Etude sismologique de la dynamique du réseau hydrologique sous-glaciaire d'un glacier alpin

Resolving subglacial hydrology network dynamics through seismic observations on an Alpine glacier

• Auteur / Autrice : Ugo Nanni
• Direction : Christian Vincent, Florent Gimbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Maurine Montagnat Rentier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Christine Obermann, Mauro Werder
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Vergne, Gwenn Flowers

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement (hydrologie) -- Vitesse

Mots clés libres

Hydrologie sous-Glaciaire

Cryosismologie

Réseau sismique dense

Localisation de bruit sismique

Subglacial hydrology

Cryoseismology

Dense seismic array

Seismic noise location

Résumé

La façon dont l'eau s'écoule sous les glaciers joue un rôle majeur dans le couplage mécanique glace-roche qui définit les vitesses d’écoulement des glaciers. Aujourd'hui, notre compréhension de la physique de l'hydrologie sous-glaciaire est limitée et incertaine en raison de la rareté des mesures de terrain, qui ne représentent que partiellement l’hétérogénéité de l’environnement sous-glaciaire. L'objectif de mon doctorat est d'utiliser la sismologie passive pour surmonter les difficultés observationnelles et quantifier l’évolution des conditions de pression et de la configuration du réseau d’hydrologie sous glaciaire. De récents travaux montrent que l'écoulement turbulent d'eaux sous-glaciaire génère du bruit sismique dont l’étude donne accès aux propriétés hydrodynamique associées. Ces analyses ont été menées sur une courte période et il n’est pas certains qu’elles soient appropriées à l’étude de l’hydrologie sous-glaciaire sur les échelles de temps les plus représentative de son influence sur la dynamique glaciaire (saisonnières et diurnes). De plus, ces études ne considèrent pas de changements dans la configuration des réseaux hydrologique et il existe peu d’étude ayant localisé des sources de bruit sismique spatialement éparses et temporellement variables. Dans ce doctorat, j'aborde ces défis sismologiques afin de résoudre la dynamique de l'hydrologie sous-glaciaire.Nous avons acquis sur le glacier d'Argentière (Alpes) un jeu de données continu sur 2 ans permettant d’évaluer la puissance sismique induite par les flux d'eau sous-glaciaire et de la comparer à des mesures de la vitesse de glissement basale et du débit d'eau sous-glaciaire. Je montre que l'étude de la puissance sismique à [3-7] Hz donne accès aux propriétés l'hydrodynamique des flux d'eau sous-glaciaires sur des échelles de temps tant saisonnière qu’horaire et sur une gamme de débits de 0.25 à 10 m3/sec. Avec un cadre physique adéquat j'inverse, de ces observations, les gradients de pression et rayons hydrauliques associés et identifie une dynamique saisonnière des chenaux sous-glaciaire. À faible débit, les chenaux se comportent à l'équilibre et s'adaptent aux variations de débit par des changements de rayon hydraulique. À fort débit et forte variabilité diurne en apport d'eau, les chenaux se comportent hors équilibre et subissent de fortes variations du gradient de pression hydraulique qui maintiennent de fortes pression d'eau dans les cavités et favorisent des vitesses de glissement élevées.Nous avons mené une expérience d'un mois avec un réseau sismique dense, complétée par des mesures d'épaisseur et de vitesse de surface du glacier. Sur cette base j'ai développé une méthodologie pour relever le défi de localiser des sources de bruit sismique spatialement éparses et temporellement variables. Ce faisant, j'ai obtenu une carte du système de drainage sous-glaciaire ainsi que son évolution journalière. J’ai pu ainsi observer quand et où ce système est distribué à travers des cavités connectées et favorise le glissement du glacier ou alors localisé à travers des chenaux et limite le glissement. Parallèlement, je montre que l’analyse de l’amplitude sismique permets d’étudier les crevasses, les variations d’épaisseur ou l’anisotropie de manière complémentaire aux analyses de phase sismique.Le premier résultat de ce travail transdisciplinaire est que la sismique passive peut être utiliser pour quantifier l'évolution temporelle des conditions de pression et de géométrie des chenaux sous-glaciaires sur une saison de fonte complète. Le second est qu’un réseau sismique dense peut être utiliser pour résoudre la configuration spatiale du drainage sous-glaciaire et la transition d'un réseau distribué à un réseau localisé. Ces avancées ouvrent à l’étude de tel processus sur d’autre sites tels les calottes Groenlandaise et Antarctique mais aussi à l’étude d’écoulements au sein de systèmes géophysiques tels les volcans, les karts ou les glissements de terrain.

The way in which water flows in the subglacial environment exerts a major control on ice-bed mechanical coupling, which strongly defines glacier sliding speeds. Today our understanding on the physics of the subglacial hydrology network is limited because of the scarcity of field measurements that yield a partial representation of the heterogeneous subglacial environment. The aim of my PhD work is to use passive seismology to help overcome common observational difficulties and quantify the evolution of the subglacial hydrology network pressure conditions and its configuration. Recent works show that subglacial turbulent water flow generates seismic noise that can be related to the associated hydrodynamics properties. These analyses were conducted over a limited period of time making it unclear whether such approach is appropriate to investigate seasonal and diurnal timescales, I.e. when subglacial water flow influences the most glacier dynamics. In addition, previous studies did not consider spatial changes in the heterogeneous drainage system, and until now, almost no study has located seismic noise sources spatially scattered and temporally varying. In this PhD work I address those seismological-challenges in order to resolve the subglacial hydrology dynamics in time and space.We acquired a 2-year long continuous dataset of subglacial-water-flow-induced seismic power as well as in-situ measured glacier basal sliding speed and subglacial water discharge from the Glacier d'Argentière (French Alps). I show that a careful investigation of the seismic power within [3-7] Hz can characterize the subglacial water flow hydrodynamics from seasonal to hourly timescales and across a wide range of water discharge (from 0.25 to 10 m3/sec). Combining such observations with adequate physical frameworks, I then inverted the associated hydraulic pressure gradient and hydraulic radii. I observed that the seasonal dynamics of subglacial channels is characterized by two distinct regimes. At low discharge, channels behave at equilibrium and accommodate variations in discharge mainly through changes in hydraulic radius. At a high discharge rate and with pronounced diurnal water-supply variability, channels behave out of equilibrium and undergo strong changes in the hydraulic pressure gradient, which may help sustain high water pressure in cavities and favor high glacier sliding speed over the summer.We then conducted a one-month long dense seismic-array experiment supplemented by glacier ice-thickness and surface velocity measurements. Using this unique dataset, I developed a novel methodology to overcome the challenge of locating seismic noise sources spatially scattered and temporally varying. Doing so, I successfully retrieve the first two-dimensional map of the subglacial drainage system as well as its day-to-day evolution. Using this map, I characterize when and where the subglacial drainage system is distributed through connected cavities, which favour rapid glacier flow versus localized through a channelized system that prevents rapid glacier flow. In addition, I also use high frequency seismic ground motion amplitude to study glacier features such as crevasses, thickness or ice anisotropy in a complementary way to what is traditionally done with seismic phase analysis.The first outcome of this cross-boundary PhD work is that one can analyse passive seismic measurements to retrieve the temporal evolution of subglacial channels pressure and geometry conditions over a complete melt-season. The second is that dense seismic array measurements can be used to resolve the subglacial drainage system spatial configuration and observe the switch from distributed to localized subglacial water flow. Such advances open the way for studying similar subglacial process on different sites and in particular in Greenland and Antarctica. This also concerns numerous sub-surface environment that host similar process such as volcanoes, karst, and landslides.