Certaines des prouesses structurelles les plus étonnantes ne sont pas construites par des architectes ou sculptées par des artistes. De Bryce Canyon aux montagnes de grès de l'Elbe en Europe centrale, les arches, les alcôves et les piliers en grès du monde entier ressemblent de façon frappante aux mêmes caractéristiques de l'architecture d'origine humaine. Alors, comment fait la nature?
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Une étude publiée hier dans Nature Geosciences suggère qu'un cycle de rétroaction de stress et d'érosion pourrait être à l'origine de ces merveilles naturelles.
Selon une équipe de chercheurs de la République tchèque, l'érosion élimine progressivement les grains de sable, plaçant le poids de la roche sur le reste des grains et les rendant plus étroitement imbriqués. Au fur et à mesure que les grains sont extraits des roches, le poids fluctue de manière inégale et il est plus difficile d'éroder les grains dans les zones qui supportent plus de poids ou de gravité, laissant ainsi derrière les arches, les alcôves et les piliers que les touristes peuvent admirer.
Les scientifiques ont commencé à décrire et à classifier ces caractéristiques architecturales naturelles il y a plus de 150 ans, mais même les théories des scientifiques modernes sur la formation d'arches et de piliers en grès diffèrent quelque peu. Par exemple, certains géologues attribuent des arches sur le plateau du Colorado à la construction de la base du rocher, alors que d'autres pensent que ce sont les fractures qui les ont produites.
De même, certains scientifiques affirment que l'érosion des cours d'eau a sculpté des piliers de cavités dans les grottes vénézuéliennes, tandis que d'autres suggèrent que l'érosion emporte tout, sauf les grains qui se sont collés après avoir été trempés dans des doigts de fluide qui se sont infiltrés dans les roches tendres. La plupart des explications sont basées sur des observations de terrain et des études d'échantillons de roche au microscope, et les théories varient d'un endroit à l'autre. Personne n'avait mis au point un mécanisme sous-jacent qui correspond généralement à chaque scénario.
Arcade délicate vue de derrière au coucher du soleil, parc national des arches, utah, usa (Photo: Michael Atman) 
Double O Arch avant une tempête dans Devil's Garden, Parc National des Arches, Utah, États-Unis. (Photo: Michael Atman) 
Pravcicka Brana Arch, exemple emblématique de l'architecture en grès du parc national de la Suisse bohémienne, en République tchèque. (Photo: Vaclav Sojka) 
Délicate, voûte, arches parc national, utah, usa (Photo: Jaroslav Soukup) 
Piliers souterrains de la Cueva Colibri du système de grottes Charles Brewer au Venezuela. (Photo: Libor Lanik) L'équipe tchèque souhaitait adopter une approche différente. Alors qu'ils effectuaient des travaux sur le terrain dans la carrière de Strelec dans le bassin du Crétacé de Bohême, ils ont remarqué que de petites arches et piliers, d'un mètre de hauteur à peine, se formaient dans le grès en quelques mois ou quelques années, plutôt que les échelles de temps millénaires associées à une grande architecture géologique. .
«Il était clair que les processus qui en étaient responsables opéraient actuellement dans la carrière et que, par conséquent, ils pourraient être potentiellement isolés et expliqués», explique Jiri Bruthans, géologue à l'Université Charles de Prague et co-auteur de l'étude.
Pourquoi ne pas essayer de créer ces reliefs en laboratoire? Bruthans et ses collègues ont commencé par observer comment le grès se comporte sous l'effet du stress. Ils ont coupé des cubes de grès de la carrière de Strelec, les ont immergés dans de l'eau et ont appliqué une force verticale au sommet du cube pour simuler le stress provoqué par les grains de sable contenus dans la pierre.
Sans contrainte verticale, les cubes se sont progressivement désagrégés en grains individuels. Au contraire, sous l'effet d'un stress vertical croissant, le cube s'est progressivement dépouillé en un pilier en forme de sablier. Voyez vous-même dans la vidéo créée par les auteurs pour compléter leur article:
De manière critique, le grès de Strelec ne contient pas de minéraux de cimentation qui permettent de lier les particules de sable. Au lieu de cela, les auteurs ont constaté que le stress exercé sur le grès faisait en sorte que les minéraux s'emboîtent et maintiennent la roche ensemble.
L’équipe tchèque a mis au point un mécanisme pour expliquer la formation des piliers, et la modélisation numérique a confirmé leurs soupçons. Fondamentalement, la charge dans le bloc de grès est supportée de manière inégale, certains grains de grès pesant plus lourd que d’autres. L'eau peut facilement s'infiltrer dans les pores de la roche - l'espace entre les grains - et éroder des fragments de sable, mais les grains qui supportent une plus grande quantité de charge sont plus difficiles à retirer.
Pensez-y comme un mur de briques sèches. «Il est facile de retirer les briques du haut du mur, mais il est difficile de les tirer du bas, car elles sont chargées», déclare Bruthans. Au fur et à mesure que l'eau extrait les grains de sable, de moins en moins de grains transportent davantage de charge et le stress entre les grains augmente, les liant plus étroitement les uns aux autres et les rendant plus résistants à l'érosion.
Certains grès contiennent des agents de cimentation, cependant. Les chercheurs ont donc échantillonné du grès cimenté de la République tchèque, du Venezuela et des États-Unis. Exposer ces cubes cimentés au sel et au gel a également produit des piliers de sablier lorsqu’ils ont été pesés, et les cubes non chargés se sont désintégrés quatre fois plus rapidement. Les matériaux de cimentation se dissolvent avec l'érosion et les cubes cimentés sont donc soumis aux mêmes forces de contrainte que les cubes non cimentés.
De toute évidence, l'érosion peut également revêtir différentes formes. Les chercheurs ont donc simulé les précipitations et l'eau courante dans le laboratoire pour voir si cela pouvait avoir un effet différent. Dans tous les cas, les cubes chargés étaient plus résistants à l'érosion que les cubes non chargés, ce qui montre que le stress était le facteur clé.
Les chercheurs ont créé une "fenêtre rocheuse en forme d'arche", en liant le grès avec un cylindre en plastique et en découpant des "fractures" artificielles dans la roche. L'immersion dans l'eau provoquait une mise en forme rapide en une forme d'anneau relativement stable. (Photos: Michal Filppi) Au-delà des piliers, les chercheurs ont également essayé de réaliser des arches et des alcôves en laboratoire. Ils ont découvert que la forme de la roche dépend de la géométrie du gros morceau de grès exposé. Les cubes avec de petites fissures horizontales centrales ont produit des arches. Des coupes horizontales partielles dans les cubes ont produit des alcôves. Et les fissures verticales semblent aider à créer des colonnes ou des piliers verticaux. En outre, différents processus d'érosion peuvent produire la même forme s'ils commencent avec des roches similaires.
Une arche libre a été créée dans le laboratoire par immersion partielle d'un bloc de grès chargé avec une petite ouverture près de la base. Au fil du temps, l'ouverture s'est élargie et a pénétré dans le bloc de grès, créant ainsi un arc. (Photo: Marek Janáč, Vesmir.cz) Dans ce contexte, les auteurs demandent une explication plus nuancée de la formation d'arches et de piliers dans le grès. «Il ne faut pas dire que l'érosion ou les intempéries ont gravé les formes, car c'est le champ de contraintes qui leur donne la forme. Les processus d'érosion ne sont que des outils contrôlés par le stress », explique Bruthans.
Le fait qu'un mécanisme aussi simple puisse créer de si belles structures contraste notre vision humaine de ce qui entre dans l'art ou dans l'architecture, ce qui est esthétiquement plaisant. «Pour créer des formes parfaites, vous n'avez pas besoin d'intelligence ni de planification», déclare Bruthans. En fait, «le contraire est vrai pour la nature. La plupart des choses parfaites sont faites par de simples mécanismes. "
