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Propagating Strain Anomalies during Mini-Surges of Variegated Glacier, Alaska, U.S.A.

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Charles F. Raymond
Affiliation:
Geophysics Program AK-50, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A
Stephen Malone
Affiliation:
Geophysics Program AK-50, University of Washington, Seattle, Washington 98195, U.S.A
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Abstract

Wire strain meters and seismometers spaced longitudinally along the upper part of Variegated Glacier, Alaska, showed quasi-periodic episodes of increased velocity (mini-surges), which lasted about 1 day and recurred at intervals of a few days to 2 weeks during the early part of the melt seasons of 1979, 1980, and 1981. The zone affected by these mini-surges corresponds to the zone of highest velocity and basal stress increase over the previous decade, and the initiation of the most recent surge in 1982. Mini-surges initiate locally; as a single melt season progresses, the later mini-surges start at higher locations and show a distinct down-glacier propagation of a characteristic strain pattern and associated zone of acoustic emissions at speeds of 0.1–0.6 km h−1. During mini-surges, extensile and compressive strain-rates exceed 10 × 10−4 d−1 and 40 × 10−4 d−1, respectively; typical strain-rates between mini-surges were less than 2 × 10−4d−1 in magnitude. Seismic activity jumped by two orders of magnitude and was distinctly audible during a mini-surge. Maximum strain-rate during mini-surges decreased from year to year. The high time resolution of the strain allows short time-scale structure of velocity variations to be deduced. As a propagating mini-surge passes, the velocity anomaly at a fixed location is characterized by a rapid initial rise over a few hours to two distinct peaks separated by a few hours, followed by a slower return to normal velocity taking up to a day. The double peak in velocity may arise from a single, very sharp, transient peak in the basal slip velocity associated with the initial opening of cavities at the base in response to a sudden rise in basal water pressure (observed by Kamb and Engelhardt). This supports an important role for basal cavitation in the mini-surge mechanism.

Résumé

Résumé

Des jauges de déformation et des géophones disposées longitudinalement sur la partie supérieure du Variegated Glacier, Alaska, ont montré des épisodes quasi-périodiques des déplacements accélérés (mini-surge), qui duraient environ 1 jour et se reproduisaient à intervalles de quelques jours à 2 semaines au cours du début de la saison de fonte des années 1979, 1980 et 1981. Les zones affectées par ces mini-surges correspondent à la zone de plus forte vitesse et d’augmentation de contrainte basale lors de la décade antérieure et du début de la plus récente surge en 1982. Les mini-surges débutent localement; avec la progression de la saison de fonte d’autres mini-surges se développent dans les zones supérieures et montrent une propagation à l’aval distincte par leurs caractéristiques de déformation et leur zones associées d’émissions acoustiques à la vitesse de 0,1 à 0,6 km par heure. Pendant les mini-surges des taux de déformation extensifs ou compressifs ont dépassé 10 × 10−4d−1 et 40 × 10−4d−1 respectivement; les taux de déformations habituels entre les mini-surges étaient inférieurs à 2 × 10−4d−1. L’activité sismique s’éleva de deux ordres de grandeur et fut audible pendant une mini-surge. Les taux de déformation pendant les mini-surges décroissent d’année en année. La haute résolution temporelle de la déformation permet d’en déduire une structure de variation de la vitesse sur de courts espaces de temps. Au passage de la mini-surge, l’anomalie de vitesse en site fixe est caractérisée par une augmentation initiale rapide sur quelques heures avec deux pics séparées de quelques heures, suivis par un plus lent retour à la normale sur plus d’un jour. Le double pic de vitesse peut être créé par un seul, très intense pic dans la vitesse de glissement basal associé au début d’ouverture des cavités sur le lit en réponse à une augmentation brusque de la pression d’eau (observation de Kamb et Engelhardt). Cela milite en faveur du rôle important joué par les cavités basales dans le mécanisme des mini-surges.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Draht-Spannungsmesser und Seismometer, ausgelegt in der Längsachse des oberen Variegated Glacier, Alaska, zeigten quasi-periodisches Auftreten von erhöhter Geschwindigkeit (Klein-Ausbrüche) an, das etwa einen Tag lang anhielt und in Intervallen von einigen Tagen bis zu zwei Wochen zu Beginn der Schmelzperioden von 1979, 1980 und 1981 wiederkehrte. Die von diesen Klein-Ausbrüchen betroffene Zone fällt mit der Zone höchster Geschwindigkeit und Zunahme der Spannung am Untergrund während des letzten Jahrzehnts und dem Ausgangsgebiet des jüngsten Ausbruches im Jahre 1982 zusammen. Klein-Ausbrüche beginnen lokal – im Verlauf einer einzelnen Schmelzperiode wandern die Klein-Ausbrüche gletscheraufwärts und zeigen verschiedene Fortpflanzung gletscherabwärts mit charakteristischen Spannungsmustern und damit verbundene Zonen akustischer Emission mit Geschwindigkeiten von 0,1–0,6 km/h. Während der Klein-Ausbrüche überschreiten Zug- und Druckspannungsraten die Werte 10 × 10−4d−1 bzw. 40 × 10−4 d−1; typische Spannungsraten zwischen Klein-Ausbrüchen waren kleiner als 2 × 10−4d−1. Während eines Klein-Ausbruches wuchs die seismische Aktivität sprunghaft um zwei Grössenordnungen und war deutlich hörbar. Die maximale Spannungsrate während der Klein-Ausbrüche nahm von Jahr zu Jahr ab. Die hohe zeitliche Auflösung der Spannung erlaubt die Herleitung einer kurzzeitigen Struktur der Geschwindigkeits-schwankungen. Wenn ein Klein-Ausbruch durchläuft, ist die Geschwindigkeitsanomalie an einer bestimmten Stelle durch eine schnelle anfängliche Zunahme innerhalb weniger Stunden und zwei deutliche Höhepunkte, zwischen denen einige Stunden liegen, gekennzeichnet – dann folgt im Zeitraum bis zu einem Tag eine langsame Rückkehr zu normalen Geschwindigkeiten. Das doppelte Geschwindigkeits-maximum dürfte von einem einzelnen, sehr scharfen vorübergehenden Maximum in der Gleitgeschwindigkeit am Untergrund verursacht sein, verbunden mit dem Aufbruch von Hohlräumen am Untergrund als Auswirkung einer plötzlichen Zunahme des Wasserdrucks (beobachtet von Kamb und Engelhardt). Dies ist eine Stütze für die Annahme einer wichtigen Rolle von Hohlräumen am Untergrund im Mechanismus der Klein-Ausbrüche.

Information

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

Fig. 1.Map of Variegated Glacier with ticks showing integral kilometer positions measured from the head of the glacier.

Figure 1

Table I.Secular Strain–Rates (10−4 d−1)

Figure 2

Fig. 2.Part of drum-recorder record from seismometer at 6.7 km including activity during mini-surge 79/3.

Figure 3

Fig. 3.Strain and seismicity records for mini-surge 79/1. (Vertical dashed line on seismicity record shows time of gain adjustment in the recorder amplifier. Subsequent data are re-normalized to account approximately for the change in instrument characteristics.)

Figure 4

Fig. 4.Strain and seismicity records for mini-surge 79/3.

Figure 5

Fig. 5.Strain and seismicity records for mini-surge 80/5.

Figure 6

Fig. 6.Strain and seismicity records for mini-surge 81/5a and 5b.

Figure 7

Table II.Strain-Anomaly Parameters

Figure 8

Fig. 7.Propagation diagram for mini-surges. Horizontal solid lines indicate the longitudinal position of strain meters (gaps in the line indicate times when a meter was not working). Affixed symbols indicate whether the strain-rate anomaly is extensile (+++). compressive (---), or near zero (......). Gaps in the progression of symbols indicate transitions between those that are gradual and cannot be timed better than the interval of the gap. Circle data points show the times of distinct changes in strain-rate with solid points indicating increased relative extension rate and open points indicating increased relative compression rate. Diagonal lines join correlated strain-rate transitions at different locations and times where —— indicates a large change in strain-rate (|∆ė*| > 5 × 10−4) localized in time (∆t < 0.3 h). — — — indicates a large change but spread out in time, - - - indicates a weak change in strain-rate, and…. indicates inference by extrapolation. Shading indicates space–time zones of anomalous extension (....) and compression (----). Horizontal dashed lines show positions and periods of operation of recording seismometers. The superimposed heavy lines indicate times of heightened seismic activity and the vertical bars labeled “a” bracket the hour of highest activity. Bars labeled “v” indicate velocity peaks and ∆ indicate water-level peaks measured by Kamb and Engelhardt (in press).

Figure 9

Table III.Propagation Speed of Principal Extension Transition

Figure 10

Fig. 8.Schematic representation of space-time patterns of strain anomaly corresponding to simple velocity-anomaly patterns.

Figure 11

Fig. 9.Velocity anomaly inferred from Equation (9b), indicated by parameters w and α. or from Equation (15), indicated by parameter β. Choice of parameters is explained in the text. Ticks are absent from the velocity axis where data for scaling the inferred velocity anomaly are unavailable. Direct measurements of velocity in mini-surge 80/5 are shown for comparison, as discussed in text.