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Hydraulics of Subglacial Cavities

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Joseph S. Walder*
Affiliation:
Quaternary Research Center AK-60, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A
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Abstract

A theoretical model is developed to describe the steady-state behavior of interconnected, water-filled cavities at the glacier bed. Physically plausible cavities should contain constrictions along the flow path, with flow in the wider sections being relatively sluggish. Mean flow rates in cavities may be at least one order of magnitude less than in channels incised into the basal ice (R channels). Melting due to viscous dissipation - the process that allows R channels to exist - probably plays a minor or negligible role, as compared to glacier sliding, in determining the size of cavities. Furthermore, a system of subglacial cavities should not show a tendency for localization of flow in a few main conduits, as does an R-channel system. If water pressure rises to within several bars of overburden pressure, the rate of cavity closure by creep falls below the rate of cavity opening by sliding and melting, with cavities then becoming unstable. Subsequent evolution of the drainage system should depend upon the total melt-water flux. Circumstances may arise in which cavities and channels act as conduits for melt water; such a configuration would probably show unusual transient behavior.

Résumé

Résumé

On développe un modèle théorique pour décrire le comportement en état stationnaire des cavités remplies d’eau et interconnectées sur le lit du glacier. Des cavités physiquement plausibles doivent comporter des rétrécissements le long du trajet de l’écoulement, avec un écoulement dans les sections plus larges relativement calme. Les vitesses d’écoulement dans les cavités peuvent être d’au moins un ordre de grandeur plus faible que dans les canaux taillés dans la glace basale (chenaux R). La fonte due à la chaleur de déformation, responsable de l’existence des chenaux R, joue probablement un rôle mineur ou même négligeable, en comparaison du glissement du glacier pour le contrôle de la taille des cavités. De plus, un système de cavités sous glaciaires ne devrait pas montrer de tendance à la localisation de l’écoulement en quelques conduits principaux, comme cela se passe dans le système de chenaux R. Si la pression de l’eau croit jusqu’à plusieurs bars près de la valeur de la pression de la glace susjacente, la vitesse de fermeture des cavités par déformation descends en dessous de celle d’ouverture due au glissement et à la fonte: le système des cavités devient alors instable, En conséquence révolution du système de drainage doit dépendre du flux total d’eau de fonte. Il peut arriver que les chenaux et cavités soient des conduits d’eau de fonte; une telle situation ferait apparaître un comportement transitoire non habituel.

Résumé

Résumé

Zur Beschreibung des stationären Verhaltens von miteinander verbundenen, wassergefüllten Hohlräumen am Gletscherbett wird ein theoretisches Model! entwickelt. Physikalisch mögliche Hohlräume sollten entlang des Fliessweges Einengungen aufweisen, mit relativ trägem Fluss in den weiter geöffneten Abschnitten. Die mittlere Fliessgeschwindigkeit in Hohlräumen dürfte mindestens eine Grössen-Ordnung geringer sein als die in Kanälen, die ins Eis am Untergrund eingeschnitten sind (R-Kanäle). Schmelzen infolge viskoser Dissipation - ein Prozess der die Existenz vo R-Kanälen ermöglicht - spielt vermutlich - verglichen mit dem Gletschergleiten — eine geringere oder vernachlässigbare Rolle bei der Bemessung der Hohlraumgrössen. Weiterhin sollte ein System von subglazialen Hohlräumen keine Tendenz zur Einschränkung des Flusses auf einige wenige Hauptführungen zeigen, wie dies bei einem System von R-Kanälen der Fall ist. Steigt der Wasserdruck auf einen Wert innerhalb von einigen bar des Auflastdruckes, so sinkt die Rate der Hohlraumverschlüsse durch Kriechen unter die Rate der Hohlraumöffnungen durch Gleiten und Schmelzen; die Hohlräume werden dann instabil. Die daraus folgende Entwicklung des Abflussystems sollte vom Gesamt-Schmelzwasserfluss abhängen. Es können Umstände eintreten, unter denen Hohlräume zusammen mit Kanälen als Führungen für Schmelzwasser dienen; eine solche Ausprägung würde aber vermutlich nur ein Übergangs-stadium sein.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig.1. a. Schematic plan view of basal drainage network. Conduits largely “avoid” high-pressure regions of the bed (hatched ). b. Hypothetical basal drainage system in which channels and cavities connect only along the ice-flow direction, with channels crossing high-pressure regions (hatched). This is probably not a physically plausible configuration.

Figure 1

Fig.2. Idealized cavity geometry.

Figure 2

Table I. Effective Melting Rate m, IN m/a, for Flow in Cavities of Height R= 0.1 m. for << us, The Sliding Speed, Melting is of Negligible Importance in Determining Cavity Size

Figure 3

Table II. Mean Flow Rate in Subglacial Cavities as a Function of Hydraulic Gradient G and Cavity Height R. Except for Very Large Cavities at Implausibly Large Hydraulic Gradients, Mean Flow Rates are Much Less than for R Channels at the Same C and with the same Conduit Cross-Sectional Area

Figure 4

Fig.3. Schematic view of cavity network with constrictions.