Fine scale observations and modeling of the internal deformation and basal friction of glaciers
Observations et modélisation aux petites échelles des processus de déformation interne et du frottement à la base des glaciers
Résumé
The study of glaciers is fundamental to assessing climate change and its impacts on the planet. However, the important processes related to glacier flow are not all identified and fully understood. In particular, the rheology of the ice that controls the rate of deformation is poorly constrained due to the paucity of observations and the strong dependency of ice flow on different variables such as temperature, ice water content or grain structure. Similarly, the processes that control basal velocity under changing subglacial hydrological conditions remain poorly understood. Furthermore, models that link basal velocity to friction and subglacial hydrology are based on assumptions, such as lack of debris or slow evolution of water pressures, which are challenged by observations at the base of the glaciers. This thesis provides new insights into the dynamics of ice deformation through in-situ observations, and the improvement of friction laws through theoretical and numerical approaches at the process scale.
The study of ice deformation is based on in-situ measurements carried out with tiltmeters in bore-holes drilled in the ablation zone of the Argentière Glacier, a temperate alpine glacier, between 2019 and 2020. Combined with surface velocity measurements, these observations allow both deformation and basal velocities to be determined. Using the results of a flow model, these observations allow the calculation of rheological parameters, such as the creep factor A. We have shown that our observations can only be explained if A significantly increases with depth, which could be related to an associated increase in ice water content. Furthermore, we show that, locally, the short-term (days to weeks) variability of the surface velocity is driven by sliding, while the seasonal variability is driven by the internal deformation of the ice.
The contribution of this thesis to the improvement of friction laws is made by using an analytical and numerical model of glacier sliding over rough beds that considers the effect of local shear stress (debris), until now neglected. We show that friction caused by debris decreases sliding velocities, but ice viscosity also decreases due to increased stress concentrations. Our obtained friction law with a non-zero local shear stress at the base retains the form of the classical friction laws, such that they may still apply to the case of debris given proper normalization.
In the last part of this thesis, we studied the impact of non-stationary water pressures on friction through the unpublished coupled hydro-mechanical model of Lliboutry (2005). We show that this work exhibits interesting similarities with more recent work on hydromechanical coupling at the base of glaciers. It contributes to the development of new theoretical approaches representing the interactions between subglacial hydrology and friction.
Our results thus improve the understanding of temperate glacier flow and suggest ways to improve future glacier flow models. This thesis illustrates that accurate glacier modeling requires considering the spatial heterogeneity of basal conditions and ice rheology and that process-scale modeling can improve our representation of basal conditions in large-scale models
L’étude des glaciers est fondamentale pour évaluer les changements climatiques et ses impacts sur la planète. Néanmoins, les processus important liés à l’écoulement des glaciers ne sont pas tous identifiés et complètement compris. En effet, la rhéologie de la glace qui contrôle la vitesse de déformation est mal contrainte en raison de la rareté des observations et de la forte dépendance de la fluidité de la glace à l’égard de différentes variables telles que la température, la teneur en eau de la glace ou la structure des grains. De même, les processus qui contrôlent la vitesse basale suivant les conditions hydrologiques sous glaciaires restent très mal connus. En particulier, les modèles qui lient la vitesse basale à la friction et le réseau sous-glacier sont basées sur des hypothèses, comme le manque de debris ou l’évolution lente des pressions d’eau, qui sont contesté par des observations à la base des glaciers. Cette thèse apporte des nouveaux éléments pour la compréhension de la
dynamique de déformation de la glace grâce aux observations in-situ, et l’amélioration des lois de frictions par des approches théoriques et numérique à l’échelle du processus.
L’étude de la déformation de la glace est faite à partir de mesures in-situ par inclinométrie dans des trous de forages effectués dans la zone d’ablation du Glacier d’Argentière, un glacier alpin tempéré, entre 2019 et 2020. Combinées aux mesures de vitesses en surface, ces observations permettent de déterminer à la fois les vitesses de déformation et les vitesses basales. De plus, en utilisant les résultats d’un modèle d’écoulement, ces observations permettent de calculer les paramètres rhéologiques, tel que le facteur de fluage A. Nous avons montré que nos observations ne peuvent s’expliquer que par une augmentation importante de A avec la profondeur, qui pourrait être liée à une augmentation de la teneur en eau avec la profondeur. Par ailleurs, nous montrons que, localement, la variabilité à court terme (jours à semaines) de la vitesse de surface est dictée par le
glissement, alors que la variabilité saisonnière est dictée par la déformation interne de la glace.
Cette thèse contribue à améliorer la loi de friction à l’aide d’un modèle analytique et numérique de glissement pour tenir en compte de l’effet de la contrainte de cisaillement locale (débris) jusqu’à présent négligé dans cette loi. Nous mettons en évidence que la friction causée par les débris diminue le glissement, mais que la viscosité de la glace diminue aussi à cause de l’augmentation de la déformation de la glace. La loi de frottement proposée dans cette thèse, avec une contrainte de cisaillement locale non nulle à la base, conserve la forme des lois de friction classique. Cela permet de généraliser les lois couramment utilisées pour la prise en compte de l’influence des débris.
Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons étudié l’impact des pressions d’eau non stationnaires sur la friction à travers le modèle couplé hydro-mécanique non publié de Lliboutry (2005), qui sont en lien avec les travaux récents sur le couplage hydromécanique à la base des glaciers. Il contribue au développement de nouvelles approches théoriques pour prendre en compte les interactions entre l’hydrologie sous-glaciaire et la friction.
Nos résultats permettent ainsi d’améliorer la compréhension de l’écoulement des glaciers tempérés et de proposer quelques pistes pour améliorer les futurs modèles d’écoulement de glaciers. Cette thèse illustre que la modélisation précise des glaciers nécessite de prendre en compte l’hétérogénéité spatiale des conditions basales et de la rhéologie de la glace. Elle montre aussi que la modélisation à l’échelle du processus permet d’améliorer notre représentation des conditions basales dans les modèles à grandes échelles
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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