Rupture de la digue de Brumadinho : le danger est venu après le déclassement

La catastrophe non loin de la petite ville de Brumadinho, dans le sud-est du Brésil, s'est produite peu après midi : le 25 janvier 2019, la digue d'un bassin de décantation dans lequel étaient stockés des résidus boueux et à grains fins issus du traitement du minerai ('tailings') a cédé dans une mine de fer. Une énorme avalanche d'environ dix millions de mètres cubes de boue a inondé le site de la mine, détruit les habitations voisines et emporté un pont ferroviaire. Au moins 270 personnes ont trouvé la mort. L'écosystème du fleuve Paraopeba en aval de la mine a été ruiné. Bien que le barrage ait été surveillé par un système de monitoring, personne n'avait prévu la catastrophe.

La rupture du barrage de Brumadinho a entraîné plusieurs procès contre la société minière Vale et l'organisme de contrôle TÜV Süd. Ce dernier avait certifié que le barrage était encore suffisamment solide peu avant l'accident. Vale a été condamnée à payer des dommages et intérêts d'un montant équivalent à six milliards d'euros. Une commission d'enquête a supposé que des déplacements microscopiques lents (appelés fluage) dans les couches de résidus déposées étaient à l'origine de l'accident, mais n'a pas pu étayer cette hypothèse par un mécanisme physique crédible. Il n'a notamment pas été possible de savoir pourquoi la digue s'est rompue précisément en 2019, c'est-à-dire trois ans seulement après que le bassin de décantation a été chargé pour la dernière fois de nouveaux résidus, et pourquoi aucun déplacement significatif n'a été constaté avant la rupture de la digue.

Mécanisme physique élucidé

Une étude du professeur Alexander Puzrin, directeur de l'Institut de géotechnique de l'ETH Zurich et expert en modélisation des glissements de terrain, apporte désormais des éclaircissements sur la catastrophe de Brumadinho. Le travail paraît dans la revue spécialisée page externeCommunications de la Terre et de l'Environnement. Les scientifiques impliqués ont étudié les causes de la rupture de la digue à l'aide d'un modèle et ont ainsi identifié un mécanisme physique expliquant l'accident minier.

Le bassin de décantation des résidus avait été construit à partir de 1976. Comme il est d'usage dans l'extraction de minerai, la digue en terre du bassin a été surélevée de quelques mètres à plusieurs reprises au cours des années suivantes afin de créer de l'espace supplémentaire pour le stockage des résidus de traitement. Pour ce faire, les gradins ont été placés les uns sur les autres, comme les marches d'un escalier (principe de l'amont). En dernier lieu, le barrage comportait dix marches et mesurait 86 mètres de haut. Lorsque l'ouvrage a cédé en janvier 2019, cela s'est d'abord produit à la hauteur de la deuxième marche du barrage. Par la suite, les dix niveaux de la digue en terre se sont effondrés et ont roulé dans la vallée sous forme de coulée de boue avec les résidus accumulés.

Déformations par fluage après le déclassement

Le travail de l'équipe d'Alexander Puzrin montre maintenant comment on en est arrivé là. Selon les nouvelles connaissances, quelques surfaces de glissement se sont formées dans les résidus accumulés dès la construction du barrage à la hauteur de la deuxième étape de la digue. Pendant des décennies, celles-ci n'ont eu qu'une ampleur limitée et sont restées discrètes. Mais après la fermeture du bassin de décantation en 2016 - comme le suggèrent les modélisations de l'équipe de l'ETH - les surfaces de glissement se sont étendues horizontalement et ont fini par atteindre une extension critique. Par la suite, les couches de résidus se sont mises en mouvement, ont fait éclater le barrage sous leur poids et ont provoqué la coulée de boue mortelle.

Selon le modèle, la croissance de la surface de glissement est due à ce que l'on appelle des déformations par fluage. Il s'agit de minuscules et lents déplacements de la terre dans les résidus friables à grain fin, provoqués par la répartition inégale de la pression dans les dépôts qui les recouvrent. "D'autres déclencheurs comme les pluies et les forages peuvent certes accélérer la croissance de la surface de glissement", explique Puzrin, "mais notre modèle montre que les déformations par fluage suffisent à elles seules pour que la surface de glissement atteigne l'extension critique pour une rupture de barrage".

Le constat est doublement inquiétant : la surface de glissement à l'origine de la catastrophe s'est apparemment formée à un moment où le bassin de décantation n'était plus chargé de nouveaux résidus, donc sans charge extérieure supplémentaire. De plus, la croissance de la surface de glissement n'a pas entraîné de déformation extérieure nette de la digue que le système de surveillance aurait pu détecter.

Le modèle de l'ETH permet une analyse des risques

Les bassins de décantation pour les résidus de traitement issus de l'extraction de minerai de fer et d'autres roches minérales sont utilisés en grand nombre dans le monde entier. Depuis 2000, on a enregistré chaque année cinq à six cas où des barrages ont été endommagés ou ont cédé pour diverses raisons. Après la catastrophe de Brumadinho et d'autres accidents similaires, le Brésil a fermé les bassins de décantation équipés de barrages selon le principe de l'amont. L'étude de l'ETH montre toutefois aujourd'hui que le danger n'est en aucun cas écarté lorsqu'un bassin de décantation n'est plus chargé de nouveaux résidus.

Jusqu'à présent, les systèmes de surveillance classiques ne permettaient pas de prévoir les ruptures de barrage comme celle de Brumadinho. L'étude de l'ETH crée désormais de nouvelles possibilités dans ce domaine : "Notre modèle peut effectuer une analyse des risques pour les barrages existants et prédire la probabilité d'une rupture de barrage", explique Puzrin. Si un risque élevé est constaté, différentes mesures sont envisageables : Le risque peut être réduit en pompant l'eau des forages dans des bassins de décantation. Ou alors, le bassin de décantation est démantelé. En cas d'urgence, les villages menacés peuvent être évacués temporairement pour protéger la population jusqu'à ce que le danger soit écarté.

Contribution à la sécurité des barrages en terre

Les conclusions de l'étude de l'ETH sont pertinentes pour tous les bassins de décantation des résidus de traitement issus de l'extraction du minerai. En effet, chaque fois que les résidus sont constitués d'un matériau à grain fin et cassant, il peut se former, dans le pire des cas, des surfaces de glissement par lesquelles le matériau déposé peut glisser et endommager le barrage.

La situation n'est pas directement comparable dans le cas des lacs de barrage, où une digue en terre retient l'eau. Toutefois, les nouvelles connaissances peuvent là aussi contribuer à la sécurité, comme le constate Alexander Puzrin : "Nos connaissances donnent des indications sur la manière d'améliorer encore la sécurité des barrages en terre en cas de séisme. En ce sens, notre travail contribue à la sécurité générale des barrages".