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Radio Echo-Sounding Studies of Englacial Water Movement in Variegated Glacier, Alaska

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Robert Jacobel
Affiliation:
Geophysics Program AK–50, University of Washington, Seattle, Washington 98115, U.S.A.
Charles Raymond
Affiliation:
Geophysics Program AK–50, University of Washington, Seattle, Washington 98115, U.S.A.
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Abstract

Radio-echo returns from internal reflectors were monitored for three weeks during surge motion on Variegated Glacier, Alaska in July 1982. A monopulse transmitter with 3 MHz center frequency was fixed on the glacier surface near the equilibrium line. Data were recorded on magnetic tape approximately three times daily and contain both amplitude and phase information. The frequency spectrum of returned radiation from englacial scatterers shows peaks in the 12 to 30 MHz range which places constraints on the size and geometry of the scatterers. Timing of variations in the amplitude and frequency of returned radiation were found to coincide with changes in glacier velocity, basal water pressure, and surface melt rate. These changes in the echo pattern are interpreted in terms of the redistribution of water in englacial channels and cavities connected to the bed some distance down-glacier. This connection has large hydraulic resistance compared to a bore hole connected vertically to the bed. The inflow of water to the cavities from surface melt and rain and the drainage are generally in equilibrium except in times of changed surface input and during surge pulses. In the latter case, water may fill these cavities due to increased pressure at the bed associated with the motion pulse. The information obtained is therefore complementary to bore-hole water pressure levels but cannot duplicate it. This is apparently due to fundamental differences in the hydraulics of the natural cavity and conduit system, and a bore hole connected vertically to the bed.

Résumé

Résumé

Les retours des échos radio des réflecteurs internes ont été suivis pendant trois semaines durant le mouvement de surge sur le Variegated Glacier, Alaska, en juillet 1982. Un émetteur mono impulsion, centré sur la fréquence de 3 MHz, était en station sur la surface du glacier près de la ligne d’équilibre. Les données ont été enregistrées sur des bandes magnétiques environ trois fois par jour et contiennent à la fois les informations d’amplitude et de phase. Le spectre de fréquence des vibrations renvoyées par les discontinuités intraglaciaires montrent des pics dans le domaine des 12 à 30 MHz ce qui délimite la taille et la géométrie des discontinuités. La distribution des variations dans le temps des amplitudes et fréquences pour les vibrations en retour a été trouvée en coïncidence avec les changements de la vitesse du glacier, de la pression de l’eau à la base et de la vitesse de fonte en surface. Ces changements dans la forme de l’écho sont interprétés en terme de redistribution de l’eau dans les canaux glaciaires et les cavités reliées au lit à quelque distance à l’aval. Cette connection possède une résistance hydraulique quand on la compare à un trou de forage relié verticalement au lit. L’apport d’eau aux cavités à partir de la fonte en surface et de la pluie est généralement équilibré par le drainage, sauf aux moments où l’arrivée depuis la surface change et pendant les impulsions de surge. Dans ce dernier cas, l’eau peut remplir ces cavités à cause de la pression accrue sur le lit par suite des à-coups de mouvement. L’information obtenue est cependant complémentaire de celle de la pression d’eau dans le trou de forage, mais elle ne peut la remplacer. Ceci est évidemment dû à la différence fundamentale en hydraulique entre la cavité naturelle et le système de conduit, et un trou de forage connecté verticalement au lit.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Im Juli 1982 wurden Radar-Echos von inneren Reflexionsquellen drei Wochen lang während Ausbruchs-bewegungen am Variegated Glacier in Alaska aufgezeichnet. Ein Monoimpuls-Sender mit 3 MHz Zentralfrequenz war an der Gletscheroberfläche nahe der Gleichgewichtslinie aufgestellt. Die Daten wurden etwa dreimal am Tag auf Magnetband registriert; sie enthalten Informationen sowohl über die Amplitude wie über die Phase. Das Frequenzspektrum der von inraglazialen Streuquellen reflektierten Strahlung zeigt Maxima im 12–30 MHz-Bereich, was Rückschlüsse auf Grösse und Geometrie der Streuquellen zulässt. Für das Auftreten von Schwankungen in der Amplitude und Frequenz der reflektierten Strahlung ergaben sich Übereinstimmungen mit Änderungen der Gletschergeschwindigkeit, des Wasserdrucks am Untergrund und der Schmelzrate an der Oberfläche. Diese Änderungen im Echoverlauf wurden als Folge der Umverteilung von Wasser in intraglazialen Kanälen und Hohlräumen, die mit dem Gletscherbett in einiger Entfernung gletscherabwärts in Verbindung stehen, gedeutet. Diese Verbindung weist im Vergleich zu einem vertikal zum Untergrund führenden Bohrloch höheren hydraulischen Widerstand auf. Der Zufluss von Wasser in die Hohlräume aus Schmelze und Regen von der Oberfläche steht im allgemeinen mit dem Abfluss im Gleichgewicht, nicht jedoch zu Zeiten wechselnden Zustroms von oben und während Ausbruchsimpulsen. Im letzteren Fall dürfte Wasser diese Hohlräume infolge der damit verbundenen Druckerhöhung am Untergrund füllen. Die gewonnene Information ähnelt daher der aus der Höhe des Wasserdrucks in Bohrlöchern, ist ihr jedoch nicht gleichzusetzen. Der Grund dafür liegt in den fundamentalen Unterscheiden zwischen den hydraulischen Verhältnissen des natürlichen Hohlraum- und Wasserführungssystems und einem senkrecht zum Gletscherbett führenden Bohrloch.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1. Block diagram of the radio echo-sounding apparatus and data acquisition system.

Figure 1

Fig. 2. (a) Amplitude-versus-time echo waveform on 7 July (109 h) showing strong in-phase returns (“ringing”) in the first microsecond.(b) Frequency spectrum of the same waveform showing strong peaking of the returned energy at 16 MHz, characteristic of the size of the echo source.

Figure 2

(a) Amplitude-versus-time waveform on 5 July (68 h). Beats can be seen due to echoes from two nearby sources.

Figure 3

(b) Amplitude-versus-time waveform on 8 July (140 h) showing the strongest returns recorded and a shift in the onset of in-phase returns to greater time/distance.

Figure 4

(c) Amplitude-versus-time waveform on 10 July (178 h) after the surge pulse. Amplitude has decreased, and in-phase returns have shifted to higher frequencies.

Figure 5

(d) Frequency spectrum of the waveform in (a) indicating that energy is returned primarily at two frequencies, 14 and 17 MHz.

Figure 6

(e) Frequency spectrum of waveform in (b) indicating energy is being returned from a source with different frequency/size characteristics than the prominent one seen in Figure 2b.

Figure 7

(f) (f) Frequency spectrum of the waveform in (c). Energy is broadly distributed from 10 to 35 MHz with proportionally more at higher frequencies than seen at any time previously.

Figure 8

Fig. 3. Representative amplitude-versus-time echo waveforms and corresponding frequency spectra from 5 to 10 July showing changes which occurred during a surge pulse on 8 July.

Figure 9

Fig. 4. Radio-echo time profile from 3 through 19 July showing changes in the echo sources due to the movement of englacial water. Ordinate scale is distance to the echo source. Up-pointing arrows represent a high-amplitude positive phase in the echo return; down-pointing arrows represent a strong negative phase. Each column is derived from an amplitude-time series like those in Figures 2 and 3. Note that data were taken on 5 and 11 July when echo amplitudes were generally below the cut threshold.

Figure 10

Fig. 5. Variation in water pressure at the bed as measured by water levels in a CIT bore hole (personal communication from W.B. Kamb and H. Engelhardt) superimposed on the radio-echo-time profile. Ordinate scale indicates both depth to the bore-hole water-level, and distance to the echo source as in Figure 4. Amplitude of the echo returns is indicated by the size of the plotting symbol. Arrows at the top of the figure show the dates of surge pulses. Minimum observable echo return distance is 30 m.

Figure 11

Table I. Summary of Radio-Echo Return Variations, Velocity, And Bore-Hole Water-Level Changes

Figure 12

Fig. 6. Glacier longitudinal section showing piezo-metric water-levels in a natural channel connected down-glacier (pecked line), and in a bore hole connected to the basal water system. The figure indicates how variations in water-level as seen with a radio echo-sounder may not be the same as those obtained in a bore hole measuring basal water pressure.