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The Importance of Pressurized Subglacial Water in Separation and Sliding at the Glacier Bed

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Robert Bindschadler*
Affiliation:
Oceans and Ice Branch, Code 912.1, NASA/Goddard Space Flight Center. Greenbelt, Maryland 20771, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The effect of pressurized subglacial water on the sliding process is examined by a parameter called the “bed separation index”. This index indicates the relative extent of cavity formation by combining the effects of variation of bed-normal stress across undulations (Kamb, 1970) and steady-state water pressure in a Röthlisberger conduit at the glacier bed. Data from three glaciers of widely varying size are used to test the correlation of the bed separation index with inferred sliding rates. For Columbia Glacier and Ice Stream B in West Antarctica it is shown that high water pressure enhances sliding. More complete data from the third test case. Variegated Glacier, are used to compare a number of possible formulations of a “sliding law”. A Weertman-type power law (exponent c. 3), modified for the effect of subglacial water pressure, appears to be most preferable. Other formulations, including the “lubrication factor” hypothesis used by Budd (1975) are tentatively rejected. Consideration of the temporal variations of the “bed separation index” indicate that, on short time scales of days and weeks, variations of water pressure can dominate the sliding process. A rapid order-of-magnitude increase in water discharge causes a hundredfold transient increase in the water pressure. A bi-modal hydraulic regime is revealed for water flow transverse to the direction of main ice flow. This behavior is in accord with the observation of a sudden acceleration of the ice due to increased sliding in early summer or following heavy rainstorms.

Résumé

Résumé

L’effet de l’eau sous-glaciaire sous pression sur le processus de glissement est examiné à partir d’un paramètre appelé «indice de décollement du lit». Cet indice exprime l’extension relative des cavités formées en combinant les effets de la variation des contraintes perpendiculaires au lit au passage des ondulations (Kamb, 1970) et de la pression d’eau à l’état d’équilibre dans le cheminement décrit par Röthlisberger le long du lit glaciaire. Les données provenant de trois glaciers de formes très variables ont servi à tester la liaison de l’indice de décollement du lit avec les vitesses de glissement qui en découlent. Pour le Columbia Glacier et le flux de glace B dans l’Ouest Antarctique on montre que les hautes pressions de l’eau favorisent le glissement. Des données plus abondantes, provenant du troisième glacier, le Variegated Glacier, permettent de comparer plusieurs formulations possibles d’une «loi de glissement». Une loi-puissance du type de Weertman (avec un exposant voisin de 3), modifiée pour tenir compte de l’effet de la pression des eaux sous-glaciaires, apparaît comme étant la meilleure. D’autres formulations, parmi lesquelles le «facteur de lubrification» introduit par Budd (1975) sont après essai rejetées. Des considérations sur les variations dans le temps de l’«indice de décollement du lit» montrent que, sur de courtes échelles de temps exprimées en jours ou en semaines les variations de la pression de l’eau peuvent dominer le processus de glissement. Un accroissement rapide de l’ordre de grandeur du débit liquide entraine un accroissement momentané 100 fois plus fort de la pression de l’eau. Un régime hydraulique à deux modes est mis en évidence pour l’écoulement d’eau transversalement à la direction principale du flux de glace. Ce comportement est en accord avec l’observation de l’accélération de la glace consécutif à un glissement accru au début de l’été ou après les grosses chutes de pluie.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Wirkung unter Druck stehenden, subglazialen Wassers auf den Gleitprozess wird mit Hilfe eines Parameters untersucht, der den Namen „Bettablösungsindex” erhält. Dieser Index beschreibt das relative Ausmass der Hohlraumbildung durch Kombination der Wirkungen von Veränderungen der Spannung senkrecht zum Untergrund über Unebenheiten (Kamb, 1970) und eines stationären Wasserdrucks in einem Röthlisberger-Kanal am Gletscherbett. Daten von drei Gletschern sehr verschiedener Grösse werden zur Bestimmung der Korrelation des Bettablösungsindex mit abgeleiteten Gleitraten herangezogen. Für den Columbia Glacier und den Eisstrom B in West-Antarktika lässt sich zeigen, dass hoher Wasserdruck das Gleiten verstärkt. Vollständige Daten vom dritten Testgletscher, dem Variegated Glacier, werden zum Vergleich einiger möglicher Formulierungen eines “Gleitgesetzes” benutzt. Ein Potenzgesetz vom Weertman-Typ (Exponent c. 3), modifiziert hinsichtlich der Wirkung des subglazialen Wasserdrucks, erweist sich als günstigstes. Andere Formulierungen, darunter die von Budd (1975) benutzte „Schmierungsfaktor”-Hypothese, werden versuchsweise abgelehnt. Eine Betrachtung der zeitlichen Änderungen des Bettablösungsindexes zeigt, dass in kurzen Zeitabschnitten von Tagen und Wochen die Änderungen des Wasserdrucks den Gleitprozess beherrschen können. Ein schnelles Anwachsen der Wasserzufuhr um eine Grössenordnung bewirkt vorübergehend eine hundertfache Zunahme des Wasserdruckes. Für den Wasserfluss quer zur Hauptrichtung des Eisstromes lässt sich ein bi-modules hydraulisches Verhalten feststellen. Daraus mag die Beschleunigung des Eises durch erhöhtes Gleiten, das im Frühsommer oder nach heftigen Regenfällen eintritt, zu erklären sein.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1983
Figure 0

Fig. 1. Longitudinal center-line profiles of Variegated Glacier: (a) surface and bed elevations (X’s mark seismic reflection measurements) and calculated hydraulic grade lines for winter (upper) and summer (lower); (b) mean stress 〈P〉 (Equation (2)) and effective normal stress Neff (Equation (3)), for summer and winter; (c) base shear stress τ (Equation (5)), bed separation index I (Equation (4)), and inferred average 1973 summer sliding speed Ub (Bindschadler and others, 1978). Distance is from head of glacier.

Figure 1

Fig. 2. Longitudinal center-line profiles of Columbia Glacier: surface, bed, and hydraulic grade-line elevations; effective normal stress, Neff (Equation (3)), base shear stress τ (Equation (5) using a ten-kilometer slope average); bed separation index I (Equation (4)), and seasonal velocity difference 1977–78, ΔU.

Figure 2

Fig. 3. Predicted hydraulic conditions over lower reach of Columbia Glacier for actual 1977–78 surface (solid lines) and for hygpothesized thicker snout with steeper terminus slope (dashed lines). In both cases bed has been smoothed (see Fig. 2).

Figure 3

Fig. 4. Predicted hydraulic conditions for Ice Stream B flowline. Solid-lined grade line and Neff apply to the case with irregular bed and higher water discharge (see text). Dashed lines are for the case with smoothed bed and higher water discharge. Dotted profile of Neff is for the case with smoothed bed but lower water discharge. Two cases for the exiting water pressure are shown: beyond 500 km, dashed or dotted lines apply to a 550 m column of water (the submarine ice depth at the grounding line) and the dot-dashed lines apply to a floating grounding line (where the water pressure equals a column of water 625 m high).

Figure 4

Table I. Examination of various two-parameter sliding “laws”

Figure 5

Fig. 5. Transverse variations of hydraulic grade line, effective normal stress, and bed separation index for a parabolic channel section. Different cases, represented by different types of lines, correspond to four different values of main channel pressure (at x =0). Profile of base shear stress τ is from Nye (1965). Note scale change at I = 0.1 in the lowermost plot.