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Cyclic Surging of Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

G. de Q. Robin
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Cambridge, England
J. Weertman
Affiliation:
Departments of Materials Science and Geological Sciences and Materials Research Center, Northwestern University, Evanston, Illinois 60201, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A partly phenomenological theory and model are constructed of cyclically surging glaciers. During the after-surge portion of a surge cycle the lower portion of a glacier becomes increasingly stagnant. The upper part of the glacier gradually becomes more active as both its thickness and the magnitude of its basal shear stress increase. In the region between these two parts, called by us the trigger zone, the value of the derivative of the basal shear stress in the longitudinal direction of the glacier gradually increases with time. The pressure gradient in the water at the base of a glacier is related to the derivative of the basal shear stress. The pressure gradient decreases as the basal shear-stress gradient increases. The pressure gradient actually can take on negative values, a condition which produces “up-hill” water flow at the base of a glacier. A surge is started in the trigger zone when water is dammed there by a zero water-pressure gradient. The zone of fast-sliding velocities propagates up the glacier from the trigger zone with a velocity of the order of a surge velocity. The fast-sliding velocity zone also propagates down the glacier because of increased melt-water production.

Résumé

Résumé

On construit un modèle et une théorie partiellement phénoménologique des crues glaciaires cycliques. Pendant la partie d’un cycle qui suit la crue, la partie inférieure du glacier devient de plus en plus stagnante. La partie supérieure devient progressivement plus active puisque son épaisseur et l’intensité de la contrainte de cisaillement à la base sont croissantes. Dans la région située entre ces deux parties, que nous appellerons la zone de déclenchement, la valeur de la dérivée de la contrainte de cisaillement à la base dans le sens longitudinal croît avec le temps. Le gradient de pression dans l’eau à la base d’un glacier est fonction de la dérivée de la contrainte de cisaillement à la base. Ce gradient décroît quand augmente la contrainte de cisaillement. Le gradient de pression peut en fait prendre des valeurs négatives, ce qui produit un écoulement d’eau vers l’amont à la base du glacier. Une crue démarre dans la zone de déclenchement lorsque l’eau y est bloquée par un gradient nul de pression de l’eau. La zone des grandes vitesses de glissement s’étend vers le haut du glacier à partir de la zone de déclenchement avec une rapidité de l’ordre de la vitesse de la crue. La zone de grande vitesse de glissement se propage aussi vers l’aval en raison de la production accrue d’eau de fusion.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für zyklisch schnell vorstossende Gletscher wurde eine teilweise phänomenologische Modelltheorie konstruiert. Während der Phase nach einem schnellen Vorstoss eines solchen Zyklus stagniert der untere Teil eines Gletschers immer mehr. Der obere Teil des Gletschers wird allmählich aktiver, da sowohl seine Mächtigkeit wie auch die Stärke der Scherspannungen am Grunde anwachsen. Im Gebiet zwischen diesen beiden Teilen, das wir die Auslösezone (trigger zone) nennen, wächst die Ableitung der Scherspannung am Grund in der Längsrichtung des Gletschers allmählich mit der Zeit. Der Druckgradient im Wasser am Grund eines Gletschers steht in Beziehung mit der Ableitung der basalen Scherspannung. Der Druckgradient nimmt mit anwachsenden Gradienten der basalen Scherspannung ab. Der Druckgradient kann tatsächlich negative Werte annehmen, ein Zustand, der ein Bergauf-Strömen des Wassers am Grund eines Gletschers hervorruft. Ein schneller Vorstoss beginnt in der Auslösezone, wenn dort Wasser infolge eines Druckgradienten o aufgestaut wird. Die Zone mit hoher Gleitgeschwindigkeit weitet sich von der Auslösezone gletscheraufwärts mit einer Geschwindigkeit von der Grössenordnung eines schnellen Vorstosses aus. Aber auch gletscherabwärts breitet sie sich wegen der zunehmenden Schmelzwasserproduktion aus.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1973
Figure 0

Fig. 1. (a) Upper and lower ice-surface profiles of Finsterwalderbreen (from Husebye and others, [1965]; Liestøl, 1969). (b) The approximate shear stress τ = ρgh sin α versus distance along the glacier.

Figure 1

Fig. 2. Same plots as for Figure 1 but for Muldrow Glacier (from Post, 1960). The bed profiles A and B are two possible profiles that can be inferred from Post’s (1960) data.

Figure 2

Fig. 3. Longitudinal cross-section of a glacier showing symbols used in text.

Figure 3

Fig. 4. Schematic longitudinal glacier profiles. Vertical scale is exaggerated. Profile A: steady-state profile of glacier with basal shear stress τm. Profile B: profile of glacier of profile A shortly after basal shear stress is reduced from the value τm to the value τ0. Profile C: steady-state profile of glacier with basal shear stress τ0 < τm.

Figure 4

Fig. 5. Schematic curves of accumulation rate verus distance along a glacier.

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Fig. 6. Schematic longitudinal glacier profiles. Vertical scale is exaggerated, particularly for step in profile E. Profile A and B are the same as those in Figure 4. Profiles D and E at two successive times after a surge. Profile E occurs when τ ≈ τm in the accumulation zone and is the profile which exists shortly before a surge starts.

Figure 6

Fig. 7. Schematic plot of basal shear-stress component τ versus distance along a glacier shortly before a surge starts. Up-hill water flow (Pg < 0) or stationary water flow (Pg = 0) can occur either with a maximum (solid curve) or without a maximum (dashed curve) in the basal shear stress.

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Fig. 8. Schematic plots of basal shear stress and glacier profiles versus distance x at various stages of a surge (see text). Vertical scale is exaggerated.