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Internal Deformation and Thermal Anomalies in Lower Blue Glacier, Mount Olympus, Washington, U.S.A.*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

R.L. Shreve
Affiliation:
University of California, Los Angeles, California 90024, U.S.A.
R.P. Sharp
Affiliation:
California Institute of Technology, Pasadena, California 91109, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

In 1957 through 1962 six deep holes were drilled by means of specially developed electrically powered hotpoints, 4 cm diameter aluminum pipes were placed in them, and annual inclinometer surveys were made to investigate the deformation field and flow law of the ice at depth. Although a strongly maritime climate with moderate temperatures implies that lower Blue Glacier should be temperate, freezing at depths as great as 200 m, sometimes even in summer, seriously hindered inclinometer surveys. This freezing cannot be due solely to chilling by winter cold and to leakage into initially dry pipes, but may also be due to wintertime changes of water Table in the glacier and to contamination of the ice by antifreeze. Another possibility, residual subfreezing zones carried down from the ice fall, seems unlikely.

Because the relatively inextensible pipe slips lengthwise in the deforming hole, observations of pipe motion at best give only the two components of ice velocity perpendicular to the hole. Thus, a single hole gives two independent equations connecting the nine unknown derivatives of the velocity components; two holes give four equations: and three or more give at most six. Incompressibility of the ice, when applicable gives another. The remaining unknowns must be either neglected or estimated from assumptions about the flow field. At the Blue Glacier holes the longitudinal strain-rate is less than about 0.01 per year, becoming more extensional down-glacier and more compressional at depth, because the holes were moving through a reach in which the surface steepens and the bed becomes more steep-sided and flat-bottomed. Although the effective strain-rates are only about 0.01 to 0.1 per year, so that errors are relatively large, they are in reasonable agreement with flow laws deduced from laboratory experiments by Glen, from tunnel contraction by Nye, and from deformation of Athabasca Glacier bore holes by Paterson and Savage, except that in the range of strain-rates covered the viscosities found for Blue Glacier are about half those derived from the other studies.

Résumé

Résumé

De 1957 à 1962 six forages profonds furent effectués au moyen de sondes électriques spécialement développées; les trous furent tubés avec des tubés d'aluminium de 4 cm de diamètre et des levés d'inclinaison annuels furent établis pour calculer le champ de déformation et la loi d'écoulement de la glare en profondeur. Le climat nettement maritime avec températures modérées dans la région du Blue Glacier laisserait supposer que la partie inférieure du glacier n'est pas considérablement surgelée. Cependant le surgèlement prévaut jusqu'à des profondeurs de 200 m, même parfois en été, et a entravé sérieusement le levé. Le refroidissement d'hiver el la fuite dans les tubés initialement secs ne peuvent être les seules causes de cette congélation. Les autres causes possibles seraient le changement de la nappe phréatique dans le glacier pendant l'hiver et la contamination de la glace par de l'antigel. La congélation ne semblerait pas due à la chute de séracs.

Comme les tubés, relativement inextensibles, glissent longitudinalement dans les trous soumis à la déformation l'observation du déplacement du tube donne au mieux les deux composantes de la vitesse perpendiculaires au trou. Ainsi un trou donne deux équations indépendantes liant les 9 dérivées inconnues des composantes de la vitesse; deux trous donnent quatre équations et 3 ou plus en donnent au plus six. L'incompressibilité de la glace quand elle est applicable en donne une autre. Les inconnues restantes doivent être ou bien négligées ou bien estimées par des hypothèses sur le champ d'écoulement. A proximité des trous du Blue Glacier la vitesse de déformation longitudinale est inférieure à 0,01 a−1 et elle devient plus extensive dans le bas du glacier et plus compressive en profondeur en accord avec le fait que les trous se déplaçaient à travers une extension où la pente de surface augmente et où le lit devient escarpé sur ses bords et plus plat au fond. Bien que les vitesses de déformation effectives ne soient que de 0,01 à 0,1 a−1 et ainsi les erreurs sont relativement fortes, elles sont en accord raisonnable avec les lois d'écoulement déduites des expériences de laboratoire de Glen, de contraction de tunnel de Nye et de déformation de trou de forage du glacier Athabasca de Paterson et Savage, mises à part les viscosités trouvées pour le Blue Glacier moitié environ de celles déduites d'autres études.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Von 1957 bis 1962 wurden 6 tiefe Löcher mit eigens entwickelten, elektrisch betriebenen Heizköpfen gebohrt; Aluminiumrohre von 4 cm Durchmesser wurden eingelassen und jährliche Inclinometer-Messungen wurden vorgenommen, um das Deformationsfeld und das Fliessgesetz des Eises in der Tiefe zu untersuchen. Obwohl ein ausgesprochen maritimes Klima mit starken Niederschlägen und gemässigten Temperaturen sowie Messungen von Temperaturen und Wassergehalt des Firns im Akkumulationsbecken die Annahme nahelegen, dass der untere Blue Glacier temperiert ist, behinderte Gefrieren in Tiefen bis zu 200 m zuweilen sogar im Sommer ernsthaft die Inclinometer-Messungen. Die winterliche Abkühlung und das Vollaufen ursprünglich trockener Rohre können nicht die einzigen Ursachen für dieses Gefrieren sein. Andere mögliche Ursachen sind die winterlichen Veränderungen des Wasserhorizontes im Gletscher und die Verschmutzung des Eises durch Frostschutzmittel. Unwahrscheinlich ist die Zuwanderung restlicher Unterkühlungszonen vom Eisfall herab.

Weil das praktisch nicht dehnbare Rohr der Länge nach im sich deformierenden Loch gleitet, liefern Beobachtungen der Rohrbewegung bestenfalls nur die zwei Komponenten der Eisgeschwindigkeit senkrecht zum Loch. So ergibt ein einzelnes Loch zwei unabhängige Gleichungen zwischen den neun unbekannten Ableitungen der Geschwindigkeitskomponenten; zwei Löcher ergeben vier Gleichungen; drei oder mehr Löcher ergeben höchstens sechs Gleichungen. Die lnkompressibilitätsbedingung für Eis ergibt, sofern anwendbar, eine weitere. Die übrigen Unbekannten müssen entweder vernachlässigt oder aus Annahmen über das Fliessfeld abgeschätzt werden. In der Nähe der Löcher auf dem Blue Glacier ist die Längsverformungsgeschwindigkeit kleiner als 0,01 a−1; in Übereinstimmung mit der Tatsache, dass die Löcher sich durch einen Bereich bewegten, in dem bei steilerer Oberfläche die Seitenwände des Bettes steiler und sein Boden flacher werden, wird sie gletscherabwärts extensiver und in der Tiefe kompressiver. Obgleich die tatsächlichen Dehnungsgeschwindigkeiten nur etwa 0,01 bis 0, 1 a−1 betragen, so dass Fehler relativ stark ins Gewicht fallen, stehen sie in vernünftiger Übereinstimmung mit Fliessgesetzen, wie sie von Glen aus Laborversuchen, von Nye aus Tunnelverengungen und von Paterson und Savage aus der Deformation von Bohrlöchern auf dem Athabasca Glacier abgeleitet wurden. Allerdings sind die am Blue Glacier gefundenen Viskositäten für die beobachtete Spanne der Verformungsgeschwindigkeiten nur etwa halb so gross wie die aus anderen Untersuchungen abgeleiteten.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1970 
Figure 0

Fig. 1. Blue Glacier. Positions of bore holes in August of each year through 1961 shown by open circles; positions in August 1962 shown by solid circles. Base map front American Geographical Society (1960).

Figure 1

Table I. Data on Blue Glacier bore holes

Figure 2

Table II. Inclinometer surveys in Blue Glacier bore holes

Figure 3

Table III. Pull-down of pipes into ice

Figure 4

Table IV. Estimated minimum ablation at wore holes

Figure 5

Fig. 2. Longitudinal cross-section of drilling hotpoint.

Figure 6

Fig. 3. Formation of ice plug in pipe as result of change in water Table. Step 1: Pipe is full of water; temperature is everywhere at pressure-melting point. Step 2: Water Table suddenly drops to 100 m; freezing of pore water raises temperature to new pressure-melting point below 100 m; presence of freezable undrained pore water above 100 m would make temperature there slightly greater than shown. Step 3: Conduction to subfreezing ice above new water Table causes freezing of flat-topped plug in pipe. Step 4: Water Table returns to old level; melting distributed throughout ice lowers temperature to old pressure-melting point without destroying ice plug.

Figure 7

Fig. 4. Temperature drop θθ0 caused by suddenly saturating ice of porosity σ0 with antifreeze at concentration E0. Left-hand diagram: Any solute, where α a is the temperature drop at equilibrium per unit increase in concentration, and c and H are the heat capacity and heat of fusion of ice. Right-hand diagram: Curves for ethylene glycol as the solute.

Figure 8

Fig. 5. Shear strain-rate across planes parallel to glacier surface versus depth perpendicular to surface for Jungfraufirn bore-hole experiment. Short-dashed curves: Apparent strain rate causing pipe to tilt. Long-dashed curves: Apparent strain-rate corrected for longitudinal strain-rate r – n.14 per rear, assumed everywhere uniform. Solid curves: Apparent strain rate corrected for longitudinal strain-rate and for velocity 0 if curved pipe perpendicular to surface. Curves computed using means of initial and final values for averages, taking first différences for derivatives, and assuming plane strain and velocity v = – r (h–y), where h is the depth of the ice. The large discrepancy between the two years suggests that the longitudinal strain-rate may inflict decrease with depth.

Figure 9

Fig. 6. Average ratle of displacement of bore hole L at depth, relative to surface point. Origin of coordinates at position of surface point in first year of observations; x-axis directed through position of surf ace paint in second year. Rates of displacement calculated by subtracting velocity of surface point from velocities of points at given depths. Sideward displacement near surface in 1959/60 and 1960/61 is due to initial placement of hole on side of low ridge on glacier. Other waviness in curves probably is due to errors in inclinometry and is typical of all the holes. Dashed portions of curves indicate depths at which azimuths are unknown became acid bottles were used in 1962. Curves are plotted within 0.05 m/year of points calculated at 5 m intervals in depth.

Figure 10

Fig. 7. Variation of longitudinal strain-rate with depth. Extensional strain-rates are positive. Strain-rate becomes more compressional at depth because glacier bed becomes more steep-sided and flat-bottomed in down-glacier direction in region of bore holes. Curves are plotted within 0.005 per year of points calculated at 5 m intervals in depth.

Figure 11

Fig. 8. Transverse cross-sections of glacier in region of bore holes. Left; Successive cross-sections bused on conclusions of Corbotó (1965, p. 648). Rigid: Isometric view showing relative positions of cross-sections and bore holes. Arrow shows direction of flow.

Figure 12

Fig. 9. Viscosity versus effective strain-rate. Symbols: Calculated at 5 m intervals far depths and years for which longitudinal strain-rates either known or negligible. Athabasca Glacier: Temperate or near-temperate, n = 4.2 (assumed), A = 2.1 bar yeart/n (Paterson and Savage 1963[b], p. 4541−42). Glen's experiments: -0.02°C, n = 4.2, A = 1.6 bar yeart/n·(Nye, 1957, p. 129). Tunnel contraction: −0.8 to 0.0°C, n = 3.07, A = 1.77 bar yeart/n" {Nye, 1953,p. 485). Blue Glacier; Probably temperate, n = 3.3, A = 1.2 bar yeart/n, line fitted by eye.