Les explosions : une physique qui fait de l'effet

La détonation d’une masse explosive dans le milieu gazeux atmosphérique donne lieu à la propagation d’une onde de pression, provenant de la détente brutale des gaz accélérés à une vitesse de l’ordre de 2 à 10 km/s.

Elle se déplace dans toutes les directions en sphères concentriques centrées sur le point d’explosion.

Une partie de l’énergie, l’onde de surpression statique ou onde de Friedlander (onde de choc) sert à briser la surface de contact ou l’enveloppe du conteneur et à projeter les fragments et l’autre partie constitue l’onde de pression dynamique (souffle). Cette onde se propage dans l’air, l’eau et le sol en zones concentriques d’abord à vitesse supersonique, puis s’amortit progressivement :

     - Une phase positive de très forte amplitude et de courte durée (1 à 5 ms)

     - Une phase négative (ou de succion) due à la détente rapide des gaz de faible amplitude et de durée plus longue (5 à 10 fois plus)

La vitesse de propagation de l’onde de choc dépend du milieu environnant. Dans l’eau, milieu 800 fois plus dense, elle est 4 fois plus élevée et l’amortissement y est beaucoup plus faible.

L’onde de choc s’atténue avec la distance en fonction des degrés de confinement. Cette atténuation est très rapide en propagation sphérique (milieu ouvert, 3 dimensions), moins rapide en propagation radiale (pièce d’une habitation, 2 dimensions) et très limitée en propagation axiale (tunnel étroit, 1 dimension).

Quels sont les effets physiques d'une explosion ?

     - Onde de choc avec effet de brisance et poly-fragmentation

     - Cratérisation

     - Souffle et destruction à distance

     - Projection de fragments/éclats à distance ainsi que débris incendiaires

     - Flux thermique avec boule de feu générateur d’incendies

     - Effets dominos avec amorçage d’autres substances explosives et/ou incendiaires

Ces effets physiques vont laisser des stigmates sur la zone de l’explosion : cratère, poly-fragmentation, poly-criblage, destruction/dégradation structurale, environnementale, zone de combustion, bris de vitre…

Ces effets sont notamment pris en compte dans l’étude de sécurité des établissements pyrotechniques dans lesquels des seuils de dégâts sur l’homme et sur les structures ont été définis par des arrêtés.

La surpression (dP) de l’onde de pression générée par l’explosion est le différentiel entre la pression maximale atteinte et la pression atmosphérique locale. La vitesse maximale de montée en pression (dP/dt max) qui correspond au temps mis pour passer d'une pression donnée à une pression maximale donne une idée de la puissance atteinte par l'explosion. En milieu atmosphérique, on passe de la pression d'une atmosphère soit environ 1.013 bar à un niveau de pression supérieure en un intervalle de temps très court (dt de l’ordre de la milliseconde).

Faisons détoner 50 g d’explosif plastique à 1 m du sol et mesurons la surpression à l’aide d’un capteur situé à 0,5 m du sol et à 2.5 m de la charge :

Évolution de la pression (bar) en fonction du temps (ms) :

La montée en pression d’environ 500 mbars se fait en un temps très court (inférieur à 1ms) et est suivie d’une dépression de faible amplitude caractéristique d’un blast généré par un explosif.

Effets sur les personnes

Maintenant que nous avons vu l’anatomie des explosions, intéressons nous au corps humain. De nature accidentelle ou terroriste, l’explosion reste un des mécanismes physico-chimiques les plus vulnérants pour le corps humain. Les lésions par explosion sont classées en lésions primaires (liées à l’onde de choc), liaisons secondaires (liées à la projection de débris sur la victime) et liaisons tertiaires (liées à la projection de la victime elle-même par l’effet de souffle) comme illustré sur la figure ci-dessous.

Relation de cause à effets

Pour permettre une estimation des effets engendrés par l’emploi d’un explosif et/ou évaluer les quantités utilisées, les experts de l’unité d’expertise explosifs de l’IRCGN ont développé le logiciel E³ (Evaluation des Effets des Explosifs) pour intégrer les nombreux indices laissés par la génération de l’explosion.

Dans une démarche criminalistique, il permet d’évaluer la quantité d’explosif utilisée en fonction des dégâts constatés.

Effets → Masse/Énergie.

Dans une démarche sécuritaire, il permet d’évaluer les dégâts prévisibles susceptibles d’être créés par une quantité d’explosif donnée.

Masse/Énergie → Effets

Les indices jouent aux indics

Les principaux indices utilisés pour l’évaluation des quantités d’explosifs utilisés, s’ils existent, sont les données caractéristiques dimensionnelles du conteneur, du cratère, des dégâts sur les structures et êtres humains ainsi que celles de la boule de feu.

Évaluation à partir du conteneur

Les données caractéristiques dimensionnelles constatées sur le(s) conteneur(s) enregistrées dans le logiciel E³  permettent également d’estimer la quantité maximale d’explosif utilisable.

Évaluation à partir des dégâts observés

Suivant la nature des matériaux détruits ou dégradés (murs, vitres, charpente, briques) et de la distance qui les séparent de l’épicentre de l’explosion, un niveau de surpression nécessaire à la réalisation de ces dommages est calculé. Plusieurs modèles mathématiques sont utilisés pour évaluer la masse d’explosif, les surpressions engendrées différent en fonction du positionnement initial de la charge : enterrée, à la surface du sol...

Évaluation à partir du cratère

Les effets de cratérisation générés à la surface du sol par un événement explosif font partis des stigmates revêtant un intérêt particulier dans le traitement forensique d’une scène d’explosion. Dans le cas de destructions et d’effondrements de bâtiments, l’utilisation d’engins de déblaiement peut être nécessaire à sa mise en évidence.

De nombreuses variables influent sur la profondeur et la taille du cratère comme la nature du sol et le positionnement de la charge par rapport au sol.

Les données caractéristiques dimensionnelles constatées sur le cratère sont enregistrées dans le logiciel E³. Ces données, à partir de différents modèles d’évaluation permettent également d’estimer la quantité d’explosif utilisée.

Évaluation à partir de la boule de feu

Les études des boules de feu générées lors de l’explosion de nombreux produits chimiques dont les hydrocarbures et les explosifs solides ont conduit à l’établissement de relations de proportionnalités entre le diamètre de la boule de feu apparente et la quantité d’explosif utilisée.

Les données caractéristiques dimensionnelles constatées sur la boule de feu et entrées dans le logiciel E³ permettent également d’estimer la quantité d’explosif utilisée.

Pour conclure...

La détonation d’un explosif en milieu atmosphérique engendre de nombreux effets mécaniques et thermiques qui sont autant d’indices exploitables et utilisables par l’expert au service de la justice.

Les modèles utilisés dans les logiciels d’aide à l’évaluation doivent être interprétés avec circonspection puisqu’ils ne peuvent pas prendre en compte tous les phénomènes physiques très complexes mis en jeu lors d’une explosion. En effet, les phénomènes de réflexions (semblables à ceux rencontrés en optique géométrique, mise à part que l’angle incident et réfléchis ne sont pas nécessairement égaux) en milieu confiné non évoqués ici complexifient significativement les investigations forensiques post-explosion.

Sources

1 : I. Sochet, D. Gardebas, S. Calderara, Y. Marchal, B. Longuet – Blast wave parameters for spherical explosives detonation in free air

2 : S. Eveillard – Propagation d’une onde de choc en présence d’une barrière de protection – Thèse -p5-21

3 : Gilbert F. Kinney, Kenneth J. Graham – Explosive shocks in air, Springer-verlag Ed., 1962

4 : Arrêté du 20 avril 2007 fixant les règles relatives à l'évaluation des risques et à la prévention des accidents dans les établissements pyrotechniques – Art. 11

5 : Arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation – Annexe 2

6 : L. Herguer – Le blasté polycriblé – Urgences 2012 - Chapitre 107

7 : B. Debien, T. Leclerc, P. Clapson, J-P. Perez, B. Lenoir, B. Pats – Lésions par explosions - 2006