Observations et modélisation aux fines échelles du frottement à la base des glaciers

Fine-scale observations and modeling of friction at the base of glaciers

• Auteur / Autrice : Juan Pedro Roldan Blasco
• Direction : Olivier Gagliardini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 16/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : David Amitrano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Mangeney
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ian Hewitt, Peter Nienow

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement glaciaire

Dynamique des fluides

Glaciologie

Mots clés libres

Glaciologie

Modélisation numérique

Analyse des données de terrain

Glaciology

Numerical modelling

Field data analysis

Résumé

L'écoulement des glaciers sur des lits durs et rugueux est contrôlé par des processus basaux, tels que la friction, l'ouverture de cavités derrière des obstacles et toute interaction entre le lit du glacier et la glace basale. Dans cette thèse, nous étudions une multitude de ces processus.Les théories actuelles pour décrire la traînée des glaciers sur des lits durs sont formulées sur la base que la glace est exempte de débris et glisse sans friction sur le lit du glacier.Cependant, les débris dans les couches basales et la glace froide causent une résistance supplémentaire à l'écoulement.Nous fournissons un modèle analytique du glissement des glaciers qui tient compte de l'effet de la contrainte de cisaillement locale à l'interface glace-lit dans le cadre de Weertman (1957), et étendons la solution pour tenir compte de l'ouverture des cavités.Cette traînée supplémentaire ralentit le glissement du glacier, mais en raison de l'augmentation de la déformation de la glace basale, la viscosité diminue et la vitesse basale est plus élevée que prévu.L'inclusion de la contrainte de cisaillement locale rend la loi de friction implicite, ce qui complique l'identification des paramètres d'échelle à partir de la géométrie seule.Nous constatons que la loi avec une contrainte de cisaillement locale non nulle à la base conserve la forme générale de la loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle, de sorte qu'une mise à l'échelle appropriée peut être obtenue. La similitude entre une loi de friction avec une contrainte de cisaillement locale nulle et non nulle est pratique pour généraliser les lois de friction empiriques à l'échelle du champ, bien qu'elle complique l'identification de l'effet de la contrainte de cisaillement locale sur l'écoulement des glaciers. La déformation interne des glaciers est contrôlée par la rhéologie de la glace qui est décrite par la loi de Glen à travers deux paramètres matériels, le facteur de fluage A et l'exposant n de la loi d'écoulement. Il existe une grande incertitude quant aux valeurs de ces paramètres en raison de la rareté des observations à l'échelle naturelle. Nous présentons ici les résultats d'une étude d'inclinométrie réalisée dans Glacier d'Argentière, un glacier tempéré des Alpes françaises.Nous avons suivi la déformation du glacier au cours du 2020 grâce à des inclinomètres installés dans des forages qui enregistrent les changements d'inclinaison toutes les 30 minutes.Nous pouvons reconstruire le profil des taux de déformation avec la profondeur et la vitesse de déformation. Nous complétons notre ensemble de données par un réseau de stations GPS qui permet d'observer la vitesse basale pendant la période étudiée.Nous déduisons les paramètres rhéologiques en comparant nos observations avec les taux de déformation obtenus à l'aide d'un modèle tridimensionnel résolvant l'équation de Stokes.Le profil des taux de déformation en moyenne annuelle a une sensibilité limitée à l'exposant n de la loi d'écoulement et reflète principalement une augmentation de A avec la profondeur qui pourrait être expliquée par une augmentation de la teneur en eau interstitielle en profondeur.Nous montrons également que la déformation interne de la glace présente une variabilité saisonnière, de sorte que les changements de vitesse de surface ne peuvent être attribués uniquement aux changements des conditions basales. Sur des échelles de temps plus longues, la variabilité de la vitesse de surface est mieux expliquée par les changements dans les taux de déformation, tandis que la variabilité de la vitesse plus courte est mieux expliquée par les changements à la base.D'autres travaux restent à mener pour confirmer si l'augmentation du fluage observée est due à l'augmentation de la teneur en eau, et déterminer les causes des changements saisonniers de la déformation et de la vitesse basale. Nos résultats contribueront à l'évaluation future de l'état et de l'évolution de la cryosphère.

Glacier flow over rough hard beds is controlled by basal processes, such as friction, the opening of cavities behind obstacles and any interaction between the glacier bed and basal ice. In this PhD, we study a multitude of these processes.Current theories to describe drag of glaciers over hard beds are formulated on the basis that ice is free of debris and slides without friction over the glacier bed.However, debris at the basal layers and cold ice cause additional resistance to glacier flow.We provide an analytical model of glacier sliding that accounts for the effect of local shear stress at the ice-bed interface in the framework of Weertman (1957), and expand the solution to account for the opening of cavities.This additional drag slows glacier sliding but due to additional strain enhancement of the basal ice, the viscosity of the ice decreases and the basal speed is higher than expected.The inclusion of local shear stress makes the friction law implicit, complicating the identification of scaling parameters from the geometry alone.We further study this problem using a numerical finite element model of glacier sliding over a sinusoidal bed under steady-state conditions.We find that the law with non-zero local shear stress at the base retains the overall form of the friction law with zero local shear stress, such that an appropriate scaling can be obtained.The similarity between a friction law with zero and non-zero local shear stress is convenient for generalising empirical friction laws at the field scale, although it complicates the identification of the effect of local shear stress on glacier flow.Glacier internal deformation is controlled by the ice rheology which is described by the Glen’s law through two material parameters, the creep factor A and the flow law exponent n.There is great uncertainty in the values of these parameters as a result of scarce observations at the natural scale.One of the techniques that has been used to study ice deformation and constrain material properties is borehole inclinometry.We present here the results of an inclinometry study carried out at the ablation zone of Glacier d'Argentière, a temperate glacier in the French Alps.We monitored glacier deformation during 2020 with borehole-installed tiltmeters that record tilt change every 30 minutes. We are able to reconstruct the deformation rates profile with depth and the deformation velocity. Complementing our dataset with a dense network of GPS stations we are able to indirectly observe the basal velocity during the studied period. We infer the rheological parameters by comparing our observations with the deformation rates retrieved with a three-dimensional model solving the Stokes equation.We demonstrate that the yearly-averaged deformation rates profile has limited sensitivity to the flow law exponent n and instead mainly reflects an increase in the creep factor A with depth which could be explained with depth-increasing interstitial water content.The depth-averaged creep factor is found to be 1.5 times higher than the recommended one for temperate ice. We further show that internal ice deformation exhibits seasonal variability, such that surface velocity changes cannot be attributed solely to changes in basal conditions.At longer timescales, surface velocity variability is better explained with changes in the deformation rates, while shorter velocity variability (weeks or days) is better explained with changes in basal velocity.Further work remains to be conducted in order to confirm if the observed creep enhancement is due to depth-increasing water content, and to determine the causes behind the seasonal changes in internal deformation and basal velocity. Our results will help future assessment of the state and evolution of the cryosphere.