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Pressure-Melting Effects in Basal Ice of Temperate Glaciers: Laboratory Studies and Field Observations Under Glacier D’Argentière

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

D. J. Goodman
Affiliation:
Cavendish Laboratory, Madingley Road Cambridge CB3 oHE England
G. C. P. King
Affiliation:
Department of Geodesy and Geophysics, Madingley Road Cambridge CB3 oHZ England
D. H. M. Millar
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Lensfield Road Cambridge CB2 IER England
G. de Q. Robin
Affiliation:
Scott Polar Research Institute, Lensfield Road Cambridge CB2 IER England
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The suggestion that patches of basal ice may freeze to the bed of a glacier due to certain regelation effects has been tested in the laboratory by applying high hydrostatic pressures to ice samples at the pressure-melting point. During compression, ice temperatures follow the pressure-melting point closely, but after rapid decompression the ice temperature at first returns only half to three-quarters of the way to the pressure-melting point, after which it appears to warm by thermal conduction from outside the ice sample. If the moving ice at the base of a glacier behaves in the same way as it is exposed to changing pressure fields, frozen patches at bedrock are to be expected.

Records of strain variations in a tunnel beneath Glacier d’Argentière show two types of strain events. The first is a rapid jump or offset in the recorded strain, while the second are strain excursions, initiated by a change in strain over a period up to ten seconds, followed by a gradual recovery to the original strain over some minutes. It is suggested that the offset events are due to nearby stress release due to fracturing of frozen patches of ice at the bedrock while the strain-excursion events show the more distant adjustment of the glacial bed to the former events due to the time lags associated with changes of water-film thickness and regelation heat flow.

Résumé

Résumé

L’hypothèse que des lambeaux de glace de fond peuvent adhérer au lit rocheux d’un glacier par certains effets de regel a été soumise à l’épreuve du laboratoire en appliquant de fortes pressions hydrostatiques à des échantillons de glace au point de fusion par pression. Pendant la période de compression, la température de la glace se règle exactement sur le point de fusion correspondant à la pression, mais après une décompression brutale, la température de la glace revient d’abord de seulement la moitié ou les trois-quarts du chemin qui la sépare du point de fusion sous pression, après quoi la température semble se réchauffer par conduction thermique depuis l’extérieur de l’échantillon. Si la glace en mouvement sur le fond d’un glacier se comporte de la même manière lorsqu’il est exposé à des variations de pression, on peut s’attendre à la formation de lambeaux de glace de fond adhérant à la roche par regel.

Des enregistrements de variations de contraintes dans un tunnel creusé sous le glacier d’Argentière montre deux types d’événements. Le premier est un saut rapide ou un pic dans l’enregistrement des contraintes, tandis que les seconds sont de petites indentations de la courbe des contraintes commencant par une variation d’une durée allant jusqu’à 10 secondes suivies d’un retour graduel à la valeur originelle en quelques minutes. On suggère que les pics sont dûs à des relachements soudains par rupture dans le voisinage de zones adhérant à la roche par le gel, tandis que les indentations révèlent des ajustements se produisant plus loin, du lit glaciaire aux événements ci-dessus en raison du retard introduit par les variations dans l’épaisseur du film liquide et du flux de chaleur de regel.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Annahme, dass Flecken von Eis infolge gewisser Regelations-effekte an das Bett eines Gletschers anfrieren könnten, wurde im Labor durch Aufprägung hoher hydrostatischer Drucke auf Eisproben am Druckschmelzpunkt geprüft. Während der Kompression liegen die Eistemperaturen dicht am Druckschmelzpunkt, aber nach schneller Dekompression kehrt die Eistemperatur zuerst nur zur Hälfte bis drei Viertel des Weges zum Druckschmelzpunkt zurück, wonach es infolge der Wämeleitung von ausserhalb der Probe zu warm zu sein scheint. Wenn das bewegte Eis am Grunde eines Gletschers sich gerade so verhält, als wäre es wechselnden Druckfeldern ausgesetzt, dann sind aufgefrorene Flecken am Felsbett zu erwarten.

Aufzeichnungen der Spannungsschwankungen in einem Tunnel unter dem Glacier d’Argentière zeigen zwei Typen von Spannungsreignissen. Der erste ist ein schneller Sprung oder Absatz in der Spannungs-aufzeichnung, während der zweite in Spannungsausschlägen besteht, die mit einem Spannungswechsel über eine Periode bis zu 10 Sekunden beginnen, gefolgt von einer allmählichen Rückkehr zur Ausgangsspannung in einigen Minuten. Es wird angenommen, dass die Sprungereignisse durch Druckabfall in der Nachbarschaft infolge des Abbruchs angefrorener Eisflecken vom Felsbett verursacht werden, während die Spannungs-ausschläge die weiter entfernte Anpassung des Gletscherbettes an die vorher genannten Ereignisse wiedergeben, die infolge der zeitlichen Verzögerung mit Schwankungen in der Dicke des Wasserfilms und mit dem Fluss von Regelationswärme verbunden ist.

Information

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

Fig. 1.Apparatus used to load the ice at various hydrostatic pressures.

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Fig. 2.Temperature changes produced by loading and unloading the ice block: (a) ice at ‒ 1.09°C, load of 50 bars for 5 min; (b) ice at 0.00°C, load of 50 bars for 5 min; (c) ice at 0.00°C, load of 100 bars for 5 min; (d) ice at 0.00°C, load of 50 bars for times from 5 s to 300 s as shown; (e) ice at 0.00°C, load of 50 bars, with absorbent layer of talc compressed in chamber.

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Fig. 3.A plan of the tunnel network under the Glacier d’Argentière. The contours are of the rock bed. The ice thickness above the cavity is about 80 m. ARGA, ARGB, and ARGC are the sites of the three wire strainmeters.

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Fig. 4.The profile of the glacier bed in the plane of the three strainmeters.

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Fig. 5.Some examples of the events observed on the records of the strainmeters. The trace is a measure of the elastic strain changes in the rock tunnel as the glacier slides over its bed above the tunnel.

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Fig. 6.Similar events observed in bore holes close to the San Andreas fault, California (from McHugh and Johnston, 1977).

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Fig. 7.Histograms showing number of events on individual strainmeters as a function of the time between events: (a) strainmeter A, 1 to 8 September 1975; (b) strainmeter A, 20 December 1975 to 13 January 1976; (C)strainmeter C, 20 December 1975 to 3 January 1976; (d) strainmeter C, 17 April to 16 May 1976.