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Stress-Gradient Coupling in Glacier Flow:III. Exact Longitudinal Equilibrium Equation*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Barclay Kamb*
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences., California Institute of Technology, Pasadena, Cali forn ia 91125., U.S.A.
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Abstract

The “vertically” integrated, exact longitudinal stress-equilibrium equation of Budd (1970) is developed further in such a way as to yield an equation that gives explicitly and exactly the contributions to the basal shear stress made by surface and bed slope, surface curvature, longitudinal stress deviators, and longitudinal stress gradients in a glacier flowing in plane strain over a bed of longitudinally varying slope. With this exact equation, questions raised by various approximate forms of the longitudinal equilibrium equation can be answered decisively, and the magnitude of errors in the approximations can be estimated. To first order, in the angle δ that describes fluctuations in the surface slope α from its mean value, the exact equilibrium equation reduces to

where G and T are the well-known stress-deviator-gradient and “variational stress” terms, K is a “longitudinal curvature” term, and B is a “basal drag” term that contributes a resistance to sliding across basal hills and valleys. Except for T, these terms are expressed in simple form and evaluated for practical situations. The bed slope θ (relative to the mean slope) is not assumed to be small, which allows the effects of bedrock topography to be determined, particularly through their appearance in the B term.

Résumé

Résumé

L’équation d’équilibre en contrainte longitudinalement exacte de Budd (1970), intégré verticalement, est développé plus complètement, de façon à bâtir une équation qui donne explicitement et exactement les contributions à la contrainte basale de cisaillement produites par les pentes de la surface et du lit, de la courbure de surface, du déviateur longitudinal de contraintes, et des gradients longitudinaux des contraintes pour un glacier sécoulant en cisaillement plan sur un lit de pente variable longitudinalement. Grâce à cette équation exacte, des questions soulevées par différentes approches de l’équation d’équilibre longitudinal trouvent des réponses décisives, et l’ordre de grandeur des erreurs des approximations peut être estimée. Au premier ordre, lorsque l’angle δ décrit les fluctuations de la pente de la surface autour de sa moyenne, l’équation exacte d’équilibre se réduit à:

G et T sont les termes bien connus du gradient du déviateur de contraintes et la “contrainte variationnelle”, K est un terme de “courbure longitudinale” et B est le “frotte-ment basal” qui traduit la résistance au glissement sur les verrous et les surcreusements. A l’exception de T, ces termes s’expriment simplement et s’évaluent pour des cas pratiques. La pente du lit θ (par rapport à la pente moyenne) n’est pas forcément faible, ce qui permet de déterminer les effets de la topographie du lit, spécialement par leurs influences dans le terme B.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die “senkrecht” integrierte Gleichung des Spannungsgleichgewichts in Längsrichtung von Budd (1970) wird zu einer Gleichung weiterentwickelt, die explizit und exakt die Beiträge zur Scherspannung am Untergrund liefert, die von der Neigung des Bettes und der Oberfläche, von der Oberflächenkrümmung und von den longitudinalen Spannungsabweichungen in einem Gletscher herrühren, der in ebenem Spannngszustand über ein Bett mit longitudinalen Neigungsunterschieden fliesst. Mit dieser exakten Gleichung können Fragen, die von verschiedenen Näherungsformen der Gleichung des Gleichgewichts in Längsrichtung aufgeworfen werden, eindeutig beantwortet werden; weiter kann die Grössenordnung der Fehler in den Näherungen abgeschätzt werden. Beschränkt man sich auf Grössen 1. Ordnung für den Winkel δ, der Abweichungen in der Oberflächenneigung a von deren Mittelwert beschreibt, so vereinfacht sich die exakte Gleichgewichtsgleichung zu

Hierin sind G und T wohlbekannte Spannungswechsel-gradienten und Ausdrücke der “veränderlichen Spannung”, K ein Ausdruck für die longitudinale Krümmung und B ein solcher für die “Hemmung am Untergrund”, die einen Beitrag zum Widerstand gegen das Gleiten über Buckel und Senken am Untergrund liefert. Mit Ausnahme von T lassen sich diese Ausdrücke in einfacher Form aufstellen und für praktische Fälle auswerten. Die Bettneigung θ (relativ zur mittleren Neigung) wird nicht als klein angenommen; dies gestattet die Bestimmung des Einflusses der Gestalt des Felsuntergrundes, vor allem durch deren Auftreten im Ausdruck B.

Information

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

Fig. 1. Coordinate systems used in development of the exact. “vertically” integrated longitudinal equilibrium equation. Around each surface point a local ξ, η system is defined, the ξ -axis being tangent to the surface at this point, and inclined by an angle δ relative to the x-axis. The basal shear stress τb is shown with shear arrows indicating the sense of shear for positive τb.

Figure 1

Fig. 2. Detail in the vicinity of a surface point 0 at which a local ξ, η coordinate system is defined. At an adjacent point P, whose coordinates in the ξ,η system are (ξ, ηS)the local surface tangent and normal vectors are defined as axes μ and ν, the )μ -axis being tilled by the angle ε relative to the ξ-axis. Surface curvature is greatly exaggerated for clarity.