Effondrement du barrage de Brumadinho : Le danger est apparu après le démantèlement

La catastrophe survenue près de la petite ville de Brumadinho, dans le sud-est du Brésil, s'est produite peu après midi : le 25 janvier 2019, dans une mine de fer située à proximité, la digue à stériles - une zone de stockage des résidus boueux à grains fins issus du traitement du minerai, ou stériles - s'est effondrée. Une énorme coulée de boue d'environ 10 millions de mètres cubes de résidus liquéfiés a inondé le site de la mine, détruisant les habitations voisines et emportant un pont ferroviaire. Au moins 270 personnes ont été tuées. L'écosystème de la rivière Paraopeba, en aval de la mine, a été détruit. Bien que le barrage soit équipé d'un système de surveillance, personne n'avait prévu la catastrophe.

L'effondrement du barrage de Brumadinho a donné lieu à plusieurs procès contre la société minière Vale et l'organisme d'inspection TÜV Süd. Peu avant l'accident, ce dernier avait certifié que le barrage était suffisamment stable. Vale a été condamnée à payer l'équivalent d'environ 6 milliards d'euros de dommages et intérêts. Une commission d'enquête a conclu que l'accident était dû à l'accumulation lente de déplacements microscopiques (connus sous le nom de fluage) dans les couches de résidus déposées, mais n'a pas fourni le mécanisme physique exact étayant cette hypothèse. En particulier, l'incertitude demeure quant à la raison pour laquelle la digue s'est rompue en 2019, soit trois ans après le dernier chargement du bassin avec de nouveaux résidus, et pourquoi aucun déplacement significatif n'avait été détecté avant l'effondrement.

Explication du mécanisme physique

Une étude réalisée par le professeur Alexander Puzrin, directeur de l'Institut d'ingénierie géotechnique de l'ETH Zurich et expert en modélisation des glissements de terrain, vient de faire la lumière sur la catastrophe de Brumadinho. L'article est publié dans la revue Communications of Earth and Environment. Les scientifiques ont utilisé des modèles numériques et analytiques pour étudier les causes de la rupture du barrage, et elles et ils ont identifié un mécanisme physique qui explique l'accident minier.

Le bassin de résidus a été construit en 1976. Au cours des années suivantes, la digue en terre du bassin a été rehaussée à plusieurs reprises de quelques mètres, comme il est d'usage dans l'exploitation minière, afin de créer un espace supplémentaire pour le stockage des résidus de traitement. Les marches du barrage ont été placées en décalage les unes par rapport aux autres, comme les marches d'un escalier (principe de l'amont). Au final, le barrage comportait dix marches et mesurait 86 mètres de haut. Lorsque la structure s'est rompue en janvier 2019, la rupture initiale s'est produite au deuxième niveau du barrage. En conséquence, les dix marches du barrage en terre se sont effondrées et, avec les résidus accumulés liquéfiés, se sont écoulés dans la vallée sous la forme d'une coulée de boue.

Déformation par fluage après le déclassement

Les travaux réalisés par l'équipe du professeur Alexander Puzrin montrent maintenant comment cela peut se produire. Selon les nouveaux résultats, des surfaces de glissement initiales étaient déjà apparues dans les résidus du barrage à la hauteur de la deuxième marche du barrage pendant la construction du barrage. Au fur et à mesure de l'avancement de la construction, ces surfaces de glissement ont augmenté en longueur mais sont restées trop courtes pour provoquer un effondrement. Cependant, après le démantèlement de la digue à stériles en 2016 - selon la modélisation de l'équipe de l'ETH Zurich - ces surfaces ont continué à s'étendre horizontalement et ont fini par atteindre une longueur critique. En conséquence, les couches de résidus ont commencé à se déplacer, provoquant la rupture de la digue sous leur poids et déclenchant la coulée de boue mortelle.

Selon le modèle, la cause de l'augmentation de la surface de glissement est connue sous le nom de déformation par reptation. Ces déformations dans les résidus fragiles à grain fin sont de minuscules déplacements qui s'accumulent lentement, causés par une distribution inégale de la pression entre les grains dans les dépôts sus-jacents. «D'autres facteurs tels que les précipitations et les forages peuvent accélérer la croissance de la surface de glissement», explique Alexander Puzrin, «mais notre modèle montre que la déformation par reptation suffit à elle seule pour que la surface de glissement atteigne l'étendue critique susceptible de déclencher la rupture du barrage».

Les résultats sont inquiétants à deux égards : la surface de glissement à l'origine de la catastrophe s'est apparemment développée à un moment où le bassin n'était plus chargé de nouveaux résidus, c'est-à-dire sans charge externe supplémentaire, et la croissance de la surface de glissement n'a pas entraîné de déformation externe significative du barrage que le système de surveillance aurait pu considérer comme alarmante.

Le modèle de l'ETH Zurich permet d'analyser les risques

Les digues à stériles pour le traitement des résidus de l'extraction du minerai de fer et d'autres roches minérales sont utilisées en grand nombre dans le monde entier. Chaque année depuis 2000, cinq à six cas de rupture ou d'endommagement de digues ont été enregistrés pour diverses raisons. Après la catastrophe de Brumadinho et d'autres accidents similaires, le Brésil a abandonné les bassins de décantation au profit de barrages basés sur le principe de l'amont. Cependant, l'étude de l'ETH Zurich montre aujourd'hui que le simple fait de ne plus charger un bassin avec de nouveaux résidus ne suffit pas à écarter le danger.

Les systèmes de surveillance conventionnels ne permettent pas encore de prévoir les ruptures de digues comme celle de Brumadinho. L'étude de l'ETH Zurich ouvre de nouvelles perspectives : «Notre modèle permet d'effectuer une analyse de risque pour les barrages existants et de prédire la probabilité d'une rupture de barrage», explique Alexander Puzrin. Si un risque élevé est identifié, il existe plusieurs plans d'action plausibles : Le risque peut être réduit en pompant l'eau des trous de forage dans les bassins de décantation. Il est également possible de démanteler la digue à stériles.. En cas d'urgence, les villages menacés peuvent être temporairement évacués pour protéger les habitantes et habitants jusqu'à ce que le danger soit écarté.

Contribuer à rendre les barrages en terre plus sûrs

Les conclusions de l'étude de l'ETH Zurich sont pertinentes pour tous les barrages de résidus destinés au traitement des résidus de l'exploitation minière. En effet, lorsque les résidus sont constitués de matériaux fragiles à grains fins, il peut se former, dans le pire des cas, des surfaces de glissement sur lesquelles les matériaux déposés peuvent glisser et endommager la digue.

La situation n'est pas directement comparable à celle des réservoirs où l'eau est retenue par une digue en terre. Toutefois, les nouvelles découvertes peuvent également contribuer à la sécurité dans ce cas, comme le souligne Alexander Puzrin : «Nos résultats indiquent comment améliorer encore la sécurité des barrages en terre en cas de tremblement de terre, qui peut générer une surface de glissement initiale. À cet égard, notre travail contribue à rendre les barrages plus sûrs en général.»