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On the Mechanics of Surging Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R. M. McMeeking
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, U.S.A.
R. E. Johnson
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, U.S.A.
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Abstract

Observations of surging glaciers indicate that the flow regime is one dominated by extensional flow. The stress state has substantial longitudinal deviatoric stress. This regime is very different from the conventional model for glacier dynamics which is dominated by shearing flow. In addition, the initiation of surging often involves a compression front which travels down the glacier. The compression front seems to divide an up-stream region of high drag at the base of the glacier from one of low drag which allows the rapid sliding. We develop a framework for the mechanics of glaciers undergoing surging. Relevant issues are the extensional and compression flows, high longitudinal deviatoric stress, and the stress state near the basal discontinuity. We find that some of the down-slope component of glacier weight is borne by longitudinal stress in the rapidly sliding region. This stress thrusts against the slowly moving parts of the glacier. We hypothesize that this effect causes the rapidly sliding part to spread and causes the compression front to travel down the glacier. A criterion for spreading of the rapidly sliding part is developed. The mechanics outlined above are used to develop a highly idealized model for glacier surging. We propose that regions of low drag are relatively common features of glaciers. The surge initiates when conditions are met which allow the surge nucleus to spread. The rapidly sliding region of low drag spreads to a large part of the glacier. Surging ends when the low-drag conditions terminate. Because of the changed state of the glacier, surge nuclei are now stable against spreading. Several years of rebuilding must occur before nuclei are once more unstable. Calculations are performed for the evolution of the shape of Medvezhy Glacier during the surge of 1963. We find a remarkable similarity between the data and our computations.

Résumé

Résumé

L’observation des avances catastrophiques de glacier (surge) montre que l’écoulement est essentiellement extensif, les contraintes déviatrices longitudinales étant importantes. Il s’agit d’un régime très différent de celui du modèle conventionnel de glacier, dominé par le cisaillement. En outre le déclenchement du surge entraine souvent un front de compression qui descend le glacier. Le front de compression semble séparer la partie amont du glacier où te frottement est important, de la partie aval où une faible valeur du frottement permet un glissement rapide. On développe le cadre de la mécanique des surges. Les points principaux sont les écoulements intensifs et compressifs les fortes contraintes déviatrices longitudinales et l’état de contrainte près de la discontinuité básale. Nous trouvons qu’une part de la composante du poids vers l’aval vient de la contrainte longitudinale dans les régions de glissement rapide. Cette contrainte s’exerce contre les parties à faible mouvement du glacier. Nous faisons l’hypothèse que cet effet cause une progression de la partie glissement rapidement et est a l’origine d’un front de compression qui descend le glacier. Un critère de progression de glissement rapide est développé. Les mécanismes décrits ci-dessus sont utilisés pour développer un modèle très idéalisé de glacier à surge. Nous proposons que des régions à faible frottement sont des caractéristiques habituelles de glaciers. Les surges débutent quand sont réunies des conditions qui permettent au noyau de surge de s’exercer. La région de glissement rapide a faible frottement s’étend à une bonne part du glacier. La surge se termine quand les conditions de faible frottement disparaissent. Par suite de l’état modifié du glacier, les noyaux de surge sont alors stables par rapport à leur développement. Plusieurs années de reconstitution sont nécessaires avant que les noyaux soient une fois de plus instables. Des calculs sont effectués pour l’évolution de la forme du Medvezhy Glacier au cours de sa surge de 1963. Nous obtenons une remarquable similitude entre les données et nos calculs.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Beobachtungen an ausbrechenden Gletschern lassen erkennen, dass ihr Fliesszustand von extensionalem Fluss bestimmt wird. Der Spannungszustand ist durch wesentlichen ablenkenden Druck in Längsrichtung gekennzeichnet. Dieser Zustand ist sehr verschieden vom gewöhnlichen Modell der Gletscherdynamik, das vom Scherfluss beherrscht wird. Ausserdem tritt mit dem Beginn eines Ausbruchs oft eine Kompressionsfront auf, die gletscherabwärts wandert. Diese Front scheint ein stromaufwärts gelegenes Gebiet mit hoher Hemmung am Gletscherbett von einem solchen mit geringer Hemmung zu trennen, das die schnelle Gleitbewegung zulässt. Es wird ein Rahmen für die Mechanik ausbrechender Gletscher entwickelt. Massgebliche Momente sind der extensionale und kompressive Fluss, hohe ablenkende Spannung in der Längsrichtung und der Spannungszustand nahe der Diskontinuität am Untergrund. Es ergibt sich, dass ein Teil der hangabwärts gerichteten Komponente des Gletschergewichts vom Längsdruck im schnell gleitenden Gebiet aufgenommen wird. Dieser Druck wirkt gegen die langsam bewegten Teile des Gletschers. Es wird angenommen, dass hierdurch der schnell gleitende Teil zur Ausbreitung und die Kompressionsfront zur Wanderung gletscherabwärts veranlasst wird. Für die Ausbreitung des schnell gleitenden Teils wird ein Kriterium entwickelt. Die beschriebene Mechanik wird zur Entwicklung eines stark idealisierten Modells für Gletscherausbrüche herangezogen. Man kann annehmen, dass Gebiete mit geringer Hemmung relativ häufig am Gletscher auftreten. Der Ausbruch beginnt, wenn Verhältnisse eintreten, die eine Ausbreitung des Ausbruchskerns erlauben. Das Gebiet schnellen Gleitens bei geringer Hemmung erfasst einen Grossteil des Gletschers. Der Ausbruch endet, wenn die Bedingungen für geringe Hemmung nicht mehr gegeben sind. Infolge des veränderten Gletscherzustandet sind die Ausbruchskerne dann unemfindlich gegen Ausbreitung. Mehrere Jahre des Wiederaufbaus sind nötig, bevor die Kerne wieder instabil werden können. Für die Entwicklung der Gestalt des Medvezhy Glacier während seines Ausbruchs von 1963 wurden Berechnungen angestellt. Es zeigt sich eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen den Beobachtungsdaten und unseren Berechnungen.

Information

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

Table I. Some Surging Glaciers (From Raymond, 1980; Paterson, 1981)

Figure 1

Fig. 1 Sliding law − relationship between basal shear stress and basal velocity.

Figure 2

Fig. 2. Schematic of a non-sliding glacier with a rapidly sliding segment AB.

Figure 3

Fig. 3. A segment of the glacier showing the coordinate system.

Figure 4

Fig. 4. Boundary-condition discontinuity with contour Γ for J-integral.

Figure 5

Fig. 5. Calculated surging motion of Medvezhy Glacier starting with the observed initial configuration. Glacier profiles are shown for four values of T: 0, — ; 0.58, .... ; 1.16, — — ; 1.74, − − − ; the glacier-bed axis and ice thickness are non-dimensionalized by the initial surge length l0 and initial thickness at x = 0, respectively.

Figure 6

Fig. 6. Comparison of the final glacier profile between theory (− – −) and observation (....) for the surge of Medvezhy Glacier. The initial configuration is also shown (—). The glacier-bed axis and ice thickness are non-dimensionalized by the initial surge length l0 and initial thickness at x = 0, respectively.

Figure 7

Fig. 7. The calculated position of the snout as a function of time for Medvezhy Glacier. The position of the snout is non-dimensionalized by the initial snout position l0 andis a dimensionless time.

Figure 8

Fig. 8 Contour for the calculation of J at B.