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Subglacial Hydrology for an Ice Sheet Resting on a Deformable Aquifer

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

E. M. Shoemaker*
Affiliation:
Department of Mathematics and Statistics, Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia V5A 1S6, Canada
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Abstract

Subglacial hydrology is investigated for an ice sheet where the substrate consists of a deformable aquifer resting on an aquitard. If sliding velocities are low or absent, subglacial melt-water drainage is dominated by drainage through the aquifer to water channels. Drainage along the bed is negligible. Efficient melt-water drainage requires that a system of subglacial water channels exists; otherwise, pore-water pressures will exceed the overburden pressure. In general, aquifer deformation near (away from) the terminus is most likely to occur during the winter (summer). The effect of short-term high channel pressures is, in general, not critical to aquifer deformation because the pressure pulse does not propagate far into the aquifer. (For aquifers of high permeability, short periods of high channel pressures constitute the most critical condition.) Aquifer deformation at the terminus is very likely to occur if the terminus ice slope exceeds tan ϕ, where ϕ is the Coulomb friction angle of the aquifer material. Upwelling of basal melt water near the terminus will normally cause soil dilation if the aquifer has a low permeability (e.g. till). Maximal profiles are computed corresponding to various aquifer materials using channel spacings which provide efficient drainage. (A maximal profile is the highest ice profile which the aquifer can sustain without deformation.) In general, maximal profiles lie well above observed profiles (such as h(x) = 3x 1/2 (m)) except near the terminus. However, if channel spacings are sufficiently large, pore-water pressures are increased and maximal profiles can lie well below h(x) = 3x 1/2.

Résumé

Résumé

On étudie l'hydrologie sous glaciaire d'une nappe de glace dont le substratum est un aquifère déformable reposant sur une couche imperméable. Si la vitesse de glissement est faible ou nulle le drainage sous glaciaire des eaux de fusion se fait, à travers l'aquifère, vers les chenaux. Le drainage le long du lit est négligeable. Un drainage efficace des eaux de fusion nécessite l'existence d'un réseau de chenaux sous glaciaires, sinon la pression intersticielle dépasserait la pression lithostatique. En général la déformation de l'aquifère près (loin) du front a plus de chances de se produire en hiver (été). Les épisodes brefs de haute pression dans les chenaux n'ont généralement pas de conséquences critiques sur la déformation des aquifères parte que l'onde de pression ne se propage pas trts loin dans l'aquifère. (Par contre pour des aquifères très perméables les courtes périodes de haute pression dans les chenaux représentent les conditions les plus critiques.) La déformation des aquifères au front du glacier a le plus de chances de se produire lorsque la pente de la surface de la glace dépasse tg ϕ où ϕ est l'angle de frottement de Coulomb du matériau constituant l'aquifère. La remontée des eaux près du front doit provoquer une dilatance du sol si l'aquifère a une faible perméabilité (ex: argile à blocaux). On calcule les profils maxima correspondant à différentes compositions de l'aquifère et une densité de chenaux permettant un drainage suffisant. (Un profil maximum est le profil le plus épais que puisse supporter un aquifère sans se déformer.) En général les profits maxima sont bien au-desus des profils observés (comme sauf au voisinage du front. Néanmoins si les chenaux sont suffisamment espacés les pressions intersticielies augmentent et les profits maxima peuvent-être bien en dessous de

Zusammenfassung

Zusammenfassung

. Für ein Eisschild, dessen Untergrund aus einer deformierbaren wasserführenden Schicht, aufgelagert einem Stauhorizont, besteht, wird die subglaziale Hydrologie untersucht. Wenn die Gleitgeschwindigkeiten gering sind oder ganz fehlen, wird das Schmelzwasser hauptsächlich über die wasserführende Schicht in Wasserkanäle abgeleitet. Der Abfluss über das Bett ist vernachlässigbar. Wirksamer Schmelzwasserabfluss erfordert das Vorhandensein eines Systems subglazialer Kanäle; sonst überschreitet der Porenwasserdruck den Auflagedruck. Im allgemeinen deformiert sich die wasserführende Schicht nahe bzw. fern dem Gletscherrand meist im Winter bzw. Sommer. Die Auswirkung kurzzeitiger hoher Drucke in den Kanälen ist im allgemeinen unkritisch für die Deformation, weil der Druckimpuls nicht welt in die Schicht eindringt. (Für wasserführende Schichten mit hoher Durchlässigkeit stellen kurze Perioden hohen Kanaldrucks die kritischsten Zustände dar.) Deformation am Eisrand tritt mit grosser Wahrscheinlichkeit dann ein, wenn die Neigung des Randeises tan ϕ überschreitet, wobei ϕ der Coulomb'sche Reibungswinkel des wasserführenden Materials ist. Vom Untergrund aufquellendes Schmelzwasser nahe dem Eisrand wird gewöhnlich zur Ausdehnung des Bodens führen, wenn die wasserführende Schicht nur wenig durchlässig ist (z.B. Geschiebe). Mit Kanalabständen, die einen wirksamen Abfluss ermöglichen, werden Maximal-Profile für verschiedenes wasserführendes Material berechnet. (Ein Maximal-Profil ist das höchste Eisprofil, das die wasserführende Schicht ohne Deformation tragen kann.) Im allgemeinen liegen die Maximal-Profile weit über beobachteten Profilen (wie etwa h(x) = 3x 1/2(m)), ausser in der Nähe des Eisrandes. Überschreiten jedoch die Kanalabstände ein gewisses Mass, dann steigt der Druck des Porenwassers, und die Maximal-Profile können durchaus unter h(x) = 3x 1/2 liegen.

Information

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

Fig. 1.(a) Plan view of the terminus of an ice sheet expanding in radial flow. (b) Simplified aquifer hydrology at the terminus midway between existing water channels.

Figure 1

Fig. 2.Cross-section of a water channel at the top or center of a debris layer where the channel bed is stable to erosion because the fines have been washed away.

Figure 2

Table I.Standard parameter values for four soils used in calculations(e values are computed from Equation (16) using ΔPp = 105 Pa. Values of d are computed from Equation (13). Data from Bjerrun (1967) and Head (1980))

Figure 3

Fig. 3.Maximal profiles corresponding to data of Table I for L = 103 km and ΔPp = 1 bar. A. Silty clay; B. Silty sand; C. Medium sand: D. Gravel; E.

Figure 4

Table II.Ratios of: Winter h (Standard e Values)/h (10 × Standard e Values) at Mid-Span and Divide for 100 km and 1000 km Ice Sheets. Channel Spacings Unchanged

Figure 5

Table III.Ratios of: Winter h (Standard e Values)/h (10 × e Values) at Mid-Span and Divide for 100 km and 1000 km Ice Sheets. Channel Spacings Satisfy e ~ √d. Silty Clay e Value Remains at Zero

Figure 6

Table IV.Hydraulic Conductivities K, Aquifer Compressibilities α, Porosities n, and Computed Dist Ances x* AND x** at which the Amplitude of Daily and Annual Channel-Pressure Fluctuations Attenuate By 1/e. (Data From Freeze and Cherry, 1979)

Figure 7

Fig. 4.Ratio of (Equation (30)) to Pc(x) (Equation (14)). Curves C and D use from Equation (26). Curves A and B use from Equation (24) (winter). κ values are 1.2, curves A and C, and 2.0, curves B and D.

Figure 8

Table V.Δt Values in Days at Various x/L* Values for Constant-State Winter Maximal Profiles and 3√x. L* Values are: Silty Clay, 100 km; Silty Sand, 38.3 km; Medium Sand, 10.9 km; Medium Gravel, 2.6 km; 3√x Profile, 100 km. Channel Spacing is 400 m for last case