps humain a une densité moyenne très proche de celle de l’eau, environ 1 gramme par centimètre cube. Les sables mouvants sont un mélange d’eau et de grains minéraux, ils sont donc nettement plus denses. Pour tester ce que cela signifie pour un corps, les chercheurs d’Amsterdam ont mené une expérience d’enfoncement. Ils ont déposé sur leurs sables mouvants des billes d’une densité de 1 gramme par millilitre, égale à la densité moyenne des tissus humains, puis ont perturbé le système. Les billes se sont enfoncées en partie, puis se sont arrêtées. Comme l’énonce le résumé de l’article de Nature, « il est impossible de faire couler des billes d’une densité de 1 g par ml. Les animaux et les êtres humains, dont la densité moyenne est similaire, ne seront donc pas entièrement aspirés par les sables mouvants. Ils ne devraient s’enfoncer qu’à moitié. »
C’est le principe d’Archimède qui fait son travail ordinaire. Un objet s’enfonce jusqu’à ce que le poids du mélange de sable et d’eau déplacé égale son propre poids. Comme le mélange pèse plus que le corps à volume égal, l’équilibre est atteint vers la hauteur de la taille. Bonn a déclaré à National Geographic qu’une personne piégée s’enfoncerait « un peu plus bas que votre taille », ajoutant : « Je dirais qu’il y aurait une certaine pression sur la poitrine, mais pas assez pour causer de sérieux problèmes. »
Un chiffre très répété situe la densité des sables mouvants à environ 2 grammes par centimètre cube, soit le double de celle du corps. Ce chiffre rond est repris dans des références secondaires comme Wikipédia plutôt que présenté comme une mesure précise dans les articles primaires ; considérez-le donc comme une illustration du principe, non comme une valeur mesurée. NBC News, rendant compte de l’étude de 2005, a donné le contraste dans d’autres unités : un corps humain moyen à environ 62 livres par pied cube contre environ 125 pour les sables mouvants, soit le même rapport de presque 2 pour 1. Le principe lui-même est solide : le corps flotte dans les sables mouvants, et un objet flottant ne peut pas être entièrement entraîné sous la surface par le fluide dans lequel il flotte.
L’image du cinéma prend donc la physique à rebours. Vous ne vous enfoncez pas jusqu’à disparaître. Vous vous arrêtez à peu près à hauteur de taille, à demi immergé, et vous ne pouvez plus vous en sortir.
Pourquoi s’en sortir est si difficile : la force d’une voiture
Se dégager est difficile, et le groupe d’Amsterdam a quantifié pourquoi. Une fois le sable tassé autour d’un membre pris au piège, le libérer revient à le traîner à travers un matériau dense et compacté, alors que l’eau peine à affluer derrière lui pour combler le vide. La pression du mélange environnant joue contre vous.
Sortir un pied à raison d’un centimètre par seconde demanderait à peu près la force nécessaire pour soulever une voiture de taille moyenne. National Geographic, Science et Britannica reprennent tous cette comparaison avec le soulèvement d’une voiture et l’attribuent au groupe de Bonn.
La valeur exacte de la force, en newtons, est rapportée de façon incohérente selon les sources secondaires. The Naked Scientists, relatant les mesures de Bonn, écrivent que « la force nécessaire pour extraire un pied pris au piège (dix mille newtons) équivaut à celle qu’il faut pour soulever la voiture familiale moyenne ». Une dépêche de l’Agence France-Presse reprise par Phys.org affirme à l’inverse que « rien que pour sortir un pied, il faut une force de 100 000 newtons, à peu près la même que celle nécessaire pour soulever une voiture de taille moyenne ». Les deux sont présentés comme « équivalents au soulèvement d’une voiture », ce qui montre que la comparaison pèse plus lourd que le chiffre précis ; 10 000 newtons correspondent au soulèvement d’une voiture d’environ une tonne, tandis que 100 000 newtons se rapprochent plutôt d’un petit camion. La conclusion pratique tient dans les deux cas : une personne ne peut pas produire cette force avec une seule jambe, ce qui explique pourquoi se débattre échoue, et pourquoi les films avaient au moins raison sur un point : lutter aggrave les choses.
Les sables mouvants secs existent-ils ?
Pendant la majeure partie de l’histoire, les récits de voyageurs évoquant des caravanes disparaissant dans le sable sec du désert ont été écartés comme du folklore. En 2004, un autre groupe a montré que l’effet peut être réel, du moins en laboratoire.
Detlef Lohse, Remco Rauhé, Raymond Bergmann et Devaraj van der Meer, de l’Université de Twente, ont publié « Creating a dry variety of quicksand » dans Nature. Ils ont pris un sable très fin, d’un diamètre de grain typique d’environ 40 micromètres, et soufflé de l’air à travers lui depuis une base perforée pour desserrer sa structure interne. Puis ils ont coupé l’air et laissé le lit se tasser. Le résultat a été un sable dont la compacité n’était que d’environ 41 %, bien plus lâche que les 55 à 60 % d’un sable non traité. Ses chaînes de force affaiblies, ce sable ne pouvait plus supporter de charge.
Les chercheurs ont lâché une bille lestée (rayon 2 cm, masse 133 g) sur la surface, depuis juste au-dessus. La bille s’est enfoncée jusqu’à une profondeur d’environ cinq diamètres, disparaissant dans un sable qui, quelques instants plus tôt, avait paru parfaitement ordinaire. Puis s’est produit quelque chose que la variété humide ne produit jamais. Lorsque le vide laissé par la bille s’est effondré, un jet de sable a jailli. L’article technique complémentaire, publié la même année dans Physical Review Letters sous le titre « Impact on soft sand : void collapse and jet formation », a analysé le mécanisme. Dans la note publiée dans Nature, l’équipe a rapporté qu’au-delà d’une masse seuil, « un jet se forme et projette violemment du sable dans l’air », environ 100 à 130 millisecondes après l’impact, suivi d’une éruption granulaire lorsqu’une bulle d’air piégée s’est frayé un chemin jusqu’à la surface. La profondeur finale de la bille variait linéairement avec sa masse, et au-delà d’une masse seuil, le jet apparaissait.
Deux mises en garde. D’abord, il s’agissait d’un lit aéré et contrôlé ; la fréquence à laquelle la nature produit et conserve un tel sable sec très lâche n’est pas bien établie, et les auteurs comme les commentateurs ultérieurs ont pris soin de ne pas affirmer que des caravanes du désert disparaissent couramment de cette façon. Ensuite, les sables mouvants secs piègent par une voie différente de celle des sables mouvants humides, il n’y a pas d’eau porteuse pour soutenir le corps, de sorte qu’un matériau granulaire sec et meuble peut en principe engloutir un objet plus complètement, comme le grain meuble dans un silo peut ensevelir une personne. Hormis le nom, les deux n’ont pas grand-chose en commun.
Le lien avec les séismes : quand des quartiers entiers se liquéfient
La même physique qui agrippe la botte d’un randonneur opère à l’échelle des villes lors des séismes, où elle s’appelle liquéfaction des sols, l’un des effets secondaires les plus destructeurs d’un grand séisme.
L’U.S. Geological Survey (USGS) décrit directement le processus : la liquéfaction se produit dans les sols saturés où l’eau remplit l’espace entre les particules. Avant un séisme, les grains portent la charge par leurs contacts. Les secousses perturbent cette charpente, si bien que les particules ne soutiennent plus le poids, la pression de l’eau souterraine augmente, les grains se retrouvent en suspension dans l’eau, et le sol s’écoule. Comme le dit l’USGS, un sol qui se comporte comme un liquide « peut perdre sa capacité à supporter des structures » et peut « jaillir à la surface du sol pour former des sables bouillonnants (“volcans de sable”) ».
Un « sable bouillonnant » d’environ 2 m (6,6 pieds) de large, apparu sur le terre-plein central de l’Interstate 80 près de la gare de péage du Bay Bridge pendant le séisme de Loma Prieta de 1989, lorsque les secousses ont liquéfié du sable enfoui et chassé une boue de sable et d’eau vers la surface. Le sable expulsé contenait des fragments de coquilles marines provenant du dépôt situé en dessous. Photo : J.C. Tinsley, U.S. Geological Survey, domaine public.
Les sables bouillonnants sont la signature de surface de la même séparation en deux phases que l’on observe en laboratoire. L’effondrement de la structure granulaire chasse l’eau sous pression et le sable vers le haut à travers des fissures, et évacue une boue en surface : la même expulsion d’une phase riche en eau qui suit l’effondrement de l’empilement des grains dans les expériences d’Amsterdam.
Le cas qui a appris aux ingénieurs à prendre la liquéfaction au sérieux fut le séisme de Niigata du 16 juin 1964, un événement de magnitude d’environ 7,5 (les estimations vont de Ms 7,4 à Mw 7,6), centré dans la mer du Japon, au large de la côte nord-ouest de Honshu ; il a tué environ 26 à 36 personnes et détruit environ 3 500 maisons. Une grande partie de la ville repose sur du sable meuble saturé d’eau, déposé par les fleuves Shinano et Agano. Quand les secousses ont frappé, ce sol s’est liquéfié. Au complexe de Kawagishi-cho, huit immeubles d’habitation en béton armé de quatre étages, bâtis sur des terrains conquis sur l’eau, les blocs ont pivoté et basculé tandis que le sol sous leurs fondations superficielles perdait sa résistance. Ils avaient été conçus pour résister aux secousses, et, sur le plan structurel, ils y ont résisté. Certains se sont penchés jusqu’à 80 degrés par rapport à la verticale et l’un s’est renversé presque complètement, mais les structures elles-mêmes sont restées en grande partie intactes. Comme le note l’Utah Geological Survey, « la liquéfaction a fait basculer ces immeubles lors du séisme de Niigata, au Japon, de magnitude 7,4, en 1964 ». Un affaissement allant jusqu’à 140 centimètres a été mesuré dans les parties touchées de la ville.
La liquéfaction lors du même séisme a détruit d’autres infrastructures : le pont Showa sur le fleuve Shinano s’est effondré lorsque l’étalement latéral du sol liquéfié a déplacé les pieux qui soutenaient ses piles. La liquéfaction est donc un comportement normal et bien compris des sols, pas un piège exotique. Une plaque de sables mouvants sur un estran et un pâté de maisons liquéfié lors d’un séisme relèvent de la même physique, à des échelles différentes.
Comment sortir des sables mouvants ?
Les conseils d’évasion qui découlent de la physique sont dénués de panache et efficaces, et ils sont presque l’inverse de l’agitation paniquée que montrent les films.
Arrêtez de lutter
Les mouvements rapides et vigoureux sont exactement ce qui liquéfie le sable autour de vous et vous laisse vous enfoncer davantage. Les résultats d’Amsterdam expliquent pourquoi : la contrainte fait chuter la viscosité, si bien que chaque coup de pied violent transforme en liquide une plus grande part du matériau qui vous entoure.
Larguez du poids
Un sac à dos lourd s’ajoute à la charge que votre flottabilité doit équilibrer et fait descendre votre profondeur d’équilibre. S’en débarrasser fait remonter le niveau auquel vous flottez.
Penchez-vous en arrière et répartissez votre poids
Comme le corps flotte dans les sables mouvants, répartir votre poids sur une plus grande surface, en vous inclinant vers l’horizontale, comme vous le feriez dans une piscine, permet à une plus grande partie de votre corps de reposer à la surface ou près d’elle.
Faites revenir l’eau, lentement
Si une jambe prise au piège est si difficile à dégager, c’est parce que le sédiment tassé résiste et que l’eau ne peut pas affluer assez vite derrière elle. De petits mouvements lents, de douces rotations ou ondulations du membre piégé, réintroduisent de l’eau dans le sable dense qui l’entoure, abaissant sa densité locale et relâchant son emprise jusqu’à ce que la jambe se dégage. C’est lent, et cela travaille avec le matériau plutôt que contre lui.
Les vrais dangers ne sont pas la succion, mais ce qui arrive à une personne coincée qui ne peut pas se dégager rapidement : une marée montante sur un estran côtier, l’exposition au soleil et la déshydratation, l’hypothermie en eau froide, ou simplement l’épuisement. Britannica note que le véritable danger est qu’une personne piégée soit surprise par la marée montante, et ajoute que même ces accidents sont très rares. Les sables mouvants se trouvent souvent précisément dans des zones de marée, ce qui explique que le danger soit réel même si la noyade par engloutissement ne l’est pas. D’autres aléas naturels des terrains saturés et instables, des dolines aux glissements de terrain, sont bien plus meurtriers que les sables mouvants du cinéma.
Mythe contre réalité
Débarrassez-vous du cinéma, et le tableau est simple. Les sables mouvants existent bel et bien. Ce sont du sable ou du silt saturé, à l’empilement lâche, maintenu par une structure d’argile fragile et par de l’eau sous pression, et qui se liquéfie quand on le perturbe. Ils peuvent piéger une personne assez fermement pour qu’il soit difficile de se sauver seul et qu’une aide extérieure puisse être nécessaire. Dans un contexte d’argile et de sel, ils agrippent avec une force qui, membre pour membre, dépasse ce qu’un être humain peut opposer en tirant.
Ce qu’ils ne peuvent pas faire, c’est vous tirer vers le fond et se refermer sur votre tête. Votre corps est plus léger, à volume égal, que le mélange de sable et d’eau, si bien que vous flottez à peu près à hauteur de taille. L’article de 2005 paru dans Nature a tranché la question centrale par un test de laboratoire plutôt que par une anecdote : un objet de la densité d’un corps s’enfonce à moitié et s’arrête. Vous ne vous noierez pas dans des sables mouvants comme l’explorateur du film. Vous resterez coincé, et la sortie consiste à vous allonger en arrière et à laisser l’eau se frayer un chemin de retour dans le sable. Si vous voulez en savoir plus sur le comportement étrange des sols granulaires, nos articles pédagogiques sur les dunes de sable rugissantes et chantantes montrent comment les mêmes grains meubles peuvent chanter autant qu’engloutir.
