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Transfer of Basal Sliding Variations to the Surface of a Linearly Viscous Glacier

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Michael J. Balise
Affiliation:
Geophysics Program, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
Charles F. Raymond
Affiliation:
Geophysics Program, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A.
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Abstract

The transfer of basal velocity anomalies to the surface of a glacier is investigated using a model of a planar parallel-sided slab (thickness H) of linear viscous rheology. Surface velocity parallel (u s) and normal (v s) to the surface is calculated for various spatial distributions of basal velocity anomalies with components parallel (u b) and normal (v b) to the surface. Four scales of differing behavior can be identified depending on the spatial length L of the basal anomalies. At very short scales (L ≤ 1H) there is essentially no response at the surface. At short scales (1HL ≤ 5H), a basal anomaly u b induces a response in both u s and v s. The spatial pattern of u s is such that velocity peaks in u s can be shifted from peaks in u b, and may differ in number. The amplitude of u s is up to about 0.3|u b|. The amplitude of the cross-component effect v s may be greater than the amplitude of u s. A basal anomaly v b induces a response in both v s and us. The pattern of v s is the same as the pattern of v b, and the amplitude of v s is up to about 0.7 |v b|. The amplitude of the cross-component effect u s is less than the amplitude of v s. At intermediate scales (5HL ≤ 10H), results differ from the short scale in two respects; velocity peaks in u s correspond with peaks in u b; and surface amplitudes are increased, except for cross-component effects for which surface amplitudes are of the same order as at the short scale. These cross-component effects at the short and intermediate scales show in particular that substantial anomalous surface-normal motions can be induced by deformation, even though the basal velocity anomaly is parallel to the surface. At long scales (10HL), the velocity anomaly at the surface is essentially the same as the anomaly at the bed. For all scales, the longitudinal strain-rate averaged over depth is larger in magnitude than the longitudinal strain-rate at the surface and, at the short scale, it may differ in sign, so that v s cannot be easily estimated from surface strain-rate. Although the simplifications of the model do not allow its rigorous quantitative application to field measurements, the results indicate the need for caution in interpreting surface-velocity variations in terms of basal velocity anomalies. It is important to establish the spatial pattern of surface motions for any chance of a confident interpretation in terms of basal motions.

Résumé

Résumé

On étudie, pour une plaque à faces parallèles d’épaisseur H et de viscosité linéaire, l’effet en surface des fluctuations de la vitesse de dérapage. Les composantes de la vitesse superficielle parallèle (u s) et perpendiculaire (v s) à la surface sont calculées pour différentes distributions des anomalies de vitesses basales (composantes u b et v b). Suivant la longueur L des anomalies de vitesse basale on peut distinguer 4 échelles correpondant à des comportements différents. A très petite échelle (LH) il n’y a pas d’influence en surface. A petite échelle (1HL ≤ 5H) une anomalie de u b produit une anomalie à la fois sur u s et sur v s. Les maxima de u s peuvent être décalés par rapport à ceux de u b et leur nombre peut être différent. L’amplitude de u s peut atteindre 0,3|u b|. L’amplitude de la composante perpendiculaire v s peut être supérieure à celle de u s. Une anomalie v b entraine également des variations de u s et v s. La distribution de v s suit celle de v b et l’amplitude de v s atteint environ 0,7|v b|. L’amplitude de la composante perpendiculaire u s est inférieure à celle de v s. A une échelle intermédiaire (5HL ≤ 10H) deux différences apparaissent par rapport à l’échelle précédente: les maxima de u s correspondent aux maxima de u b et les amplitudes sont plus importantes sauf pour la composante perpendiculaire où elles restent du même ordre de grandeur qu’à petite échelle. Ces effets sur la composante perpendiculaire à petite et moyenne échelle montrent que des anomalies dans la composante sub-verticale de la vitesse peuvent être provoquées par la déformation même si l’anomalie contre le lit n’affecte que la composante sub-horizontale. A grande échelle (10HL) les anomalies superficielles sont pratiquement identiques aux anomalies contre le lit. A toutes les échelles la vitesse de déformation longitudinale moyenne sur l’épaisseur est supérieure à la vitesse de déformation en surface et, à petite échelle elle peut être de signe différent. Ainsi v s ne peut pas être facilement estimé à partir de la vitesse de déformation superficielle. Bien que la simplicité du modèle ne permette pas une comparaison quantitative rigoureuse avec les données de terrain, les résultats montrent que l’on doit être prudent lorsque l’on interprète des fluctuations superficielles de vitesse en termes de fluctuations de vitesse de glissement. Il est nécessaire de déterminer la structure spatiale des fluctuations de vitesses superficielles pour pouvoir raisonnablement les interpréter en termes de glissement.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Übertragung von Schwankungen der Geschwindigkeit am Untergrund auf die Oberfläche eines Gletschers wird mit Hilfe eines Modells für eine ebene, parallel begrenzte Scheibe (Dicke H) mit linear viskoser Rheologie untersucht. Die Oberflächengeschwindigkeit parallel (u s) und senkrecht (v s) zur Oberfläche wird für verschiedene räumliche Verteilungen der Geschwindigkeitsschwankungen am Untergrund mit Komponenten parallel (u b) und senkrecht (v b) zur Oberfläche berechnet. Vier Grade verschiedenen Verhaltens können in Abhängigkeit von der räumlichen Länge L der Untergrundsanomalien festgestellt werden. Bei sehr kurzem Ausmass (L ≤ 1H) tritt praktisch keine Reaktion an der Oberfläche ein. Bei geringem Ausmass (1HL5H) bewirkt eine Untergrundsanomalie u b eine Reaktion sowohl in u s wie in v s. Das räumliche Muster von u s ist so gestaltet, dass Geschwindigkeitsspitzen in u s verschoben erscheinen; ihre Zahl kann verschieden sein. Die Amplitude von u s reicht bis etwa 0,3|u b|. Die Amplitude des Effekts auf die Normalkomponente v s kann grösser sein als die von u s. Eine Untergrundsanomalie v b bewirkt eine Reaktion sowohl in v s wie in u s. Das Muster von v s ist dasselbe wie das von v b; die Amplitude von v s erreicht etwa 0,7|v b|. Die Amplitude des Effekts auf die Oberflächenkomponente u s ist kleiner als die von v s. Bei mittleren Abmessungen (5HL ≤ 10H) weichen die Ergebnisse in zweifacher Hinsicht von denen bei geringen Ausmassen ab: Geschwindigkeitsspitzen in u s korrespondieren mit solchen in u b; die Amplituden an der Oberfläche sind verstärkt, ausser für die Effekte der Querkomponenten, für welche die Amplituden an der Oberfläche dieselbe Grössenordnung besitzen wie bei geringem Ausmass. Diese Effekte auf die Querkomponenten bei kurzen und mittleren Abmessungen zeigen vor allem, dass wesentliche anomale Bewegungen senkrecht zur Oberfläche durch Verformung erzeugt werden können, auch wenn die Geschwindigkeitsanomalie am Untergrund parallel zur Oberfläche verläuft. Bei grossem Ausmass (10HL) ist die Geschwindigkeitsanomalie an der Oberfläche im wesentlichen gleich der am Untergrund. Für alle Masstäbe ist die Spannungsrate in Längsrichtung, gemittett über die Eisdicke, grösser als die Längsspannungsrate an der Oberfläche; bei geringem Ausmass kann sie ein anderes Vorzeichen aufweisen, so dass v s aus der Spannungsrate an der Oberfläche nicht ohne weiteres abzuschätzen ist. Obwohl die Vereinfachungen des Modells dessen rigorose quantitative Anwendung auf Feldmessungen nicht zulassen, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass bei der Deutung von Geschwindigkeitsschwankungen an der Oberfläche als Auswirkungen von Geschwindigkeitsschwankungen am Untergrund Vorsicht geboten ist. Es ist wichtig, das räumliche Muster von Oberflächenbewegungen zu ermitteln, sofern man eine zuverlässige Interpretation als Wirkung von Bewegungen am Untergrund gewinnen will.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1985
Figure 0

Fig. 1. Definition of geometrical quantities and coordinate system.

Figure 1

Fig. 2. Contrasting patterns of motion represented schematically for harmonic basal velocity anomalies (shown for a half wavelength): (a) basal anomaly ub, short wavelength (λ/H = 1); (b) basal anomaly ub, long wavelength λ/H = 10); (c) basal anomaly vb, short wavelength (λ/H = 1); and (d) basal anomaly vb, long wavelength (λ/H = 10).

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Fig. 3. Relative amplitudes of surface velocity, caused by harmonic variation in basal velocity (of unit amplitude). Solid line, Tuus; dashed line, Tvvs; short dashed line, Tuvs = Tvus.

Figure 3

Fig. 4. Basal and surface velocities for a basal velocity anomaly ub: a sharp front shown by solid lines, a steep ramp wave (r = 0.025) shown by dashed lines where distinguishable, and a less steep ramp wave (r = 0.1) shown by short dashed lines. Surface-normal velocity is positive upwards.

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Fig. 5. Relative basal and surface velocities for Gaussian pulse basal velocity anomalies ub. with (a) σ/H = 5, (b)σ /H = 0.5. and (c) σ/H = 0.05. Solid line, ub; dashed line. us (where distinguishable from ub): short dashed line, vs (positive upward). Basal velocity anomalies integrated over distance equal in all three cases.

Figure 5

Fig. 6. Charcteristics of us in response to Gaussian pulse basal velocity anomalies ub, and their dependence on the longitudinal scale of the pulse.

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Fig. 7. Relative basal and surface velocities for Gaussian pulse basal velocity anomalies vb, with (a) σ/H = 5, (b) σ/H = 0.5, and (c) σ/H = 0.05. Solid line, vb (positive upward); dashed line, vs (positive upward): short dashed tine, us. Basal velocity anomalies integrated over distance equal in all three cases.

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Fig. 8. Surface-normal velocity calculated as H∂u/∂x scaled by vs from mathematical model for harmonic basal velocity anomaly ub. Solid line, (H∂us/∂x)/vs; dashed line, (H∂ub/∂x)/vs. (b) Surface-normal velocity (positive upward) calculated as H∂us/∂x (dashed line) compared with vs from mathematical model (solid line), for a Gaussian pulse basal velocity anomaly ub with σ/H = 0.05, of maximum amplitude ub(0) = 10.

Figure 8

Fig. 9. Surface velocity components us and vs (upper two solid curves) for a hypothetical basal velocity anomaly with component ub (lower solid curve). Addition of basal component vb (lower dashed curve) results in total surface components us and vs (shown by upper two dashed curves). Anomalies propagating with speed w; surface-normal velocity is positive upward.