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Direct Measurement of Basal Water Pressures: Progress and Problemss

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Steven M. Hodge*
Affiliation:
Water Resources Division, U.S. Geological Survey Tacoma, Washington 98402, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

In 1975 and 1977, 24 bore holes were drilled to the bed of South Cascade Glacier, Washington, U.S.A., using both electrothermal and hot-water drills. Only two holes connected directly with the basal water system, a significant decrease from the four to five such connections in 13 holes drilled in 1973 and 1974 (Hodge, 1976). Most of the bed, possibly as much as 90%, appears to be hydraulically inactive and isolated from a few active subglacial conduits. Bore holes which penetrate these inactive areas initially should connect eventually with the active basal water system due to bed pressurization by the water standing in the bore hole, provided there is a sufficient supply of water available to form and maintain the connection passageway. These sealed-off areas probably consist of the sub-sole drift and permeability barriers found recently at the bed of Blue Glacier by Engelhardt and others (1978); an increase in the area of bed covered by these features probably caused the decrease in chance of bore-hole connection. This apparently was not due to any external cause but rather was the result of a real internal change in the subglacial hydraulic system which occurred between 1974 and 1975.

If most of the area of a glacier bed is hydraulically isolated sub-sole drift, or something similar, such features may well control large-scale glacier sliding changes, since changes in the amount of water having access to the glacier bed will take considerable time to affect the interstitial water pressure in the more widespread sub-sole drift.

Water pressures in the active part of the basal water system of South Cascade Glacier are generally in the range of 50–75% of the ice overburden pressure. Water levels in a connected bore hole are probably representative over an area of the bed 100 m or more in extent. A correlation of bore-hole water levels with changes in surface motion supports the idea that the sliding of a temperate glacier is controlled largely by the basal water pressure.

Résumé

Résumé

En 1975 et 1977, 24 forages furent exécutés jusqu’au fond du lit du South Cascade Glacier, Washington, en utilisant simultanément les sondes électriques et à eau chaude. Seulement deux forages se trouvèrent en communication directe avec le réseau hydraulique du fond du glacier; c’est une diminution significative en comparaison des 4 à 5 telles communications qui furent relevées sur les 13 forages réalisés en 1973 et 1974 (Hodge, 1976). La plus grande partie du lit peut-être jusqu’à 90%, apparaît comme hydrauliquement inactive et isolée des chenaux sous-glaciaires relativement peu actifs. Les forages qui pénètrent dans ces zones inactives initialement se relieraient éventuellement avec le réseau actif du fond, pourvu qu’il y ait un apport d’eau suffisant dans le forage pour former et maintenir le passage de l’écoulement. Ces zones closes sont probablement formées de sous-sol graveleux et de ces barrières de perméabilité récemment découvertes sous le lit de Blue Glacier par (Engelhardt et autres (1978). Une augmentation de la surface du lit occupée par ces zones particulières diminue la probabilité que des connections s’établissent à partir des forages; ceci n’est apparemment pas dû à une cause externe mais était plutôt le résultat d’une modification interne réelle du système hydraulique sous-glaciaire qui serait survenue entre 1974 et 1975.

Si la plus grande partie de la surface du lit glaciaire est hydrauliquement isolée, par un sous-sol graveleux ou quelque chose de semblable, de tels caractères peuvent constituer une bonne manière de rendre compte des changements à grande échelle du mode de glissement des glaciers, puisque des changements dans la quantité d’eau ayant accès au fond du glacier mettront un temps considérable pour franchir les seuils de perméabilité et affecteront la pression d’eau interstitielle dans le sous-sol graveleux le plus répandu.

Les pressions de l’eau dans la partie active du réseau hydrologique sous-glaciaire du South Cascade Glacier sont généralement de l’ordre de 50 à 75% de la pression due à la glace sus-jacente. Les niveaux d’eau dans les forages reliés au réseau sont probablement représentatifs d’une surface de lit étendue sur 100 m ou plus. Une corrélation entre les niveaux de l’eau dans les forages et les changements dans les mouvements en surface fait naître l’idée que le glissement d’un glacier tempéré est dans une large mesure contrôlé par la pression de l’eau au fond.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In den Jahren 1975 und 1977 wurden 24 Löcher bis zum Untergrund des South Cascade Glacier, Washington, U.S.A., sowohl mit elektrothermischen wie mit Heisswasser-Bohrern niedergebracht. Nur zwei Bohrlöcher standen in direkter Verbindung zum Wassersystem am Untergrund, — eine beträchtliche Abnahme gegenüber den vier bis fünf Verbindungen dieser Art bei 13 Bohrlöchern in den Jahren 1973 und 1974 (Hodge, 1976). Ein Grossteil des Bettes, möglicherweise bis zu 90%, scheint hydraulisch inaktiv und gegenüber einigen wenigen subglazialen Kanälen isoliert zu sein. Borhlöcher, die anfänglich in diese inaktiven Gebiete eindringen, sollten sich infolge des Druckes, der von dem im Bohrloch stehenden Wasser auf den Untergrund ausgeübt wird, im Laufe der Zeit mit dem aktiven Wassersystem am Untergrund verbinden, vorausgesetzt, dass genügend Wassernachschub vorhanden ist, um den Verbindungskanal zu bilden und aufrecht zu erhalten. Diese versiegelten Gebiete bestehen vermutlich aus der Grundmoräne und undurch-lässigen Hindernissen, wie sie jüngst auf den Bett des Blue Glacier von Engelhardt u.a. (1978) gefunden wurden; eine Zunahme des mit diesen Erscheinungen bedeckten Untergrundgebietes verursachte wahr-scheinlich die Abnahme der Wahrscheinlichkeit für Bohrlochverbindungen. Äussere Ursachen dafür gibt es sichtlich nicht; es liegt vielmehr eine ausschliesslich innere Veränderung im subglazialen hydraulischen System vor, die zwischen 1974 und 1975 eintrat.

Wenn der Grossteil des Gletscherbettes aus hydraulisch isolierter Grundmoräne oder etwas ähnlichem besteht, können solche Erscheinungen sehr wohl das Gleiten des Gletschers stark verändern, da Änderungen in der Menge des Wassers, das Zugang zum Gletscherbett hat, beträchtliche Zeit benötigen, bevor sie den Druck des Zwischenwassers in der weiter ausgedehnten Grundmoräne beeinflussen können.

Der Wasserdruck im aktiven Teil des Wassersystems am Untergrund des South Cascade Glacier liegt im allgemeinen im Bereich von 50–75% des Druckes des überlagernden Eises. Der Wasserstand in einem verbundenen Bohrloch ist vermutlich für einen Untergrundsbereich von 100 m oder mehr Ausdehnung repräsentativ. Die Korrelation zwischen dem Wasserstand in einem Bohrloch und den Änderungen der Oberflächengeschwindigkeit stützt die Annahme, dass das Gleiten eines temperierten Gletschers weitgehend vom Wasserdruck am Untergrund geregelt wird.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1.Approximate location of bore holes, South Cascade Glacier, 1973–77. Bore holes which connected with the subglacial water system are labelled with the year and hole number for that year. The locations are superimposed on a new map of the bed topography, obtained from radio echo-sounding in 1975 (see text).

Figure 1

Fig. 2.Water levels in the three 1975 bore holes which connected with the basal water system. Holes 75–8 and 75–14 were about 100 m apart and hole 75–1 was about 400 m up-glacier from the other two. Relative values of daily liquid input are indicated by the vertical bars along the bottom of the upper graph. The origins of the water-level axes are not known exactly but are approximately the same height above the bed (about 90–110m). The relative accuracy of the water levels is about ±0.35 m. The surface speed at the lower two bore holes, accurate to about ± 2 mm d-1, is indicated by the heavy horizontal lines.