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Inversion of flow Measurements for Stress and Rheological Parameters in a Valley Glacier*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Charles F. Raymond*
Affiliation:
Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, California 91109, U.S.A.
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Abstract

Methods are developed for determining the distributions of stress and effective viscosity in a glacier, under the assumptions: the ice is quasi-viscous, the flow is time independent, and acceleration forces are negligible. Measurements of the three-dimensional distribution of velocity are needed for their application. The differential equations of mechanical equilibrium, expressed in terms of viscosity, strain-rate components, mean stress, and their gradients, are viewed as equations to be solved for viscosity and mean stress subject to boundary conditions at the free upper surface. For certain rectilinear flow patterns, unique distributions of stress and effective viscosity can always be derived. For more complicated flow this is not necessarily so. However, it is still possible to choose the best values of rheological parameters in any trial flow law based on the requirement that the residuals to the equations of equilibrium be minimized in a mean-square sense. The techniques are applied to measurements of internal deformation made in nine bore holes on the Athabasca Glacier. At the center line the magnitude of the surface-parallel shear stress increases with depth more slowly than would be expected from a standard shape factor correction or the theoretical distribution of Nye. Correspondingly the lateral distribution of lateral shear stress shows the opposite relationships. In the lower one- to two-thirds of the depth corresponding to a range in effective stress from about 0.5 to 1.2 bars, the gross rheology of the ice is not distinguishably different from the experimentally determined flow law of Glen (n = 4.2, T = 0.02° C) as generalized by Nye. The results do not support the conclusion that the effective viscosity is higher than would be expected from Glen’s experiments as indicated by the more limited measurements of Paterson and Savage. Power-law parameters derived for the different bore holes considered separately show a spread, which suggests some rheological inhomogeneity. However, no definite conclusions can be drawn, because of direct measurement errors at the bore holes and less definable uncertainty in the interpolated distribution of velocity between the holes. The upper one- to two-thirds of the glacier constitutes an anomalous zone in which there is either a strong effect from a complex distribution of stress arising from longitudinal stress gradients or more complicated rheology than in a homogeneous power-law material.

Résumé

Résumé

On a mis au point des méthodes pour déterminer les distributions des efforts et la viscosité réelle dans un glacier sous les hypothèses que: la glace est un fluide quasi-visqueux, l’écoulement est indépendant du temps et les forces d’accélération sont négligeables. Pour appliquer ces méthodes, on a besoin de mesures de la distribution des vitesses dans trois dimensions. Les équations différentielles de l’équilibre mécanique, exprimé en fonction de la viscosité, des composantes de la vitesse de déformation, de la contrainte moyenne et de leurs variations, sont considérées comme des équations à résoudre pour calculer la viscosité et la contrainte moyenne aux conditions aux limites de la surface libre supérieure. Pour certains types d’écoulements rectilignes, on peut toujours en tirer une distribution unique des contraintes et une viscosité réelle. Pour un écoulement plus compliqué, il n’en est pas forcément de même. Cependant, il est encore possible de choisir les meilleures valeurs des paramètres rhéologiques dans une loi expérimentale d’écoulement basée sur l’exigence que les résidus des équations d’équilibre soient réduits au minimum dans un sens quadratique moyen. Les techniques sont appliquées à des mesures de déformation interne faites dans neuf forages sur le glacier de l’Athabasca. Sur la ligne centrale, la grandeur de l’effort de cisaillement parallèle à la surface croît avec la profondeur moins vite qu’on l’attendait à partir d’un facteur de correction de forme classique ou de la distribution théorique de Nye. Corrélativement, la distribution latérale des efforts de cisaillement latéraux montre des résultats opposés. Dans le tiers ou les deux tiers inférieurs de la profondeur, correspondant à des efforts réels de l’ordre d’environ 0,5 à 1,2 bars, l’écoulement d’ensemble de la glace n’est pas significativement différent de la loi expérimentale de Glen (n = 4,2, T = −0,02° C) généralisée par Nye. Les résultats n’aboutissent pas à la conclusion que la viscosité réelle est plus forte qu’on ne l’attendrait à partir des expériences de Glen comme cela avait été suggéré par Paterson et Savage. Les paramètres de la loi puissance tels qu’ils résultent des différents forages considérés isolément montrent une dispersion qui fait penser à quelque inhomogénéité rhéologique. Cependant, on ne peut pas en tirer de conclusions definitives en raison des erreurs sur les mesures directes dans les forages et de l’incertitude encore plus difficile à estimer dans l’interpolation de la distribution des vitesses entre les forages. Le tiers, ou les deux tiers, supérieurs du glacier constituent une zone anormale dans laquelle il se produit soit un effet important d’une distribution complexe des efforts issus des gradients longitudinaux des contraintes, soit une rhéologie plus compliquée que dans un matériel homogène à loi-puissance.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Unter den Voraussetzungen, dass das Eis quasi-viskos, das Fliessen zeitunabhängig und die Beschleunigungskräfte vernachlässigbar sind, wurden Methoden zur Bestimmung der Verteilungen von Spannung und effektiver Viskosität in einem Gletscher entwickelt. Für ihre Anwendung sind Messungen der dreidimensionalen Geschwindigkeitsverteilung erforderlich. Die Differentialgleichungen des mechanischen Gleichgewichts, dargestellt in Ausdrücken der Viskosität, der Komponenten der Dehnungsgeschwindigkeit, der mittleren Spannung und ihrer Gradienten werden als Gleichungen angesehen, die unter Berücksichtigung der Grenzbedingungen an der freien Oberfläche für die Viskosität und die mittlere Spannung zu lösen sind. Für gewisse geradlinige Fliessmuster können immer eindeutige Verteilungen der Spannung und der effektiven Viskosität hergeleitet werden. Für kompliziertere Fliessformen ist dies nicht unbedingt so. Dennoch ist es noch möglich, die günstigsten Werte der rheologischen Parameter für einen beliebigen Ansatz des Fliessgesetzes so zu wählen, dass die Restfehler gegenüber den Gleichungen des Gleichgewichts in ihrer Quadratsumme zum Minimum werden. Die Methode wird auf Messungen der inneren Deformation angewandt, die in neun Bohrlöchern auf dem Athabasca Glacier ausgefuhrt worden waren. Auf der Mittellinie nimmt die oberflächenparallele Scherspannung mit der Tiefe langsamer zu, als es auf Grund eines normalen formabhängigen Korrektionsfaktors oder aus der theoretischen Verteilung nach Nye zu erwarten wäre. Entsprechend zeigt die seitliche Verteilung der seitlichen Scherspannung das entgegengesetzte Verhalten. In den unteren ein bis zwei Dritteln der Tiefe, was einem wirksamen Spannungsbereich von etwa 0,5 bis 1,2 bar entspricht, ist die Gesamtrheologie des Eises von dem experimentell bestimmten Glen’schen Fliessgesetz (n = 4,2, T = −0,02° C) in der von Nye generalisierten Form nicht unterscheidbar. Die Ergebnisse stützen nicht die von Paterson und Savage vorgeschalgene Folgerung, dass die effektive Viskosität höher ist, als es nach Glen’s Versuchen zu erwarten wäre. Betrachtet man die Parameter des Kraftgesetzes, die für die verschiedenen Bohrlöcher hergeleitet wurden, einzeln, so zeigen sie eine Streuung, die eine gewisse rheologische Inhomogenität vermuten lässt. Trotzdem können wegen direkter Messfehler am Bohrloch und einer schwer festlegbaren Unsicherheit in der zwischen den Löchern interpolierten Geschwindigkeitsverteilung keine endgültigen Folgerungen gezogen werden. Die oberen ein bis zwei Drittel des Gletschers bilden eine anormale Zone, in der entweder erhebliche Wirkung einer komplexen Spannungsverteilung infolge longitudinaler Spannungsgradienten oder eine kompliziertere Rheologie als im homogenen Material, das für das Kraftgesetz vorausgesetzt wird, herrscht.

Information

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

Fig. 1. Hypothetical distribution of velocity contours (solid) and characteristic curves (dashed) for rectilinear flow in a valley glacier.

Figure 1

Fig. 2. Topographic map of field area showing locations of surface markers and bore holes. Bedrock stations are numbered after Reid (1961). Topography and elevations are given as shown on the topographic map (1: 4 800) compiled in 1962 by the Canadian Government (Topographical Survey, Department of Mines and Technical Surveys and the Water Resources Branch, Department of Northern Affairs and National Resources) from aerial photography and field surveys carried out on 31 July 1962. Elevation of the ice surface on 8 September 1966 was about 10 ft (3m) lower than as shown. Surface slopes measured from the map and computed from 1966 survey data are in agreement.

Figure 2

Table I. Surface slope at bore-hole sites

Figure 3

Fig. 3. Annual tilting in the longitudinal direction as measured in holes 3A and 1B.

Figure 4

Fig. 4. Smoothed profiles of longitudinal tilting.

Figure 5

Fig. 5. Depth distribution of strain-rate components measured in hole 1B.

Figure 6

Fig. 6. Contours of constant longitudinal velocity and characteristic curves for sections A and B. Units: m a−1.

Figure 7

Fig. 7. Relationship between η given by Equation (19) and from Athabasca Glacier bore holes (solid curves) compared with results from laboratory and other field experiments: Glen’s experiments at −0.02°C analyzed using Andrade’s law (n = 4.2) and minimum creep rate (n = 3.2) (Glen, 1955), tunnel contraction (Nye, 1953, p. 485), Athabasca Glacier (Paterson and Savage, 1963), represented as a straight line with n assumed to be 4.2 (Shreve and Sharp, 1970, p. 83), Blue Glacier (Shreve and Sharp, 1970, p. 83).

Figure 8

Fig. 8. Distribution of τs given by Equation (12) for sections A and B, and as computed by Nye (1965) for a parabolic cross-section of width ratio 2. Units: bar.

Figure 9

Fig. 9. Depth distribution of |τxy| at center line.

Figure 10

Fig. 10. Lateral distribution of |τxz| across the surface.

Figure 11

Fig. 11. Relationship between ƞ given by Equation (20) and from Athabasca Glacier bore holes compared as in Figure 7 with results from laboratory and other field experiments. The solid straight, line represents the power law derived by the least-squares minimization of residual forces (α = 0.72, B = 1.03 bar a1−α).

Figure 12

Fig. 12. Longitudinal variation of |∂u/∂x|.