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-- Le déclenchement des avalanches de plaque : une combinaison de quatre mécanismes en série
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par François LOUCHET, Laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l'Environnement et Alain DUCLOS, ALÉA Sarl
Article paru dans la revue de l'ANENA "Neige et Avalanches" N° 113 - mars 2006
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Comment se fait-il que le passage d'un skieur sur une zone déjà skiée quelques instants auparavant, et qui paraissait donc stable, puisse déclencher une avalanche de grande ampleur ?
Pourquoi certaines avalanches sont-elles déclenchées par des skieurs depuis un terrain plat ?
Pourquoi certains déclenchements semblent-ils être favorisés par de fortes épaisseurs de neige, et d'autres pas ?
Comment enfin imaginer que le seul poids d'un skieur puisse suffire à déclencher le départ d'une masse de neige plusieurs milliers de fois plus importante ?

Un éclairage nouveau est apporté sur ce problème, en considérant que l’action du skieur se limite à une amorce de rupture dans la couche fragile, qui peut ensuite se propager spontanément sous le seul effet du poids de la neige. Ces explications sont en excellent accord avec ce que nous observons sur le terrain : elles permettent de comprendre pourquoi certaines avalanches partent de façon jusque là inattendue, mais aussi (c'est la majorité des cas), pourquoi rien ne bouge alors que les conditions nécessaires au départ d'avalanches semblent réunies. Le présent article a pour objectif d'exposer les principes majeurs de cette approche. Les précautions qui pourraient en découler sont discutées.
-- Quelques concepts de base
  On peut distinguer deux types d'avalanches : les avalanches spontanées d'un côté, et les artificielles et accidentelles de l'autre. Nous ne nous intéresserons ici qu'aux secondes, sur la base maintenant classique d'une plaque posée sur une couche fragile.
C'est la cohésion de la couche fragile qui retient la plaque dans la pente (résistant ainsi à la force motrice due au poids de la plaque) et la cohésion de la plaque elle-même qui l'empêche de se rompre (ce n'est pas le cas pour de l'eau, qui n'a aucune cohésion, et qui s'écoulerait immédiatement dans la pente).
La surcharge d'un skieur (80 kg environ) est extrêmement faible en comparaison du poids de la neige impliquée dans le seul processus de déclenchement (plusieurs milliers de tonnes). Si la déstabilisation se produit, elle ne peut être due à la surcharge, mais plutôt à la diminution de la cohésion de la couche fragile lors du passage du skieur. L'effet de cette perturbation locale cumulée le long du parcours du skieur peut avoir des conséquences à grande échelle. C'est ce que nous allons voir en détail maintenant.

Le système peut être schématisé comme sur la figure 1. La plaque est représentée par une série d’éléments reliés par des ressorts, qui peuvent s'allonger ou se comprimer en fonction des efforts auxquels ils sont soumis, ou se rompre si ces efforts excèdent une valeur seuil. D'une façon similaire, la plaque est reliée à la neige plus ancienne par une couche fragile, schématisée par un genre de château de cartes qui peut s'effondrer si l'effort auquel il est soumis est trop élevé. Nous considérons que le château de cartes parvient à retenir la plaque s'il est indemne, et qu'il ne la retient plus s'il s'effondre.
Les quatre étapes intervenant dans la chronologie du déclenchement, basées sur les propriétés que nous venons de discuter, sont détaillées ci-après.
-- Une combinaison de quatre étapes en série
 

Si l’on se base sur les concepts précédents, le mécanisme de déclenchement met en œuvre les quatre étapes suivantes:

1 effondrement local du château de cartes provoquant une amorce de rupture de la couche fragile.
2 extension de cette rupture dans la couche fragile.
3 amorce de la fissure sommitale dans la plaque.
4 extension de la fissure sommitale, qui conduit au déclenchement (figure 2).

Ces mécanismes, tous nécessaires, opèrent l'un après l'autre, ce qui signifie que si pour une raison quelconque l'un d'entre eux ne se produit pas, l'avalanche ne se déclenche pas. Ces quatre étapes sont maintenant analysées en détail.
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Figure 1. Une plaque sur une couche fragile peut être schématisée comme une série d’éléments reliés entre eux par des ressorts, reposant sur un château de cartes ; (1) l’action du skieur peut effondrer localement le château de cartes ; (2) l’effondrement peut se propager sous l’effet du poids de la neige ; (3 et 4) lorsque l’extension de l’endommagement de la couche fragile est suffisamment vaste, le poids de la partie suspendue de la plaque peut provoquer l’amorce puis la propagation de la fissure sommitale, suivies généralement du déclenchement de la plaque.
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Figure 2. Les quatre étapes nécessaires au déclenchement d’une plaque.
 

1 Amorce de la rupture de la couche fragile

Sur une pente, la couche fragile est soumise à la fois à la composante de cisaillement (parallèle à la pente) et de compression (perpendiculaire à la pente) du poids de la neige qu'elle supporte. Ces deux composantes augmentent avec l'épaisseur de neige et sa densité.
Le cisaillement est favorisé au détriment de la compression à mesure que la pente s'accentue. La couche fragile est endommagée lorsque la charge locale qu'elle supporte (combinant cisaillement et compression) excède sa résistance mécanique.
Le poids d'un skieur ou d'une motoneige n'augmente pas de façon significative la charge totale exercée par la couche de neige, mais cette charge supplémentaire est répartie sur une très petite surface (par exemple les semelles des skis), ce qui se traduit par une pression importante qui peut endommager localement la couche fragile.
Cet effet local du skieur est aggravé en conditions dynamiques (rebond dans un virage serré, ou réception après un saut). Un effet similaire est obtenu avec une explosion. L'endommagement qui en résulte réduit la résistance que la couche fragile oppose au glissement de la plaque. Le déplacement du skieur agrandit progressivement cette zone de rupture.
Le château de cartes peut aussi s'effondrer localement sur terrain plat au passage du skieur, ce qui conduit aussi à l'amorce d'une rupture de la couche fragile.

2 Extension de la rupture de la couche fragile

Le mécanisme d'extension de cette rupture peut être de deux types différents :
> Mode A : à cause de l'action locale du skieur, elle s'étend au fur et à mesure que ce dernier progresse (figures 3a et 3b).
> Mode B : la rupture amorcée par le skieur s'étend spontanément, sous l'action du seul poids de la neige, bien au-delà de la zone parcourue par ce dernier (figure 3c). Dans ce cas en effet, l'extension de la rupture provient de l'énergie récupérée lors de l'effondrement. Le poids du skieur n'a plus aucun effet à ce stade, la masse de neige à l'origine de cette extension étant infiniment plus importante.

La condition d'apparition du mode B (propagation spontanée) obéit en effet à une loi de mécanique de la rupture, le critère de Griffith (1920) :
pour une charge donnée, la zone de rupture s'étend spontanément à grande vitesse (plusieurs dizaines de m/s) si sa taille excède une taille critique, qui dépend de la résistance du milieu. Plus la charge augmente, plus la taille critique diminue.

Sur terrain plat, les arguments précédents sont toujours valables et la zone de rupture peut se propager si le poids de la neige est suffisant. Cependant, cette zone de rupture ne pourra déclencher une avalanche que si elle s'étend jusqu'à une pente voisine d’inclinaison suffisante, et s'y développe (figure 5). Les caractéristiques de l'avalanche déclenchée dépendent étroitement du mode de propagation de la zone de rupture (A ou B). Ce point très important sera discuté plus loin.

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Figure 3. (a) la couche fragile peu recouverte de neige ne s’effondre que dans la trace des skis ; (b) la rigidité de la plaque, qui ploie sous les skis, permet un effondrement plus large que la trace des skis ; (c) a partir d’une taille critique, la rupture de la couche fragile se propage rapidement sous le seul effet du poids de la neige.
   
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  Figure 4. Schéma montrant l’effondrement de la couche fragile et sa propagation. Le poids de la plaque provoque l’extension progressive de la rupture dans la couche fragile (d’après Johnson et al., 2000).
   
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  Figure 5. Une zone de rupture sur sol plat peut déclencher une avalanche si elle s'étend jusqu'à une pente voisine et s'y propage.
   
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3 Amorce de la fissure sommitale

À mesure que la rupture de la couche fragile s'étend sur la pente, le poids de la plaque qui la surmonte, qui était retenu par la résistance de la couche fragile, est transféré au niveau des bords de la plaque. Ces efforts augmentent évidemment avec le poids de la partie « suspendue » de la plaque, c'est-à-dire avec la taille de la zone de rupture, jusqu'à atteindre le seuil de rupture de la plaque. C'est l'amorce de la fissure sommitale. Le lieu et l'instant d'amorce de la fissure sommitale dépendent en grande partie du mécanisme de propagation de la rupture de la couche fragile (voir ci-dessous figure 6)
   
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Figure 6 : (a) déclenchement en mode A : la zone de départ se limite approximativement à la zone endommagée par le skieur ;
(b) déclenchement en mode B : la zone de départ est vaste et la fissure sommitale ne s’ouvre que très loin du skieur, qui se trouve pris au milieu de la plaque.
   
 

4 Extension de la fissure sommitale et déclenchement de l'avalanche suite…
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