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Basal Water and High-Pressure Basal Ice

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

J. Weertman*
Affiliation:
Department of Materials Science and Engineering, Materials Research Center, and Department of Geological Sciences, Northwestern University, Evanston, Illinois 60201, U.S.A.
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Abstract

Expressions are found for the water pressure in channels and cavities under a temperate glacier in a steady state. By steady state is meant that not only is the sliding velocity constant but also the basal water flow as well as the basal water production. The calculations are based on a simplified bimodal obstacle bed. One-size obstacles are of the magnitude of the conventional “controlling” obstacles size. The other obstacle size is several orders of magnitude larger than the controlling size. The large obstacles are introduced in order to investigate the storage of large amounts of water at the bed. The effect of the missing obstacles is mimicked by adding a friction stress whose values decrease linearly with ice–rock separation. It is found that water flow is primarily in a water film if the water flux is below a critical limit. The physical reason for this result is that a minimum water flow must be exceeded in order to keep a water channel open in high ice-pressure regions in front of obstacles. The new ingredient in our analysis of water flow is the explicit account taken of the effect of excess ice pressure (at the up-stream side of obstacles) on the closing of water channels. The excess ice-pressure regions play a critical role in the development of water films. The recognition of the possible importance of high-pressure basal ice regions to the regulation of water flow is the primary result of this paper. It is found that, in steady state, the water pressure is close to the overburden ice pressure provided that water transported through Nye channels is only a minor part of the total. The water flows primarily in a water film. If a large flux of upper-surface melt water descends to the bed, this water could cause a reduction of the water pressure and a channelization of the water flow.

Résumé

Résumé

Des expressions sont obtenues pour la pression de l’eau dans les chenaux et cavités sous un glacier tempéré en état de régime. Par état de régime on entend que non seulement la vitesse de glissement est constante mais aussi que l’écoulement de l’eau à la base ainsi que la production d’eau au fond sont fixes. Les calculs sont basés sur un obstacle du lit bimodal simplifié. Certains de ces obstacles sont de taille comparable à celle de l’obstacle-contrôle conventionel. Tandis que les autres sont d’une taille plusieurs fois supérieure. Les obstacles de grande taille sont introduits de façon à voir l’effet de stockage d’importantes quantités d’eau sur le lit. L’effet des obstacles ennoyés est simulé par l’introduction d’une contrainte de frottement dont l’importance décroit linéairement avec la distance au lit. On obtient que l’écoulement de l’eau est principalement causé par le film d’eau tant que le flux reste au-dessous d’une limite critique. La raison physique de ce résultat vient de ce qu’un écoulement d’eau minimum peut être dépassé de façon à conserver ouverts les chenaux d’eau dans les zones de fortes pression de la glace à l’amont des obstacles. Ce nouvel “ingrédient” dans nos analyses de l’écoulement de l’eau est la prise en compte explicite de l’effet d’excès de pression de la glace (sur la face amont des obstacles) sur la fermeture des chenaux d’eau. Ces régions de pression de glace en excès jouent un rôle critique dans le développement des films d’eau. La mise en évidence de la possible importance des régions de glace basale à forte pression dans la régulation de l’écoulement de l’eau est le résultat principal de cet article. On obtient que pour un état stationnaire, la pression de l’eau est voisine de celle de la glace susjacente, pourvu que l’eau évacuée à travers les chenaux de Nye reste une faible partie de l’écoulement total. L’écoulement d’eau principal se fait dans un film d’eau. Si un fort afflux d’eau de fonte atteint le lit, alors cette eau peut causer une diminution de la pression dans l’eau et créer un écoulement en chenaux.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für den Druck von Wasser in Kanälen und Hohlräumen unter einem stationären temperierten Gletscher werden Formeln hergeleitet. Unter “stationär” ist dabei zu verstehen, dass nicht nur die Gleitgeschwindigkeit sondern auch der Wasserfluss sowie der Wassernachschub am Untergrund konstant sind. Die Berechnungen setzen ein vereinfachtes Bett mit zwei verschiedenen Hindernistypen voraus. Die Grössenordnung der ersten Hindernisart entspricht der üblichen Grösse von “Steuerhindernissen”; diejenige der anderen Hindernisse ist einige Ordnungen grösser. Die grossen Hindernisse werden eingeführt, um die Speicherung grosser Wassermengen am Bett untersuchen zu können. Das Fehlen von Hindernissen wird durch die Einführung einer Reibungskraft simuliert, deren Grösse linear mit dem Zwischenraum zwischen Eis und Fels abnimmt. Es ergibt sich, dass das Wasser vor allem dann in einem Film fliesst, wenn der Fluss unter einer kritischen Grenze bleibt. Die physikalische Begründung für dieses Ergebnis besteht darin, dass ein minimaler Wasserfluss überschritten werden muss, wenn Wasserkanäle in Hochdruckgebieten vor Hindernisen offen gehalten werden sollen. Die Neuerung in dieser Analyse des Wasserflusses ist in der expliziten Berücksichtigung des Einflusses übermässigen Eisdruckes (auf der stromaufwärts liegenden Seite der Hindernisse) auf das Schliessen von Wasserkanälen zu sehen. Die Gebiete mit übermässigem Eisdruck spielen in der Entwicklung von Wasserfilmen eine kritische Rolle. Die Erkenntnis der möglichen Bedeutung von Gebieten unter hohem Druck im Eis am Untergrund auf die Regelung des Wasserflusses ist das wesentliche Ergebnis dieser Arbeit. Es zeigt sich, dass bei stationärem Zustand der Wasserdruck nahe beim Druck des überlagernden Eises liegt, sofern das Wasser, das in Nye-Kanälen fliesst, nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtflusses ausmacht. Das Wasser fliesst dann vor allem in einem Film. Erreicht ein starker Strom von Oberflächenschmelzwasser das Bett, so könnte dieses Wasser einen Druckabfall und eine Kanalisierung des Wasserflusses bewirken.

Information

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

Fig. 1. Bimodal obstacle glacier bed.

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Fig. 2. Looking down on a single obstacle-size glacier bed where the obstacles are arranged in a simple cubic pattern. Water cavities and connecting channels are also shown.

Figure 2

Fig. 3. Cross-section of water-flow path through water cavities and connecting channels of Figure 2.

Figure 3

Fig. 4. Same figure as Figure 2 when cavities extend to the next obstacle and the water flux is too great to be carried by a cavity–channel system.

Figure 4

Fig. 5. Looking down on a glacier bed with randomly spaced obstacles. Large obstacles are not shown. Each obstacle has a lee-side water cavity with an exit channel that connects with a down-stream water cavity.

Figure 5

Table I. Critical Distance Λ

Figure 6

Table II. Critical Distance Λ

Figure 7

Table III. Critical Distance Λ*

Figure 8

Table IV. Critical Distance Λ*