Hostname: page-component-76d6cb85b7-rxvq6 Total loading time: 0 Render date: 2026-07-14T04:53:16.878Z Has data issue: false hasContentIssue false

Creep Buckling of Ice Shelves and the Formation of Pressure Rollers

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

I. F. Collins
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Auckland, Auckland, New Zealand
I. R. McCrae
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Auckland, Auckland, New Zealand
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Much of the surface of an ice shelf is covered with series of undulations. These undulations or “pressure rollers” are particularly noticeable in the neighbourhood of ice rises or ice streams. To date, there is no satisfactory theoretical model explaining the formation of these waves. As a contribution to understanding this phenomenon, this paper investigates the stability of ice shelves to perturbations in the background stress and strain-rate distributions.

The perturbation analysis is based on Glen’s creep law and leads to a continuous eigenvalue problem for the wavelength of the disturbance as a function of growth-rate. It is shown that, provided these strain-rates are sufficiently compressive, waves of the type observed can be expected to form. It is shown that lateral extensional strain-rates have a destabilizing effect and pressure rollers are more likely to form when these are present. Comparison of predicted wavelengths is made with available field data.

Résumé

Résumé

La surface des shelfs est en grande partie couverte d’ondulations. Celles-ci, encore appelées “vagues de pression”, sont particulièrement développées au voisinage des domes ou des courants de glace. On ne dispose pas actuellement de modèle théorique expliquant ces ondulations de manière satisfaisante. Pour mieux comprendre ce phénomène, nous étudions la stabilité des shelfs aux perturbations des champs moyens de contraintes et de vitesses de déformation.

L’analyse des perturbations est basée sur la loi de fluage de Glen; elle conduit à un problème aux valeurs propres continu pour la longueur d’onde de la perturbation en fonction de la vitesse de croissance. On montre que si les vitesses de déformation sont suffisamment compressives, on peut s’attendre à voir apparaître des ondulations comparables à celles que l’on observe. On montre également que les extensions latérales ont un effet déstabilisateur et que les vagues de pression ont plus de chance de se former lorsqu’elles existent. Les longueurs d’onde prévues sont comparées aux données de terrain existantes.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Ein Grossteil der Oberfläche von Schelfeisen ist mit Serien von Undulationen bedeckt. Diese Undulationen oder “Druckwalzen” treten vor allem in der Umgebung von Eisaufwölbungen oder Eisströmen auf. Bis heute gibt es noch kein befriedigendes theoretisches Modell, das die Bildung dieser Wellen erklären könnte. Als Beitrag für das Verständnis des Phänomens untersucht diese Arbeit die Stabilität von Schelfeisen gegenüber Störungen in der Hintergrundsspannung und in der Verteilung der Verformungen.

Die Analyse der Störungen beruht auf dem Glen'schen Fliessgesetz und führt auf ein kontinuierliches Eigenwertproblem für die Wellenlänge der Störung als Funktion der Wachstumsrate. Es wird gezeigt, dass bei ausreichend kompressiven Verformungen die Bildung von Wellen des beobachteten Typs erwartet werden kann. Weiter zeigt sich, dass seitliche Dehnungsverformungen eine destabilisierende Wirkung haben und dass Druckwalzen sich bei deren Anwensenheit eher bilden. Die vorausberechneten Wellenlängen werden mit verfügbaren Felddaten verglichen.

Information

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

Fig. 1. Pressure rollers at Pram Point near Scott Base, Antarctica.

Figure 1

Fig. 2. Notation.

Figure 2

Fig. 3. Variation of non-dimensional growth rate γ with stress coefficient Σ for various values of non-dimensional wavelength n, (n = 3 and ρiw = 0.75). The critical formation wavelength for a given value of σ is that with the largest growth-rate and hence is given by the envelope to the above curves.

Figure 3

Fig. 4. Variation of non-dimensional growth rate Y with stress coefficient σ (for negative σ) for various values of non-dimensional wavelength λ (n = 3 and ρiw = 0.75).

Figure 4

Fig. 5. a. Variation of critical formation wavelength with stress coefficient for various values of creep index n.b. Variation of formation growth-rate with stress coefficient for various values of creep index n(ρiw = 0.75).

Figure 5

Fig. 6. Variation of critical stress coefficient −σc, at which waves can first form, with density ratio ρiw for various values of creep index n.

Figure 6

Fig. 7. Variation of “effective” creep index n′ with lateral straining coefficient for various values of creep index n.

Figure 7

Fig. 8. Variation of critical back pressure Pc, at which waves can be expected to form, with the lateral straining coefficient α for various density ratios ρi/ρw.

Figure 8

Fig. 9. Estimation of the variation of flow-law parameter B (Nm−2 s1/3) with depth for McMurdo Ice Shelf at Pram Point; (a) assuming exponential law (Equation (59)), (b) using the Arrhenius relationship (Equation (61)). and (c) allowing for density variations through Thomas and MacAyeal’s equation (Equation (62)).

Figure 9

Fig. 10. Effect of exponential viscosity gradient on critical stress −σc at which waves form (n = 3).

Figure 10

Fig. 11. Location of Pram Point pressure rollers on McMurdo Ice Shelf near Scott Base.

Figure 11

Fig. 12. Linear regression fits to wavelengths of profiles of Pram Point pressure rollers given by Hochstein (1967).