mercredi 1 octobre 2014

Le Salar d'Uyuni - le désert de sel de Bolivie : géologie et hexagones

Comme Taupo en Australie ou plus récemment Dr Goulu avec le mal de l'altitude, je me lance dans les comptes-rendus (scientifiques) de voyage. Cet été, j'ai en effet eu la chance de partir quelques semaines en Bolivie et au Pérou, où j'ai fait le plein d'idées, de questions et de troubles intestinaux (je parlerai de ces derniers en temps voulu). Voici donc un petit billet consacré à l'une des premières étapes de notre voyage : le Salar d'Uyuni. Cet immense désert de sel, perché à 3658 mètres d'altitude sur les hauts-plateaux de Bolivie, est non seulement un des plus beaux endroits sur Terre, mais aussi un très bon sujet d'article : on va pouvoir parler géologie pour expliquer sa formation, et physique pour comprendre pourquoi ce désert est pavé d’hexagones. Que du bon !
Lorsqu'il pleut, le Salar d'Uyuni devient un miroir géant !

Le Salar d'Uyuni couvre 10 582 km² de l'Altiplano au sud-ouest de la Bolivie ; c'est le plus grand désert de sel du monde, et aussi le plus haut ! Il est devenu un site touristique incontournable dans la région, et on comprend aisément pourquoi quand on voit les images magnifiques des veinards qui ont pu y poser les pieds. Le sol est entièrement composé de différents sels, principalement du bon vieux chlorure de sodium, sur une épaisseur de plusieurs mètres (jusqu'à 120 mètres peut-on lire sur wikipédia, mais ça sort un peu de nulle part). En dessous, le sol est constitué de boue et de saumure, où l'on trouve, en proportions variables, du sel classique, du sel de bore, des carbonates et sulfates de sodium, ainsi que du potassium, du magnésium et surtout, du lithium. En fait, d'après les dernières estimations, ce désert abrite au moins 40% des réserves mondiales de lithium, soit environ 9 millions de tonnes ; un joli pactole resté inexploité jusqu'à présent.

Ne parlant pas un traitre de mot d'espagnol et vraisemblablement sous l'emprise de la coca, je n'ai rien compris aux explications de notre guide au sujet de la formation du désert. Renseignements pris, ça n'était rien de très compliqué..

La formation du Salar d'Uyuni


En fait, le désert est le vestige d'un marais salant géant, formé par l'assèchement progressif d'un lac préhistorique, qui recouvrait l'ensemble de la région : le Lac Minchin. Ce lac mesurait environ 200 kilomètres de large pour 400 kilomètres de long, soit environ deux fois la surface du lac Titicaca. La région a connu un changement climatique, passant lentement d'un climat tropical à un climat plus désertique. Le volume d'eau versé dans le lac à commencé à diminuer il y environ 17 000 ans. En s'évaporant peu à peu, le lac Minchin a laissé derrière lui deux petits lacs qui subsistent encore aujourd'hui : le lac Uru Uru, et le lac Poopó, que l'on peut voir sur la photographie ci-contre. Il a également laissé des dépôts de sels gigantesques qui forment aujourd'hui le Salar d'Uyuni et celui de Coipasa, juste au nord.

L'étendue de sel est tellement plate qu'elle sert à calibrer les altimètres des satellites d'observation. Autre conséquence de cette extrême platitude, égalée seulement par Nadine Morano : lorsqu'il pleut, l'eau recouvre le sol sur plusieurs centimètres et ne s'écoule quasiment pas. Le désert se transforme alors en miroir géant et le paysage, en vision surréaliste. Pour vous faire une idée :


Évidemment, s'agissant d'un désert, il n'y pleut pas souvent. Si vous tenez absolument à en prendre plein les mirettes, il faut s'y rendre en janvier ; vous aurez alors une chance raisonnable de découvrir ce spectacle extraordinaire. Pour ma part, j'y suis allé fin août. Ça reste très beau, mais le désert est alors parfaitement sec, et sa surface est constellée de motifs hexagonaux irréguliers qui n'ont pas manqué de piquer ma curiosité, ni celle de mes camarades d'excursion. Céline, si tu lis cet article, la suite est pour toi :)

Les motifs hexagonaux dans le Salar d'Uyuni

Le désert de sel d'Uyuni est pavé de polygones irréguliers, dont la plupart sont des hexagones. Pourquoi ? J'ai oublié de poser la question fondamentale à notre guide : cette structure en nid d'abeille disparait-elle chaque année lorsqu'il pleut ou existe-t-elle depuis des dizaines d'années ? J'ai néanmoins essayé de faire le tour des explications plausibles...
Les motifs à la surface du désert, dans le Salar d'Uyuni. Crédits : photodumonde
Réseau de Voronoy. Crédits : La main à la pâte
Dans un premier temps, je me suis dit qu'il y avait un rapport avec l'évaporation de l'eau. Et que ça ressemblait bigrement à des "cellules" qui se développeraient à partir de points répartis aléatoirement, de façon radiale, à une vitesse à peu près homogène, et qui finiraient par se toucher, en formant un pavage plus ou moins hexagonal. Ce type de pavage est appelé réseau de Voronoy, du nom du mathématicien russe qui l'a inventé (voir appendice à la fin de l'article). Dans ce type de pavage, chaque cellule a en moyenne 6 voisines, ce qui correspond à ce que l'on observe sur le sol du Salar. Mais ça n'expliquait pas grand chose.

J'ai ensuite pensé aux motifs (appelés fentes de dessiccation) qui se forment lorsque la boue sèche. Pour des questions énergétiques, les fentes suivent des contours à peu près hexagonaux. On peut comprendre pourquoi en lisant cette page. Mais dans le Salar, ce ne sont pas des fissures, au contraire ; les délimitations hexagonales sont de petites barrières d'environ 1 cm de hauteur. Une explication possible est la suivante : le sol se contracte lorsqu'il fait froid, des fissures apparaissent, l'eau s'y infiltre et dissous le sel. Lorsqu'il fait plus chaud, le sol se dilate, les fissures se referment et la saumure est lentement expulsée vers la surface. L'eau s'évapore alors, laissant une délimitation de cristaux de sel qui correspond à celle des fissures.

Fentes de dessiccation. Crédits : Aurélien Dupont | 2008
Dans une moindre mesure, ça me faisait aussi penser aux orgues basaltiques, ces colonnes naturelles incroyables, comme celles de la Chaussée des Géants en Irlande. Ici, c'est un phénomène analogue, la contraction thermique, qui produit ces structures.
Les orgues basaltiques de la Chaussée des Géants en Irlande
Enfin, je me suis souvenu des cellules de convection qui apparaissent dans les liquides chauffés par le dessous, et qui adoptent spontanément une forme vaguement hexagonale. Vous en avez sans doute déjà vues en faisant chauffer de la soupe par exemple : la soupe chaude tend à monter, et la soupe froide à descendre. Heureusement, sinon votre soupe prendrait des heures à chauffer. En gros, dans la casserole, il se passe ça :

Mouvements de convection dans la soupe chauffée à la casserole. Crédits : Wikipédia
Ces mouvements de convection verticaux induisent l'apparition de cellules de convection (appelées cellules de Rayleigh-Bénard), qui prennent une forme à peu près hexagonale en surface (en l'absence de turbulences). Voici ce que ça donne à la surface de la soupe :


Cellules de convection hexagonales. Crédits : Scholarpedia
Un phénomène analogue se produit-il dans l'eau, lorsque le désert recueille sa dose de pluie ? Cette fois, le Soleil tape par le dessus, mais cela n'empêche pas la convection. Des cellules de convection pourraient alors apparaitre et les frontières entre cellules correspondraient aux zones où le sel s'accumule. Puis l'eau s'évaporerait, laissant des lignes hexagonales.

Bon, le souci avec cette dernière hypothèse, c'est que je ne vois pas exactement comment les cristaux de sel pourraient croitre tranquillement sans être emportés. Et puis ça ferait des cellules de convection d'environ 1 mètre, ça fait grand.. Je ne pense pas que cette explication tienne la route.. J'espère que vous aurez au moins appris une ou deux petites choses sur la convection ! Pour me faire pardonner, j'arrête ici et je vous laisse avec ce que vous attendez tous : des scènes de nu très osées. Ou des vidéos/photos du Salar. N'hésitez pas à m'écrire si vous avez compris d'où viennent ces maudites formations pseudo-hexagonales !



Le Salar d'Uyuni. Crédits : Laurent Lellu

Si vous aimez les cellules de convection, jetez un œil à celles du Soleil sur le blog Ca se passe là haut. Et si ces insupportables hexagones ne vous ont pas encore exaspérés, lisez la météo de Saturne avec son cyclone hexagonal géant. Je conclus en dédicaçant cet article à Céline, Pauline, Justine et Simon.

Appendice : Les réseaux de Voronoy

Cette section est un copié-collé d'une partie de cet excellent dossier, consacré à la classification des formes, sur le site de l'association La main à la pâte.

Prenez un crayon, une règle et une feuille de papier et dessinez au hasard une dizaine de « taches » (a). Il s’agit maintenant de réaliser un pavage en délimitant les régions de la feuille qui sont plus près d’une tache donnée que des autres. Pour ce faire, on pourrait faire grossir les taches toutes en même temps, comme des ballons, jusqu’à ce que leurs frontières se rencontrent, mais il y a plus simple. Sélectionnez l’une des taches et tracez les segments qui la relient à ses plus proches voisines (b). Tracez ensuite la médiatrice de chacun de ces segments – la droite perpendiculaire passant par le centre du segment (c). L’ensemble de ces médiatrices délimite un polygone autour de votre tache d’origine : vous avez dessiné votre première cellule de Voronoy. À l’intérieur de ce polygone, tout point est par construction plus près de la tache centrale que de n’importe quelle autre. En recommençant la procédure pour chacune des taches du plan, vous réaliserez un pavage du plan appelé « réseau de Voronoy » et les frontières de ces polygones ressembleront beaucoup à la robe d’une girafe ou à des cellules de convection (d). Des programmes numériques permettent de tracer automatiquement et rapidement de tels réseaux (voir « Sur la Toile ») et de vérifier qu’en moyenne, chaque cellule a six voisines.

Sources : Keating, Joshua (2009-10-21). "Bolivia's Lithium-Powered Future: What the global battery boom means for the future of South America's poorest country."

Tilting and Flexing of the Earth's Crust in the Central Andes: Results of a GPS survey of shorelines of Paleolake Minchin
Bruce G. Bills, Geodynamics Branch, Code 921

9 commentaires:

  1. Si c'était vraiment des cellules de convection à l'origine des formes hexagonales, on devrait avoir un petit mont de sel au centre de chaque cellule, non ?

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  2. Sinon, je crois me souvenir qu'on observe des structures équivalentes dans des déserts de sable ou certains sols gelés en permanences : on trouve des structures hexagonales composées de sable ou de pierres. Evidemment, cela ne fonctionne que dans les désert : pas de précipitations, pas d'érosion.

    De mémoire, elles se forment à cause d'une succession de contractions et de dilations thermiques : ces contractions et dilations vont repousser les pierres ou le sable du centre de la cellule, et le tout forme rapidement un bel hexagone. Dans les déserts de sable, elles sont causées par la différence de température entre le jour et la nuit. Dans les sols des régions froides avec peu de précipitation, c'est la différence de température entre hiver et été qui fait la différence (avec la fonte du dessus du sol en été).

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  3. Bonjour, et merci pour le commentaire ! Oui, j'imagine que c'est possible, ça dépend sûrement de la vitesse du liquide ? Mais je ne pense pas qu'il y ait réellement des cellules de convection.. C'est intéressant de savoir que ça se produit dans d'autres déserts, ce serait donc un processus purement mécanique ? Ce cycle de dilatations et de contractions créé-t-il des fissures ? Qu'appelez vous "cellules", le motif crée par les fentes de dessiccation ? Pourquoi le sable est-il repoussé au centre ? Savez-vous où je peux trouver des photos ? Merci encore :)

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  4. Ce que j'appelle cellule, c'est le sol situé entre les bords de l'hexagone.

    Pour ce qui est du mécanisme, je ne m'en souviens malheureusement plus du tout : j'avais lu cela il y a quelques années dans un vieux livre de géologie. En tout cas, après quelques recherches, on peut facilement trouver une description rapide du mécanisme qui a lieu dans les permafrost, qui mène à la formation de structures polygonales (hexagonales, souvent) : voir l'article du wikipédia anglais nommé patterned ground.

    Il n'y a pas création de fissures avec ce mécanisme, mais il y a intervention de la glace via gel et dégel pour les permafrost. On peut se rappeler que la nuit, l'humidité de l'air peut geler dans les déserts sableux : a voir si le mécanisme applicable aux permafrost peut générer les mêmes effets dans les déserts grâce à l'humidité.

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  5. Bonjour,
    Juste une petite question sur l'hypothèse de la convection : il me semblait que la cause de la convection était que le fluide chauffé est moins dense que le liquide froid, ce qui le fait monter. Si on chauffe par au-dessus, le chaud (donc peu dense) est déjà en haut, aucune raison qu'il aille bousculer le froid pour se faire de la place. Donc je ne pense pas qu'il y ait une possibilité de convection.
    Sauf si le soleil réchauffe d'abord la terre à travers l'eau, et que la terre chauffe ensuite l'eau par en dessous. Avec une très fine couche d'eau, ça semble envisageable.
    Bonne journée
    bhu

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  6. Bonjour ! Effectivement, je pense que la convection est une hypothèse à écarter. Elle pourrait éventuellement fonctionner la nuit : l'air est alors glacial et le sol plus chaud. Mais ça ne tient pas la route. Je penche plutôt pour les cycles de dilatation/contraction. Il faut que je fasse une mise à jour avec davantage d'explications !

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  7. Et si c'était un cimetière à ballons de foot, où chaque match annulé du dimanche verrait s'inscrire dans le sol sud-américain, terre de foot s'il en est, les patrons des icosaèdres tronqués ? (c'est le cas de le dire, doublement tronqués !) Un désert en pleine expansion...
    Évidemment, cette hypothèse soulève bien des questions.

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  8. je suis tout a fait d'accord, le sol pourrait aussi etre une sorte de crop circle laissé par les vaisseaus de la vierge marie! sylvain duriff nous a prévenus!

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  9. :) Je vais bientôt pouvoir compléter l'article avec de nouvelles hypothèses, merci ! A moins que le christ cosmique ne joue au foot ?

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