Une nouvelle étude publiée dans Communication Nature constate que des tas de grains de sable, même lorsqu'il n'est pas dérangé, sont en mouvement constant. En utilisant des données d'interférence optique hautement sensibles, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université Vanderbilt présentent des résultats qui remettent en question les théories existantes en géologie et en physique sur le comportement des sols et d'autres types de matériaux désordonnés.

La plupart des gens ne prennent conscience du mouvement du sol sur les pentes que lorsque le sol perd soudainement sa rigidité, un phénomène connu sous le nom de rendement. "Dites que vous avez de la terre à flanc de colline. Alors, s'il y a un tremblement de terre ou s'il pleut, cette matière apparemment solide devient liquide, " déclare le chercheur principal Douglas Jerolmack de Penn. " Le cadre en vigueur traite cet échec comme s'il s'agissait d'une rupture de fissure. La raison pour laquelle cela pose problème est que vous modélisez le matériau selon un critère mécanique solide, mais vous le modélisez au point où il devient liquide, il y a donc une contradiction inhérente."

Un tel modèle implique que, en dessous du rendement, le sol est solide et ne doit donc pas couler, mais le sol " s'écoule " lentement et de manière persistante en dessous de son point d'écoulement dans un processus connu sous le nom de fluage. L'explication géologique dominante du fluage du sol est qu'il est causé par des perturbations physiques ou biologiques, tels que les cycles de gel-dégel, arbres tombés, ou des animaux fouisseurs, qui agissent pour déplacer le sol.

Dans cette étude, auteur principal et Penn Ph.D. le candidat Nakul S. Deshpande s'est intéressé à l'observation de particules de sable individuelles au repos qui, sur la base des théories existantes, doit être entièrement immobile. « Les chercheurs ont construit des modèles en supposant certains comportements des grains de sol en fluage, mais personne n'avait en fait observé directement ce que font les grains, " dit Deshpande.

Pour faire ça, Deshpande a mis en place une série d'expériences apparemment simples, créer des tas de sable dans de petites boîtes en plexiglas au-dessus d'une table de travail d'isolation des vibrations. Il a ensuite utilisé une technique de diffusion de la lumière laser appelée spectroscopie à ondes diffusantes, qui est sensible aux très petits mouvements de grains. « Les expériences sont techniquement difficiles, " Deshpande dit à propos de ce travail. " Pousser la technique à cette résolution n'est pas encore courant en physique, et l'approche n'a pas de précédent en géosciences ou en géomorphologie."

Deshpande et Jerolmack ont ​​également travaillé avec un collaborateur de longue date Paulo Arratia, qui dirige le Penn Complex Fluids Lab, connecter leurs données avec des frameworks issus de la physique, la science des matériaux, et l'ingénierie pour trouver des systèmes et des théories analogues qui pourraient aider à expliquer leurs résultats. David Furbish de Vanderbilt, qui utilise la physique statistique pour étudier comment les mouvements des particules influencent les changements de paysage à grande échelle, ont expliqué pourquoi les modèles précédents étaient physiquement inadéquats et incompatibles avec ce que les chercheurs avaient trouvé.

Les premières expériences étaient apparemment faciles :versez un tas de sable dans la boîte, laisse reposer, et regarder avec le laser. Mais les chercheurs ont découvert que, tandis que l'intuition et les théories dominantes disent que les tas de sable non perturbés devraient être statiques, les tas de grains de sable sont en fait une masse en mouvement constant et se comportent comme du verre.

"De toutes les manières que nous pouvons mesurer le sable, c'est relaxant comme un verre rafraîchissant, " dit Deshpande. " Si vous deviez prendre une bouteille et la faire fondre, puis congelez-le à nouveau, que le comportement de ces molécules dans ce verre de refroidissement est, de toutes les manières que nous sommes capables de mesurer, tout comme le sable."

En physique, les particules de verre et de terre sont des exemples classiques d'un système "désordonné", celui dont les particules constitutives sont disposées aléatoirement au lieu d'être cristallines, structures bien définies. Alors que des matériaux désordonnés, un domaine d'intervention majeur du Centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux de Penn, partagent des comportements communs en termes de déformation lorsqu'ils sont stressés, il y a une différence importante entre le verre et un tas de sable. Les molécules qui composent le verre se déplacent toujours de manière aléatoire à une vitesse qui dépend de la température, mais les grains de sable sont trop gros pour le faire. À cause de ça, les physiciens s'attendent à ce qu'un tas de sable soit "bloqué" et immobile, mais ces dernières découvertes présentent une nouvelle façon de penser le sol pour les chercheurs en physique et en géologie.

Un autre résultat surprenant était que le taux de sol rampant pouvait être contrôlé en fonction des types de perturbations utilisées. Alors que le tas de sable intact a continué à ramper aussi longtemps que les chercheurs l'ont observé, le taux de mouvement des particules a ralenti avec le temps dans un processus appelé vieillissement. Lorsque les particules de sable ont été chauffées, ce vieillissement s'est inversé de telle sorte que les taux de fluage ont remonté jusqu'à leur valeur initiale. Taper sur le tas, en revanche, vieillissement accéléré.

"Nous avons tendance à penser à des choses qui poussent le sol vers le rendement, comme trembler d'un tremblement de terre qui déclenche un glissement de terrain, mais d'autres perturbations de la nature éloignent potentiellement le sol du rendement, ou rendre plus difficile la survenue d'un glissement de terrain, " dit Jerolmack. " La capacité de Nakul à l'accorder plus loin ou plus près pour céder était comme une bombe qui a explosé pour nous, et c'est un tout nouveau domaine."

À court terme, les chercheurs travaillent sur des expériences de suivi pour recréer les impacts de perturbations localisées à l'aide de sondes magnétiques afin de comprendre comment les perturbations pourraient éloigner ou rapprocher un système du rendement. Ils examinent également les données d'observations sur le terrain, du fluage naturel du sol aux glissements de terrain catastrophiques, pour voir s'ils peuvent relier leurs expériences de laboratoire à ce que les observateurs voient sur le terrain, permettant potentiellement de nouvelles façons de détecter les défaillances catastrophiques du paysage avant qu'elles ne surviennent.

Les chercheurs espèrent que leur travail pourra être un point de départ pour affiner les théories existantes qui reposent sur un paradigme qui, comme un coteau dont les particules de sol se sont déplacées avec le temps, ne tient plus le poids. "Lorsque vous observez quelque chose de vraiment contre-intuitif et nouveau, ça va maintenant prendre beaucoup de temps avant que ça devienne un modèle à utiliser, " dit Jerolmack. " Du côté géoscientifique, j'espère que les gens avec des outils, des techniques et une expérience sophistiqués reprendront là où nous en sommes et diront, « J'ai une nouvelle idée pour rechercher cette signature sur le terrain à laquelle vous n'auriez pas pensé » – ce transfert naturel d'échelles, de capacités et d'intérêts. »