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Au cœur des cascades de glace

Comment se forment les cascades de glace ? Comment réagit la glace aux sollicitations des grimpeurs et aux conditions climatiques ? Motivée par ces questions posées par les pratiquants, la Fondation Petzl a proposé et financé une étude scientifique sur la glace de cascade avec le Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement de Grenoble. Résultats.

SEPTEMBRE 2014

Prélèvement dans le free-standing de la cascade "Nuit Blanche" © Monica Dalmasso
Prélèvement dans le free-standing de la cascade "Nuit Blanche".

Carte d’identité

  • Partenaires soutenus : CNRS, Laboratoire de glaciologie et géophysique de l'environnement. www.Igge.osug.fr
  • Localisation : Haute Savoie, France et Alaska, Etats-Unis
  • Type de projet : Améliorer la connaissance
  • Soutien : 286 000 € depuis 2006

Présentation du projet

Un projet de recherche original

Les nombreuses questions adressées au glaciologue Luc Moreau, lors de ses cours de glaciologie auprès des guides de haute montagne en formation à l'ENSA, sont à l'origine de ce projet. Si la neige et la glace des glaciers ont fait l'objet de nombreuses recherches, aucune étude systématique ou publication scientifique n'existait sur le milieu spécifique des cascades de glace. Première dans le monde, cette approche vise à fournir une meilleure connaissance sur la formation et le comportement des cascades de glace, notamment pour les pratiquants mais aussi pour la communauté scientifique.

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Une équipe pluridisciplinaire

Sous l'égide de la Fondation Petzl, un groupe de travail s'est constitué autour de deux chercheurs au Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement de Grenoble : Maurine Montagnat pour l'étude des microstructures de la glace, qui révèle le mode de formation des cascades ; Jérôme Weiss pour l'aspect mécanique de l'étude, pour mieux comprendre comment et pourquoi ces structures se brisent.
Par ailleurs, Luc Moreau a apporté son savoir faire sur la "glace en mouvement", avec des photographies quotidiennes des cascades durant la saison.

L'équipe © Monica Dalmasso

Le point de vue des guides

François Damilano et Didier Lavigne, guides experts de la glace qui ont participé à cette étude :

Francois Damilano, guide © Monica Dalmasso Didier Lavigne, guide © Didier Lavigne «Cette approche nous a paru particulièrement enrichissante. Notre contribution a été de transmettre un maximum du savoir que nous avons acquis par notre expérience de guide et de grimpeur sur glace. Cette étude a permis de vérifier par des méthodes scientifiques ce que nous avions déjà en partie compris par l'expérience. »

Etude fondamentale ou appliquée ?

Maurine Montagnat, chercheuse au CNRS © Maurine Montagnat « Pour les scientifiques, ce terrain est "neuf ", uniquement balisé par les observations empiriques des grimpeurs. Nous abordons l'étude d'un point de vue "fondamental", c'est à dire en explorant le point de départ des connaissances, de manière globale. Cette étude n'a pas de finalité économique ou pratique déterminée. A ce stade, notre objectif n'est pas d'évaluer les risques associés à la pratique. Cependant nous espérons que nos observations aideront les alpinistes et guides à améliorer leur évaluation des conditions sur le terrain », explique Maurine Montagnat. .

Le projet en vidéo



Quelques clés de lecture des cascades

Les données recueillies lors de cette étude peuvent fournir quelques clés simples d'interprétation du milieu ou des conditions, et une aide éventuelle à la décision pour les grimpeurs, en lien avec l'évolution des températures

Cascade de glace

  • Une période prolongée de températures douces, au dessus de 0°C, est défavorable :
    ces conditions peuvent entraîner un décollement de la glace de son socle rocheux.
  • En revanche, une succession de journées assez douces, jusqu'à environ 5°C maximum, entrecoupées de nuits relativement fraîches (quelques degré en dessous de 0°C) permettant d'éviter le décollement généralisé semble être une situation plutôt favorable :
    une glace "chaude" aura un comportement très "plastique" peu favorable à la propagation de fractures, en particulier lorsque le grimpeur frappe la glace avec ses piolets. Les glaciairistes parlent de "glace sorbet".
  • Si les froids intenses sont favorables à la formation des cascades de glace, ils ne sont pas forcément favorables à la grimpe.
    Des refroidissements brutaux engendrent des efforts de tension dans les structures (contraction thermique de la glace) qui peuvent déclencher leur effondrement, en particulier les structures ancrées aux deux extrémités mais ne reposant pas sur le rocher (aussi appelé free standing).
    De plus, une glace froide sera fragile, c'est à dire favorable à la propagation des fractures, avec la possibilité d'un effondrement déclenché par le grimpeur lui-même.
    Les structures de type stalactite ou cigare sont à priori un peu moins sensibles à ce type de conditions.
  • Les refroidissements plus lents, étalés sur plusieurs jours, et/ou des périodes de froid plus stables sont a priori moins critiques. Toutefois, dans ces conditions, la glace sera très fragile et cassante sous les coups de piolets du grimpeur.

Ces quelques clés de lecture demeurent partielles, et ne remplaceront jamais l'expérience acquise au cours de la pratique.

La vie d'une cascade de glace

Comment se forment les cascades de glace ? Quelle est la structure de la glace qui les compose ?
Que peut-on apprendre sur sa croissance en analysant sa microstructure ?

Chaque hiver, entre 2006 et 2010, des expériences ont été menées dans les cascades de glace pour comprendre la formation de ces éphémères structures de glace, en relation avec l'évolution de la température, et ce notamment par l'étude de la microstructure de la glace qui les compose.

Pour cette étude en milieu vertical, il a fallu innover : élaborer un protocole de recherche et concevoir des outils spécifiques. Un carottier "de paroi" a été développé spécialement pour les prélèvements à la verticale, grâce aux compétences du LGGE dans le domaine des carottages glaciaires, en collaboration avec le bureau d'étude Petzl. Il a été utilisé avec succès pour extraire des échantillons sur des profondeurs de 60 cm dans les cascades d'étude.

Carottage dans le free-standing de la cascade "Nuit-Blanche" © Monica Dalmasso Extraction d'une carotte prélevée dans le free-standing de la cascade "Nuit-Blanche" © Monica Dalmasso
Les stalactites et les échantillons de glace sont prélevés sur le terrain par carottage, ici dans le free-standing de la cascade "Nuit-Blanche" - la carotte est ensuite extraite.

Les échantillons sont ensuite découpés en tranches pour obtenir des "lames minces" de 0.2 à 0.3 mm d'épaisseur, fixées sur des plaques de verre.

Découpage de la glace au laboratoire Lame mince de glace sur plaque de verre, au laboratoire © Monica Dalmasso Observation d'une lame mince en lumiere polarisée © Monica Dalmasso Observation d'une lame mince au microscope © Monica Dalmasso
Observées en lumière polarisée, les lames révèlent la microstructure de la glace, par la taille et la forme des grains.

Qu'est ce que la microstructure de la glace ?

Analyse de la structure de glace © Monica Dalmasso
La glace est un matériau généralement polycristallin, composé d'un ensemble de (mono)cristaux ayant une structure cristallographique hexagonale.

L'orientation d'un cristal de glace, aussi appelé "grain", est donnée par l'orientation du grand axe de l'hexagone. La microstructure représente la forme et la taille des grains. L'orientation cristalline de l'ensemble des grains d'un échantillon prélevé ainsi que sa microstructure est étroitement liée à l'histoire de la formation et de la déformation de cet échantillon dans son milieu naturel.

Que nous apprend-elle ?

  • Si la glace est blanche quand les grains sont petits c'est qu'elle s'est formée brusquement, suite à un refroidissement brutal, et qu'elle a donc piégé un grand nombre de petites bulles d'air.
  • Si la glace apparaît noire, c'est qu'elle s'est formée lentement sous des conditions de température stable, donc qu'elle n'a pas ou peu piégé de bulles, et qu'elle est donc très transparente.
  • Les structures de glace verticales ont d'abord une croissance rapide par l'agrégation de stalactites. Après cette phase initiale, le volume de la structure de la glace atteint un seuil. L'eau continue de couler à l'intérieur de la cascade, isolée du froid extérieur par la couche de glace.
    Une fissuration liée au passage d'un grimpeur peut permettre un nouveau passage de l'eau vers l'extérieur, et entraîner une nouvelle phase de croissance de la cascade.

Evolution du free-standing de la cascade nuit-blanche

Pour suivre l'évolution globale des cascades de glace pendant toute la période de gel, des caméras numériques installées près des cascades ont pris des photos à intervalles réguliers (six photos par jour).

A partir des images successives, une procédure simple d'analyse d'image a été utilisée pour estimer la superficie occupée par les cascades de glace dans le champ de la caméra, et son évolution au cours de la saison.

Evolution du free-standing : un des appareils photo automatiques © Luc Moreau
Un des appareils photo automatiques.
Evolution du free-standing : 28 novembre 2007 © Luc Moreau Evolution du free-standing : 17 décembre 2007 © Luc Moreau  Evolution du free-standing : 1er janvier 2008 © Luc Moreau
De gauche à droite, photos prises les 28 novembre 2007, 17 décembre 2007 et 1er janvier 2008.

Une fin souvent brutale : stabilité et instabilité mécanique des cascades

La couleur des cascades de glace a-t-elle une relation avec leur solidité ? Comment réagit la glace aux sollicitations des grimpeurs et aux variations de température ? Quelles sont les conditions climatiques à privilégier, ou, au contraire, à éviter ?

Si la naissance d'une cascade est progressive, sa fin, en particulier pour des structures verticales comme les stalactites ou les free-standings, est souvent brutale, ce qui pose d'évidents problèmes de sécurité !

tests d'impacts sur la glace © François Damilano
Les chercheurs sont suspendus dans le vide, oubliant leur vertige, pour faire des prélèvements ou des tests d'impacts sur la glace.

capteur interne placé au cœur de la glace pour mesurer la pression et la température © François Damilano
Un capteur interne, de la taille d'une broche à glace, est placé au cœur de la glace, au bas du free-standing de Nuit Blanche. Il mesure la pression et la température à l'intérieur de la glace. Ces données permettent d'analyser l'évolution des efforts mécaniques subis par la structure au cours de la saison.

Comment les cascades s'effondrent ? Quels en sont les mécanismes déclencheurs ?

L'initiation et la propagation de fractures sont la conséquence d'efforts mécaniques en traction : on parle de "contraintes" qui "tirent" sur la glace jusqu'à son point de rupture. Plusieurs mécanismes génèrent de telles contraintes dans les cascades, mais lesquels sont à l'origine de ces effondrements ?

  • Le poids propre de la structure :
    les contraintes engendrées sont trop faibles pour atteindre la limite de rupture de la glace, et le poids d'un grimpeur sera encore plus négligeable
  • Les cycles gel-dégel :
    de fortes contraintes peuvent apparaître localement, mais elles ne semblent pas déclencher de rupture généralisée.
  • Le mécanisme générateur d'efforts mécaniques, lié à la contraction/dilatation thermique de la glace est en revanche le plus important, et le plus dangereux !
    La glace se dilate lorsqu'on la réchauffe, et se contracte lorsqu'on la refroidie. Une colonne free-standing, sous l'effet d'un refroidissement important, aura alors tendance à se raccourcir, ce qui est impossible du fait des points d'attache en haut et en bas.
    La mise en tension verticale de toute la structure qui en résulte peut suffire à déclencher la rupture brutale et l'effondrement de la cascade, particulièrement lors de chute de température instantanée !

Ce scénario de "mort subite" a été observé sur Shiva Lingam en 2008 : après un refroidissement d'une quinzaine de degrés dans la nuit, le lendemain matin le free-standing n'existait plus !

Paradoxalement, les stalactites seront à priori moins sensibles à ces effets de contraction thermique, car elles ne sont ancrées à leur base : elles pourront se déformer plus librement sous l'effet d'un refroidissement et donc limiter la mise en tension. Toutefois, des fissures pourraient apparaître, en particulier lors de la frappe d'un grimpeur avec ses piolets.

Notons finalement qu'un réchauffement brutal sera moins critique, car il générera des efforts de compression défavorables à l'initiation et la propagation de fractures.

Ecroulement de la cascade Shiva Lingam

Le suivi photographique met en évidence l'initiation puis la propagation souvent très rapide de fractures horizontales au niveau du point d'ancrage supérieur de la structure. Dans le cas de structures décollées du rocher (stalactite et free-standing), cela entraîne souvent leur effondrement, comme nous l'avons observé pour Shiva Lingam en 2008 et 2009 :

Ecroulement de la cascade Shiva Lingam - 1 © Luc Moreau Ecroulement de la cascade Shiva Lingam - 2 © Luc Moreau Ecroulement de la cascade Shiva Lingam - 3 © Luc Moreau Ecroulement de la cascade Shiva Lingam - 4 © Luc Moreau
A la fin de la saison, l'effondrement du free-standing n'est pas produit pas par la fonte progressive de la glace, mais est initié par une propagation de la fissure horizontale située en haut. L'ouverture de cette fissure semble être déclenchée par une baisse de température.

Glace chaude et glace froide

Après les premières recherches et les premières publications sur les cascades de glace d'Argentière, une nouvelle phase de recherche a débuté en 2011 sur une cascade "chaude" à Samoens (Haute-Savoie) et une cascade "froide" à Fairbanks (Alaska).

En février 2012, la cascade du Nant d'Ant à Samoens (alt. 700 m/hauteur 130 mètres) a été instrumentée pendant la période de grand froid.

Carottage dans la cascade Dragonfly, en Alaska © Maurine Montagnat Pendant l'hiver 2012-2013, une collaboration a été entreprise entre le Laboratoire de glaciologie de Grenoble et l'Université de Fairbanks. En février 2013, les chercheurs du laboratoire de glaciologie, Maurine Montagnat et Jérôme Weiss, sont allés en Alaska rencontrer Erin Pettit et son équipe. Un séminaire de présentation du projet "Cristal de glace" a été organisé pour le groupe de recherche de l'Université de Fairbanks. Ensuite, les chercheurs sont allés sur le terrain pour observer la cascade "Dragonfly" suivie par cette équipe. Cette cascade n'est pas très haute, mais au cœur de l'hiver elle mobilise un très gros volume de glace.

Les Français avaient apporté leur mini-carottier pour extraire quatre colonnes de glace dans la partie centrale de la cascade, ainsi qu'une sonde de pression et des sondes de températures. Outre ces instruments déjà utilisés en France, l'observation de la cascade d'Alaska se fait aussi avec une caméra infrarouge qui permet de mesurer les différentes zones de température. Erin fait également des mesures radars pour essayer de quantifier la densité de la cascade.

Pour aller plus loin

Article réactualisé en septembre 2014


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