Arch Park : le mystère des arches de grès

par André Guyard

Arch Park : le parc américain des arches, dans l'Utah, contient des formations de grès étonnantes. Il s'agit de gigantesques arches rocheuses dont la formation au cours des siècles excite l'imagination. Ces ponts de grès semblent défier la gravité. Landscape Arch avec 89 mètres de longueur et 32 mètres de hauteur, est la plus grande arche naturelle du monde.

Comment une telle structure a-t-elle pu se former ? Quelques images pour juger du phénomène avant d'avancer une explication récente… qui tienne debout !

Le personnage en blanc, en bas à droit, donne l'échelle

Jusqu'à présent, les géologues supposaient que l'eau et le vent dégradaient les couches les plus friables de la roche, ne laissant que les plus résistantes. En 2014, l'équipe de Jiri Bruthans, de l'Université Charles de Prague, a complété ce scénario en soulignant le rôle essentiel de la gravité : des pressions dues au poids de la roche renforcent la résistance à l'érosion de certaines zones du grès. Sous l'effet du poids qui pèse sur elles, certaines parties de la roche deviennent plus résistantes à l'érosion que d'autres. C'est cette auto-structuration qui expliquerait la formation des arches.

Les chercheurs tchèques ont montré comment, avec ce modèle et des défauts initialement présents dans la roche, des arches se forment.

Le grès est un agglomérat de grains de sable liés par un ciment. Lors de sa formation, l'eau entre les grains s'évapore. Les sels présents dans l'eau restent, cristallisent et forment un ciment qui assure une cohésion fragile de la roche. En raison de cette structure, le grès s'érode facilement sous l'action du vent et de l'eau.

Ainsi, un bloc de grès plongé dans de l'eau finit par se déliter totalement. Comment alors expliquer les structures spectaculaires observées dans la nature ? L'équipe de J. Bruthans s'est intéressée aux effets de la pression sur un bloc de grès. Cette pression apparaît naturellement du fait du poids de la roche, force qui agit verticalement.

Or si l'on applique avec un étau une telle contrainte mécanique à un bloc cubique de grès plongé dans l'eau, la partie extérieure du cube se délite, mais au centre une colonne résiste à l'érosion. Pourquoi ? Sous la pression, la cohésion entre les grains de sable du grès augmente.

Si la pression est bien répartie sur le cube, l'érosion continue d'agir sur toute sa surface. Mais à mesure que de la matière est arrachée au bloc, la pression se répartit sur moins de grès et la cohésion du matériau devient plus importante. Cette dernière devient alors suffisante pour que le grès résiste a l'érosion. Seules les aspérités, qui subissent moins de pression, sont érodées. Cela donne un aspect relativement lisse au grès, comme on peut l'observer dans la nature.

Le mécanisme expliquerait par exemple la genèse de Balanced Rock, une formation rencontrée dans le Park Avenue Trail et dont la partie supérieure a créé la pression nécessaire pour empêcher la colonne de s'éroder. J. Bruthans et ses collègues ont aussi simulé numériquement la répartition de la pression dans les blocs de roche et les résultats sont en accord avec les observations.

Les trois commères : des cheminées de fée rencontrées dans Park Avenue Trail

Mais comment naît une arche ? Les chercheurs ont montré que si le bloc de grès présente une fissure horizontale, ce défaut modifie la répartition de la pression et peut conduire à la formation d'une telle structure. En effet, la pression est faible au-dessus et au-dessous de la fissure, mais forte à ses extrémités. L'érosion étant importante là où la pression est faible, la roche se creuse à ces endroits et finit par devenir une arche. Par le même type de raisonnement, J. Bruthans et ses collègues ont montré comment l'auto-structuration du grès peut former des alcôves ou des ensembles de piliers.

Source :

Sean Bailly (2014). - Pour la Science n° 443, septembre 2014 p. 4, une note rapportant l'article de J. Bruthans et al., Nature Geoscience, mis en ligne le 20 juillet 2014.