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Rôle possible des Gaz à hautes températures

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M. DAUBRÉE

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7, rue des tir.iiuU-AïKjustins. 7

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EXTRAIT DU BULLETIN DE LA SOCIÉTÉ GÉOLOGIQUE DE FRANCE .T série, tome XIX, page 'iVi, séance du iR lévrier lS9t

RECHERCHES EXPÉRIMENTALES SUft LE .ROLE POSSIBLE DES GAZ A HAUTES TEMPftflATURES/.nflPJ-lS DE TRÈS FORTES PRESSIONS ET ANIMÉS D'UN MOUVEMENT FORT RAPIDE, DANS DIVERS PHÉNOMÈNES GÉOLOG^UpS. (1),

par H. DAUBRÉE.

INTHODUCTIOS

La puissance mécanique qui est en jeu dans les régions souterraines, pour déterminer les phénomènes externes des volcans, n'a pas encore été soumise ù des études directes et, à première vue, elle ne parait pas de nature à être abordée expérimeutalemeat. 11 n'est cependant pas impossible de réaliser des conditions qui, à l'échelle près, reproduisent quelques-unes de celles de ces laboratoires naturels, et il m'a paru qu'on pourrait avoir recours, dansée but, h l'énergique production de lorcc que développent les explosifs.

Procédé d'ejpérimenlotion.

Si je suis parvenu à réaliser le programme que j'avais en vue, c'est grdce à l'inépuisable obligeance de mon éniinent confrère à l'Académie des Sciences, M. Sarrau, et à celle, non moins grande, de M. Vieille, dont les importauts travaux ont été hautement appréciés. Avec ce précieux concours, j'ai pu trouver au Laboratoire central des Poudres et. Salpêtres des appareils et un personnel qu'il m'eût été impossilde de rencontrer ailleurs (2).

Nous avons eu recours à l'éprouvette manométrique, ordinairement employée pour les études relatives aux explosifs, mais spécialement modifiée par M. Vieille pour la circonstance. Le cylindre d'acier CC, (lig, 1) à parois très épaisses, dans lequel se produit l'explosion, est fermé à ses deux extrémités par deux tampons filetés, SS et TT également en acier. L'un de ces tam- [iiuis TT o>r riHiiit d'un di;-]ii.i>iii[ de mis,- à f^u, e't-st-à-dii'o d'un ùl tlo plaliiif que Fou fuit roii;^ir jjditr piillanitiier la cliai'ge. L'autre itfliupoii SS, qui est ordinairement destiné à recevoir le manomètre à érrnbemeni dan* an logement l'yliodriqiie, »été transformé pour

ll)Bltooireprn«>»«>Uu la «XRtfn (S lATritr IS».

%Jk nv lait luin* a» rieMlrdi- l<îiii«lgut- — ' hvm.

permettre de remplacer le maporaètVe-par la roche R en expérience. De plus, un orifice circpUi^'^Ë 10"™ de diamètre, a élé pratiqué au fond de ce logBju'uiV'afin que les gaz intérieure, au lieu de rester emprisonnes, Comme d'ordinaire, pussent s'i^cliapper; mais seulemeilt*âii*>ès avoir traversé la roche qui leur barrait le

Éprouvelte employée pour Hu li explosifs. Los gaz s't^b»p]wnl |inr le

passage. Cette roche, taillée sous ionnede cylindre, ^'iipi par une de ses bases, contre un lainpou fixe et, pai' I^kiIi la tôle d'un pisloo qui subit l'ellel de la pressiiui.

Deux obturateurs en cuivi'e, l-' et G, sont adiiptr; boucboD, l'autre sur la roche.

L'éprouvette a 64°^™ de diamètre intérieur sur 100°^°» de hauteur, et, par conséquent, une capacité de 304^^0.

Comme matière explosive, on a employé, tantôt du cotonpoudre, tantôt de la dynamite-gomme. Elle occupait ordinairement le dixième de la chambre; en d'autres termes, le chargement était à la densité de 0,1; la pression développée était alors de 1100 à 1700 atmosphères, selon Texplosif employé. La température est évaluée à 2500*^ pour le coton-poudre et à 3200' pour la dynamitegomme. Quant à la durée de l'explosion, elle est toujours très courte, de ru^vii à ,uo"61jo de seconde pour le coton-poudre et de TuVo de seconde pour la dynamite-gomme, que Ton qualifie comparativement, en langage technique, d'explosif lent.

Une petite casemate bien solidement établie et munie d'une cheminée, dans laquelle on produisait les explosions, préservait les opérateurs contre tout accident.

Dans une première série d'expériences, pour donner issue à travers la roche aux gaz intérieurs, une fissure très fine avait été pratiquée suivant un plan diamétral du cylindre.

Une seconde série d'expériences a concerné des cylindres portant, suivant leur axe, une très fine perforation, afin de concentrer plus sûrement l'action des gaz, dont un obturateur spécial empêchait la fuite dans des directions diverses.

Enfin d'autres expériences ont été faites sur des cylindres de roches diverses qui étaient tout à fait pleins ou continus.

Les substances sur lesquelles j'ai expérimenté sont le calcaire grossier de Marly-la-Ville, près Paris ; le calcaire siliceux très dur, faisant feu au briquet, de Chateau-Landon (Seine-et-Marne;; la marne de Pantin; le gypse saccharoïde d'Argenteuil ; l'ardoise d'Angers ; le granité de Vire, employé à la construction des trottoirs de Paris; le cristal de roche de Madagascar ; l'opale (ménilite) d'Argenteuil; le lignite; la limoniteoolithique; le basalte d'Auvergne; des laves de l'Etna, du Vésuve et de Volvic; le trachyle du Puy-de- Dôme ; une météorite du type le plus commun (Pultusk) ; puis, comme termes de comparaison, la pâte de creusets réfractaires, la porcelaine, le verre, le cristal, l'acier et la fonte (1).

Programme d^expérimentation.

Les différentes questions que j'ai abordées par le procédé qui vient d'être décrit concernent :

1° L'ouverture des cheminées verticales et cylindroïdes, dont est

(1) Je dois les cylindres de yerre el de cristal à M. Léon Appert, ceux d'acier et de fonte à M. Liébaut ; ceux de terre cuite et de porcelaine à M. Verneuil ; j'adresse à tous ces Messieurs Texpression de ma gratitude.

316 DAUBHÉE 16Fév.

perforée l'écorce terrestre en diUéreDles ré(i;ioDs, et spccinletnent, daas le pays diâmaatifëre de l'Afrique Australe, (!ii hi plupart des districts volcaniques et ailleurs encore.

2° Le concassernent des roches et particulièrement la |»ro<iuction des poussières, dont le rôle géologique est chaque jour reconnu plus étendu.

3° L'apparente plasticité des roches, sous l'inllueuce d'etlorts mécaniques, analogues à ceux dont nous avons d'innombrables exemples dans les masses constitutives des régions disloquées.

4° La sortie de masses rocheuses à travers les perioratious verticales de l'écorce terrestre.

PREMIÈRE PARTIE I.UMIËIIE FOUnNlE PAR L'EXPÉniENCG A L'HISTOIIIE DES niEJIINE

Les résultats qui vont être résumés concerurnl successivemftnt ; l'ouverture des cheminées diamantifères de l'Afrique du Sud ; celle des canaux volcaniques; celle enfin de percées qui ont fnuriii une issue à la sortie de beaucoup de rocbes éruptivi-^.

Production expérimentale, d'érosions et r/c prrl'oriiliinis.

Toutes les roches, même les plus tenaces, éprouvent des énisions.

PertoratioD produiledans un cjUndi'u <lc calcaire de Marty-lii-\illi , |>:i des gaz ; il a acquis dans uae de ses moitiés la slrucluri- 3cliiïU'i.iii . — i Daturelle,

plus OU moins profondes, et miVme de véritables perforations, de la part des explosions j^azeusos, en présence desquelles elles se trouvent, dans les conditions qui viennent d*ôtre décrites. Dans toutes les parties, en eflet, où les \j;nz excîrcent directement leur choc et leur frottement, ils brisent, désagrègent ou pulvérisent, puis arrachent diverses parties do la roche.

Ainsi, dans le calcaire grossier, il s'est produit, à plusieurs reprises, selon une cassure diamétrale très fine qui traversait les cylindres dans toute leur longueur, une perforation à peu près rectiligne et assez large pour qu'on puisse parfaitement voir le jour au travers. Dans Tun des cas dig. 2), sa section, du côté de la sortie, avait pour contour une courbe très allongée, ayant 13™°^ de longueur sur 6™™ de largeur. Une autre fois, Torihce de sortie était circulaire et de 6™"» de diamètre. I.es gaz s'étaient donc instantanément frayé une voie à travers le cylindre, ce qui, d'ailleurs, no les avait pas empêchés de s'écha|)per, en partie, sur sa périphérie qu'ils avaient fortement érodée.

Malgré son excessive ténacité, le granité lui-môme n'échappe aucunement à la puissance perforatrice des gaz. C'est ce que montre l'expérience suivante : Une rigole en zig-zag, de -^j- de millimètre environ de largeur et d'autant de profondeur, avait été creusée sur la section plane d'une des moitiés du cylindre (Fig. 3); celle-ci

Fig.îi

CyUndre do granile : érosion éncrf^iqiie produite par les gaz, suivant une fine rigolo praUquée dans un plan diumclral. — Grandeur naturello.

avait été appliquée contre la seconde moitié de ce cylindre, avec laquelle elle avait un contact à peu près parfait, les deux faces ayant

DAUBRÉB

16Fév.

été planées et polies avec soin. Or après l'explosion, non seulement le canal primitif s'est très notablement élargi, mais encore uq second canal (Fig. 4), juxtaposé au premier, a été ouvert instanta-

Érosion entièrement creusée par les gaz sur l'autre moitié du in«}me cvlimire d granité. Contre-parUe absolument symétrique de la rigole de la ligure !î.— (iiandeur naturelle.

nément par les gaz, qui, paraît-il, ne trouvaient pas une issue suffisante : ils y ont creusé une contre-partie symétri([ue. En outre, près de l'orifice de sortie, les gaz ont produit, comme ou le voit aussi sur la figure, un arrachement sous forme de calotte hémisphérique, qu'ils ont broyée et projetée au dehors de rapi)areil.

En vue de la difficulté à vaincre, dans cette dernière expérience, on avait cru devoir doubler la densité déchargement du colonpoudre et la porter à 0,2, ce qui coriespond à une jncssiun de 2,300 atmosphères et à une tempéi'ature de 2,600 dej^rés.

Mais les résultats qui suivent font i^ecouuaître que i\e^ jM-cssions aussi élevées sont loin d'être néeessaii'es pour perforer le i;r;inile.

Une trouée également très caractéristique a, en elLi, rté oliiciuie avec un chargement de coton-poudre, dans les condition^ de I:i plupart de nos expériences, c'est-à-dire à l;i densiié de o. 1, cl une pression d'environ ilOO»^™. Un cylindre de i;iMiiih'. (()ii|>r par un plan diamétral en deux parties, qui a\;iiriii ri. ^t i n < s l'une contre l'autre au moyen d'une ligature en cuivre, ikmImI mikî petite rigole (Fig. 5). Ce cylindre a été profondément e\<;!vé sur toute sa longueur, par un canal irrégulier, sï'panoni-^s.inl d.ms le

plan de séparation et qui, dans ce sens, a pénétré par deux ramifications {Fig. 6), jusqu'à la surfuce. L'eutrée (Fis- 7}, s'étend à peu

ïupé en deux tDoitîiis rfunlcs par un ni de cuivre, pour imis â l'actioD des naz. — Grandeur naturelle.

Perloration produite daoB le cylindre de granlle de la figure 5; v plan diamétral.— Grandeur naturelle.

MOme perlorallon, dans le granité; vue sur la (ace d'entrée, — Grandeur naturelle. Fig. 8.

Grandeur nnlurellf.

près sur tout le diamètre du cylindre et la sortie (Fig. K) se rétrécit en i^e partageant en trois ramifications distinctes, séparées jkir

Même pprioratkin dans le granité: viii; sur la lacedesorl

320 DAUBRÉE 16 Fév.

deux espèces de ponts. Le cylindre, qui pesait 27^'', 35, a perdu 6gr, 10. Un autre cylindre s*est réduit de 17gf,2 à 11,5.

Il peut être intéressant d'ajouter qu'un troisième cylindre de granité, soumis à la même épreuve, a donné des résultats tout à fait semblables à ceux qui viennent d'ùtre décrits.

En substituant aux cylindres précédents, dont la hauteur excédait notablement le diamètre, une rondelle ou cylindre de granité déprimé suivant son axe, on voit la forme de la perforation se modifier (Fig. 9).

Fig. 9.

no

Perforation produile dans une rondelle de granité. Vue Iraiisvi'r^al»- cl ww

longitudinale. — Grandeur naturelle.

lien est de même pour une rondelle taillée dans une inôtéorite de la chute de Pultusk.

Les gaz ont mordu non moins éuergiquemeiit sur nii cvlin<lre, également déprimé, de cristal de roche et pourvu, suivant son îixc, d'une très fine perforation (1); ils ont creuse à leur sortie un

Fig. 10.

Cylindre de cristal de roche perforé par les gaz. — (îrandour naliinllf,

cône régulier d'arrachement (Fig. 10) ayant à sa base un (liaiiiMir de 12°^«> et un angle au sommet d'environ 65«.

Lors même qu'une voie étroite, comme une fissure, ni |>;i- « (<■ préparée pour diriger et localiser leur action, les ga/. eux m. ims

(1) On a eu soin de faire coïncider Taxe optique avec Taxe du cylimli r.

peuvent s'ouvrir un canal de fuite, à travers la roche, dont la ténacité paraissait devoir leur barrer le passage.

C'est ce qui a été constaté sur des roches diverses, gypse, calcaire, granité, laves de TEtna et du Vésuve, niéléorite, qu'on avait taillées sous forme de cylindre, moins épais que dans le premier cas. Les gaz, par leur choc, ont brisé ces cylindres et se sont élancés, en arrachant les débris, perçant ainsi, comme à Temporte-pièce, des canaux qui débordent même parfois sur l'ouverture de l'obturateur, appui de la roche.

Dans quelques cas, la roche a été assez tenace pour ne pas être entièrement perforée dans les conditions où on l'avait soumise. Tel a été le cas pour un leucitophyre du la Somma, dans lequel l'excavation s'est étendue en largeur sans traverser entièrement le cylindre. Le basalte s'est montré plus résistant encore.

Quant au granité, la facilité avec laquelle il est perforé paraît se rattacher à sa texture granulaire.

Pour les cylindres d'acier et de fonte, et contrairement à ce qu'on aurait pu supposer, les érosions n'ont pas été aussi fortes que pour le granité et les autres roches pierreuses. Ce fait est peutêtre en relation avec les grandes conductibilités de ces métaux, qui soutirent la chaleur beaucoup plus rapidement que les substances lithoïdes.

Une fissure n'est donc pas nécessaire pour localiser l'action mécanique des gaz explosifs. Lorsque la roche est pleine, les moindres différences d'épaisseur ou de résistance suffisent pour déterminer instantanément les points d'attaque. C'est, par exemple, ce que montre une lave de l'Etna, taillée sous la forme d'une rondelle cylindrique de 10 millimètres d'épaisseur. Sur la base qui devait recevoir le choc des gaz, on avait tracé deux lignes, dirigées suivant deux diamètres rectangulaires entre eux et ayant à peine 0,™™3 de profondeur. L'une de ces deux lignes a provoqué une sélection, et la perforation d'une crevasse très allongée suivant l'un des deux diamètres qui s'étendait à peu près sur toute son étendue.

Production expérimentale de stries de frottement.

Quand les gaz, au lieu de concentrer leur action en forant un canal, se déversent suivant des surfaces étendues, leurs effets érosifs se traduisent d'ordinaire par des stries, des sillons et des cannelures qu'ils creusent énergiquement sur ces surfaces. Ces stries sont tantiH rectilignes et parallèles, tantôt s'écartent en éventail, tantôt s'infléchissent avec une légère courbure, de manière à représenter

DAUBHliE

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graphiquement et d'une maaiëre durable, les mouvements des gaz qui leur ont donné uaissaace. Ou en voit ici un exemple pour le gypse (fig. 11 et 12).

Fig. 11.

e cassure perpeDdicuIaire

mm^

ulÈMs

Par analogie avec ce que nous voyons d'nnlinîiiri>, i d'abord penser que les gaz gravent ainsi les roches, à l'aiil cules solides qu'ils leur arrachent et dont ils se snvcnl burins.

Mais un examen plus complet monln; (junii iiil solide ne leur est pas indispensable. Kn eflet, c'est 'n arrivée sur la roche qu'ils l'entament, pour y produin; dfs ; cannelures. Ainsi, pour un cyliudre siliceux assez (luifeu au briquet et qui était coupé en ijuatre secteurs n'i-i (Fig. 13), chacune des liuit arOlos encadrant l'orilii-e m croix, par laquelle les ga?. se précipitaient, a été forii'iiii>]i émoussée, striée très nettement et eanneléi', dans le smcourant gazeux ; puis, à partir de ces arêtes d'entrée, il huit faces, en forme de rectangle allongé, a été rayée si

I pouvait (les parli- «niine de

■nirdiaire ^iln\ U;,r

189i RÔLE GÉOLOGIQUE POSSIBLE DES GAZ À HAUTE PRESSION 323

longueur par des stries très nettes (fig. 14), les unes reclilignes, d'autres infléchies, qui s'étendent sur toute Ici longueur, mais en s'atténnaûl graduellement. Du côté de l'orifice de sortie, les arôtes sont restées vives.

Fig. 13.

Cylindre de calcaire siliceux coupé ei d« sca bases, qui sert de lace d'entrée a et caonelée. — Grandeur naturelle

quatre eecleure et représenté suivant c^Ie X gai ' chacune dea arêtes a été ébrèchée

lin

Stries produites par 1m gaz, dans l^ mi^me cylindre de calcaire silic«ux, sur l'une dea buit faces longitudinales des secteurs; les sept autres se présentent dans un état Identique. — Grandeur oalui-elle.

A leur arrivée sur chaque arôte, les gaz agissent non seulement par frottement, mais encore et surtout par choc.

D'après ces eflels, il parait aussi qu'au point de vue du Irottemcnt, les fluides se coinpoitenl autrement que les solides et que leur vitesse intervient d'une manière extrômement énerçique.

DADBRÉE

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Dans les discussions auxquelles l'origine des stries produites sur de Vcisles étendues de roches, pendiint la période quaternaire, a donné lieu autrefois, on avait cm devoir admettre que les corps solides seuls avaient pu exercer une pression elficace; or, nous voyous que des gaz sont capables de donner lieu à ce même résultat.

La surface des diamants uoirs, de la variété cnrhonndo, présente souvent des stries parallèles très remarquables, qui peuvent avoir été produites par leur frottement mutuel, ainsi que je l'ai montré par l'expérience (1). Nous voyous cependant qu'il y a une autre origine possible pour ces stries, ainsi que pour celles qui sont burinées dans les parois des diatrèmes diamantifères de l'Afrique du Sud.

Il n'est pas besoin de vitesses aussi grandes que celles qui sont mises en jeu, au moyen des explosifs, pour produire des érosions considérables : avec l'aide du temps, des gaz toiictiouuant dans des conditions incomparablement moins excepliouiielles parvienneut à des résultats qui méritent d'être pris r-galciuent en cousidéralion par le géologue. Les détériorations que subissant accidentellement certaines pièces de machines k vapeur eu ofirent des preuves.

Par exemple, dans les chaudières, des fuites raiimif^ inuc les tôles coupent quelquefois la tûle sur toute son l'-pais^i'uj'. Li; linuize le pins sain n'échappe pas à cette action ]ii<'v'anji[uf. Deux papillons on bronze, placés sur un tuyau d'écoulrnieut de v;iiicur

Fig. 15.

Clapet (te bronze préaenlanl des cro^ii par la rapeiir d'eau ; élévatioi

(I) Comptes Rendus, l. LXXXIV. p.lïTT, 1877 ;

à 7atm de pression, ont été cannelés et striés profondément, dans des parties voisines de Taxe, où la vapeur éprouvait de la difficulté à s'écouler ; ce sont des coupures comparables à des coups de lime ou des traits de scie.

Un clapet (Fig. 15), placé aussi sur une canalisation de vapeur à 7»^™ de pression, a été également attaqué dans tous les points où la forme de la pièce dirigeait de préférence le courant gazeux. Tels sont : i^ les trois angles rentrants formés sur le corps plat du clapet par les arêtes qui servaient de guidage ; 2® Textrémité des ailettes, sur la circonférence du clapet, en trois régions où la vapeur était dirigée par les trois paires d'angles dièdres rentrants dont on vient de parler et qui ont été coupés au vif, comme à la scie ; 3<> la douille destinée à recevoir la tige de manœuvre du clapet, montre des érosions plus singulières encore : en face des entailles découpées par la vapeur, dans le siège conique et dans le même alignement, cette vapeur, s'est ouvert trois issues qui ont pénétré jusqu'à l'intérieur de la douille; 4^ le siège conique présente, suivant les génératrices du cône, des séries de cannelures si nombreuses, qu'elles rappellent l'aspect d'un cône de papier qu'on aurait plissé.

Il importe de remarquer que, sur toutes ces entailles, le métal a acquis, par l'influence du frottement, le môme poli que lui donnerait un émeri fin, et auquel est évidemment étrangère toute action chimique.