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Flow in a Transverse Section of Athabasca Glacier, Alberta, Canada*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

C.F. Raymond*
Affiliation:
California Institute of Technology, Pasadena, California 91109, U.S.A.
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Abstract

Measurements of ice deformation at the surface and at depth in the Athabasca Glacier, Canada, reveal for the first time the pattern of flow in a nearly complete cross-section of a valley glacier, and make it possible to test the applicability of experimental and theoretical concepts in the analysis of glacier flow. Tilting in nine bore holes (eight holes essentially to the bottom at depth about 300 m) was measured with a newly developed electrical inclinometer. The new instrument permitted bore-hole configurations to be determined with greater speed and accuracy than possible with earlier methods. The measurements define the distribution of the velocity vector and the strain-rate tensor over about 70% of the area of the glacier cross-section.

The main longitudinal component of flow has the following general features: (1) basal sliding velocity which exceeds 70% of the surface velocity over half of the width of the glacier, (2) marginal sliding velocity (not more than a few meters per year) much less than basal sliding velocity at the center-line (about 40 m a-1), (3) marginal shear strain-rate near the valley walls two to three times larger than the basal shear strain-rate near the center-line (0.1 a-1).

The observed longitudinal flow is significantly different from that expected from theoretical analysis of flow in cylindrical channels (Nye, 1965). The relative strength of marginal and basal shear strain-rate is opposite to that expected from theory. In addition, the longitudinal flow velocity averaged over the glacier cross-section (which determines the flux of ice transported) is larger by 12% than the average flow velocity seen at the glacier surface, whereas it would be essentially the same if the theoretical prediction were correct. These differences are caused to a large extent by the contrast between the actual distribution of sliding velocity and the constant sliding velocity for which the theoretical analysis holds. The observed relation between marginal and basal sliding velocity is probably a general flow feature in valley glaciers, and may be caused by lateral variation of water pressure at the ice-rock contact. The observed pattern of longitudinal velocity over the section also shows in detail certain additional features incompatible with the theoretical treatment, even after the difference in boundary conditions (distribution of sliding velocity) is taken into account.

Longitudinal strain-rate (a compression of about 0.02 a-1 at the surface) decreases with depth, becoming nearly o at the bed in the center of the glacier, which confirms a prediction by Savage and Paterson (1963). The depth variation cannot be explained completely by overall bending of the ice mass as a result of a longitudinal gradient in the curvature of the bed, and is at variance with existing theories, which require the longitudinal strain-rate to be constant with depth.

Motion transverse to the longitudinal flow occurs in a roughly symmetric pattern of diverging margin-ward flow, with most of the lateral transport occurring at depth in a fashion reminiscent of extrusion flow. The observed lateral velocities averaged over depth (up to 1.9 m a-1) are compatible with the lateral flux required to maintain equilibrium of the marginal portions of the glacier surface under ablation (about 3.7 m of ice per year) and are driven by the convex lateral profile of the ice surface.

Résumé

Résumé

Les mesures de déformation de la glace en surface et en profondeur réalisées dans le Glacier de l’Athabasca au Canada, révèlent pour la première fois le comportement de l’écoulement de la glace dans une section transversale à peu près complète d’une vallée glaciaire et rend possible de contrôler l’applicabilité de concepts expérimentaux et théoriques à l’analyse d’un écoulement de glacier. L’inclinaison de neuf forages (huit forages allant pratiquement jusqu’au fond à une profondeur d’environ 300 m) a été mesuré avec un nouveau type d’inclinomètre électrique. Le nouvel instrument a permis de déterminer la configuration du trou de forage avec une vitesse et une précision supérieures à celles qui étaient possibles avec les anciennes méthodes. Les mesures ont défini la distribution du vecteur vitesse et du tenseur des contraintes sur environ 70% de la surface de la section transversale du glacier.

La composante principale longitudinale de l’écoulement a les caractéristiques générales suivantes: (1) la vitesse de glissement sur le fond dépasse 70%, de la vitesse en surface sur la moitié de la largeur du glacier; (2) la vitesse de glissement latérale (pas plus de quelques mètres par an) est très inférieure à la vitesse de glissement sur le fond au niveau de la ligne centrale (environ 40 m a-1); (3) le cisaillement latéral le long des berges de la vallée est deux à trois fois supérieur au cisaillement au fond près de la ligne centrale (0,1 a-1).

L’écoulement longitudinal observé est significativement différent de celui attendu d’après les analyses théoriques de l’écoulement dans des chenaux cylindriques (Nye, 1965). L’écart relatif entre les cisaillements latéral et basai est contraire à celui attendu de la théorie. De surplus, la vitesse moyenne d’écoulement longitudinal à travers la section du glacier (qui détermine le débit de la glace transportée) est surpérieure de 12% à la vitesse moyenne d’écoulement observée à la surface du glacier, alors qu’elle devrait être pratiquement la même si les prévisions théoriques étaient correctes. Ces différences ont, dans une large mesure, pour cause le contraste entre la distribution réelle des vitesses de glissement et la vitesse constante de glissement que suppose l’analyse théorique. Le rapport observé entre les vitesses de glissement latérales et basales est probablement un trait général de l’écoulement dans les glaciers de vallée et peut être causé par la variation latérale de la pression hydrostatique au contact glace-rocher. Le comportement observé de ta vitesse longitudinale dans la section montre aussi en détail certaines autres caractéristiques incompatibles avec le traitement théorique même lorsque les différences dans les conditions aux limites (distribution des vitesses de glissement) ont été prises en compte.

La contrainte longitudinale (une compression d’environ 0,02 a-1 à la Surface) décroît avec la profondeur devenant voisine de o au niveau du lit dans le centre du glacier, ce qui conlirme une prévision de Savage et Paterson (1963). La variation en profondeur ne peut être expliquée entièrement par la courbure générale de la masse de glace en raison d’un gradient longitudinal dans la courbure du lit, et elle est en désaccord avec les théories existantes qui supposent que la contrainte longitudinale ne varie pas avec la profondeur.

Le mouvement transversal à l’écoulement longitudinal se produit de façon grossièrement symétrique comme un écoulement divergent en direction des berges avec le maximum de transport latéral se produisant en profondeur d’une manière rappelant l’écoulement extrusif. Les vitesses latérales moyennes observées du haut en bas des berge (plus de 1,9 m par an) sont compatibles avec le débit latéral requis pour maintenir l’équilibre des portions marginales de la surlace du glacier sous l’atteinte de l’ablation (environ 3,7 m de glace par an) et sont déterminées par le profil latéral convexe de la surface de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Messungen der Eisdeformation an der Oberfläche und in der Tiefe des Athabasca Glacier, Kanada, zeigen erstmalig die Verteilung der Fliessbewegung in einem beinahe vollständigen Querschnitt eines Talgletschcrs. Sie ermöglichen damit die Überprüfung der Anwendbarkeit experimenteller und theoretischer Vorstellungen^ in der Analyse der Gletscherbewegung. Die Neigung in neun Bohrlöchern (acht Lücher praktisch bis auf den Grund in etwa 300 m Tiefe) wurde mil einem neuentwickeltcn elektrischen Klinometer bestimmt. Das neue Gerät erlaubte die Erfassung des Bohrlochverlaufes mit grösserer Geschwindigkeit und Genauigkeit, als es mit früheren Methoden möglich war. Die Messungen liefern die Verteilung der Geschwindigkeitsvektoren und der Deformationstensorcn für etwa 70% des Gletscherprofils.

Die vorherrschende Längskomponente der Bewegung hat folgende allgemeine Merkmale: (1) Die Gleit-geschwindigkeit am Grund, die über die Hälfte der Gletscherbrcite grosser ist als 70% der Oberflächengeschwindigkeit; (2) die Gleitgeschwindigkeit am Rande (nicht mehr als wenige Meier pro Jahr), die weit geringer ist als die Gleitgeschwirirligket in der Mittellinie der Sohle (etwa 40 m pro Jahr), (3) die randliche Scherdeformation nahe den Talwänden, die zwei bis drei Mal so gross ist wie die Scherdeformation in der Mittellinie der Sohle (0,1 pro Jahr).

Die beobachtete Längsbewegung ist wesentlich anders, als nach der theoretischen Analyse der Bewegung in zylindrischen Kanälen (Nye, 1965) zu erwarten ist. Der relativ hohe Wert der Scherdeformation am Rand und am Grund steht nicht im Einklang mit den theoretischen Erwartungen. Darüber hinaus ist die über den Glctscherquerschnitt gemittelte Längsgeschwindigkeit, die den Durchfluss des Eises bestimmt, um 12% grosser als die mittlere Fliessgeschwindigkeit an der Oberfläche, wogegen beide nach der Theorie im wesentlichen gleich sein müssten. Diese Differenzen sind weitgehend durch den Unterschied zwischen der tatsächlichen Verteilung der Gleilgeschwindigkeit und der in der Theorie als konstant angenommenen Gleilgesehwindigkeit verursacht. Die festgestellte Beziehung zwischen Glcitgcschwindigkeit am Rande und am Grund ist wahrscheinlich ein generelles ßewegungsmcrk.nal bei Talglctscherri; sie könnte durch seitliche Unterschiede des Wasserdrucks an der Kontaklllächc Eis-Fels begründet sein. Ebenso zeigt die im Profil beobachtete Längsgeschwindigkeit im einzelnen einige Merkmale, die mit der Theorie unvereinbar sind, auch wenn man den Unterschied der Grenzbedingungen (Verteilung oder Gleitgeschwindigkeit) berücksichtigt.

Die Längsdeform a lion (eine Kompression von etwa 0,02 pro Jahr an der Oberfläche) nimmt mit der Tiefe ab und wird am Grund in der Mille des Gletschers nahezu 0, womit eine Voraussage von Savage und Paterson (1963) bestätigt wird. Die Änderung mit der Tiefe kann nicht vollständig durch eine Gesamtformation der Eismassen als Wirkung eines Längsgradienten in der Krümmung des Gletscherbettes erklärt werden; sie steht im Widerspruch zu bestehenden Theorien, die eine Konstanz der Längsdeformation mit wachsender Tiefe fordern.

Bewegungen quer zum Längsfluss treten in einem annähernd symmetrischen Muster divergierenden Fliessens zu den Rändern auf; dabei erfolgt der seitwärts gerichtete Transport vor allem in der Tiefe und zwar in einer Weise, die an Ausstoss-Fluss erinnert. Die beobachteten Quergeschwindigkeiten, über die Tiefe gemittclt, (bis zu 1,9 m pro Jahr) passen mit dem randlichen Ablluss zusammen, der notwendig ist, um das Gleichgewicht jener randlichen Teile der Gletsehcroberfläche aufrechtzuerhalten, die der Ablation unterliegen (etwa 3,7 m Eis pro Jahr); sie werden durch das konvexe Seitenprofil der Eisoberfläche bewirkt.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1971
Figure 0

Fig. 1.Map of Athabasca Glacier and vicinity modified from the Jasper National Park Map (1:190 080) distributed by the Canadian Government. Outline shows field area and locations of triangulation stations.

Figure 1

Fig. 2.Topographic map of the field area. Bedrock stations are numbered after Reid (1961). Topography and elevations are given as shown on the topographical map (1:4 800) compiled in 1962 by the Canadian Government (Topographical Survey, Department of Mines and Technical Surveys, and the Water Resources Branch, Department of Northern Affairs and National Resources) from aerial photography and field survey carried out on 31 July 1962. Elevation of the ice surface on 8 September 1966 was about 10 ft (3 m) lower than as shown. Surface slope measured from the map and computed from 1966 survey data are in agreement.

Figure 2

Fig. 3.Cross-section geometry. Cross-section shown is the C section of Paterson and Savage (1963). Surface slopes were measured from the 1962 topographic map. Vertical lines represent bore holes of the present study.

Figure 3

Fig. 4.Center-line geometry and surface strain-rate. Data are from Paterson (unpublished). Heavy line segments in longitudinal profile represent reflecting surfaces observed in a seismic survey. Errors in bed slope are as given by Paterson. Arrows C, A, and B give locations of cross-sections in which bore holes were placed during this field experiment.

Figure 4

TABLE I.Chronolooy of bore-hole operations

Figure 5

Fig. 5.Lateral variation of surface velocity. Solid circles give velocity of markers determined directly by triangulation. The often circle gives velocity as estimated from measured velocities at adjacent stakes and tape measure.

Figure 6

Fig. 6.Longitudinal component of tilt measured in hole 1A on 29 July 1967.

Figure 7

Fig. 7.Lateral component of till measured in hole 1A on 29 July 1967

Figure 8

Fig. 8.Longitudinal displacement with respect to the surface as measured in bore holes.

Figure 9

Fig. 9.Lateral displacement with respect to the surface as measured in bore holes.

Figure 10

Fig. 10.Distribution of longitudinal velocity in valley-glacier cross-sections: (a) measured in section A, (b) measured in section B, (c) computed by Nye (1965) for a parabolic channel of width ratio 2. Nye’s solution has been scaled to cover approximately the same range of velocity as observed. Units are m a-1.

Figure 11

Fig. 11.Distribution of longitudinal strain-rate mid-way between sections A and B. Units are a-1.

Figure 12

Fig. 12.Distribution of transverse velocity in (a) section A and (b) section B.

Figure 13

Fig. 13.Definition of geometrical quantities in a cross-section. H = H(0) is the maximum depth in the section, A = A(W_) is the total area of the section; P is the total length of the ice rock contact.

Figure 14

TABLE II.Width ratio of longitudinal velocity contours

Figure 15

Fig. 14.Pressure difference and water level. r(δ) gives the ratio of the difference in hydrostatic over-burden and water pressure at the top of the water column (depth δ) to the same difference at the deepest part of the channel (depth H).

Figure 16

Fig. 15.Depth dependence of longitudinal strain-rate

Figure 17

TABLE III.Observed difference in longitudinal strain-rate between the surface and the bed Δ(∂u/∂x) is compared with the effect of bending as estimated from (a) bore-hole tilt data, (b) triangulation data, (c) surface curvature gradient, (d) bed curvature gradient. units are a-1

Figure 18

Fig. 16.Comparison of depth-averaged lateral velocity predicted from Equation (12) (solid line), observed in section A (solid circle), and observed in section B (open circle).