The Importance of Pressurized Subglacial Water in Separation and Sliding at the Glacier Bed

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Abstract
The effect of pressurized subglacial water on the sliding process is examined by a parameter called the “bed separation index”. This index indicates the relative extent of cavity formation by combining the effects of variation of bed-normal stress across undulations (Kamb, 1970) and steady-state water pressure in a Röthlisberger conduit at the glacier bed. Data from three glaciers of widely varying size are used to test the correlation of the bed separation index with inferred sliding rates. For Columbia Glacier and Ice Stream B in West Antarctica it is shown that high water pressure enhances sliding. More complete data from the third test case. Variegated Glacier, are used to compare a number of possible formulations of a “sliding law”. A Weertman-type power law (exponent c. 3), modified for the effect of subglacial water pressure, appears to be most preferable. Other formulations, including the “lubrication factor” hypothesis used by Budd (1975) are tentatively rejected. Consideration of the temporal variations of the “bed separation index” indicate that, on short time scales of days and weeks, variations of water pressure can dominate the sliding process. A rapid order-of-magnitude increase in water discharge causes a hundredfold transient increase in the water pressure. A bi-modal hydraulic regime is revealed for water flow transverse to the direction of main ice flow. This behavior is in accord with the observation of a sudden acceleration of the ice due to increased sliding in early summer or following heavy rainstorms. Résumé L’effet de l’eau sous-glaciaire sous pression sur le processus de glissement est examiné à partir d’un paramètre appelé «indice de décollement du lit». Cet indice exprime l’extension relative des cavités formées en combinant les effets de la variation des contraintes perpendiculaires au lit au passage des ondulations (Kamb, 1970) et de la pression d’eau à l’état d’équilibre dans le cheminement décrit par Röthlisberger le long du lit glaciaire. Les données provenant de trois glaciers de formes très variables ont servi à tester la liaison de l’indice de décollement du lit avec les vitesses de glissement qui en découlent. Pour le Columbia Glacier et le flux de glace B dans l’Ouest Antarctique on montre que les hautes pressions de l’eau favorisent le glissement. Des données plus abondantes, provenant du troisième glacier, le Variegated Glacier, permettent de comparer plusieurs formulations possibles d’une «loi de glissement». Une loi-puissance du type de Weertman (avec un exposant voisin de 3), modifiée pour tenir compte de l’effet de la pression des eaux sous-glaciaires, apparaît comme étant la meilleure. D’autres formulations, parmi lesquelles le «facteur de lubrification» introduit par Budd (1975) sont après essai rejetées. Des considérations sur les variations dans le temps de l’«indice de décollement du lit» montrent que, sur de courtes échelles de temps exprimées en jours ou en semaines les variations de la pression de l’eau peuvent dominer le processus de glissement. Un accroissement rapide de l’ordre de grandeur du débit liquide entraine un accroissement momentané 100 fois plus fort de la pression de l’eau. Un régime hydraulique à deux modes est mis en évidence pour l’écoulement d’eau transversalement à la direction principale du flux de glace. Ce comportement est en accord avec l’observation de l’accélération de la glace consécutif à un glissement accru au début de l’été ou après les grosses chutes de pluie. Zusammenfassung Die Wirkung unter Druck stehenden, subglazialen Wassers auf den Gleitprozess wird mit Hilfe eines Parameters untersucht, der den Namen „Bettablösungsindex” erhält. Dieser Index beschreibt das relative Ausmass der Hohlraumbildung durch Kombination der Wirkungen von Veränderungen der Spannung senkrecht zum Untergrund über Unebenheiten (Kamb, 1970) und eines stationären Wasserdrucks in einem Röthlisberger-Kanal am Gletscherbett. Daten von drei Gletschern sehr verschiedener Grösse werden zur Bestimmung der Korrelation des Bettablösungsindex mit abgeleiteten Gleitraten herangezogen. Für den Columbia Glacier und den Eisstrom B in West-Antarktika lässt sich zeigen, dass hoher Wasserdruck das Gleiten verstärkt. Vollständige Daten vom dritten Testgletscher, dem Variegated Glacier, werden zum Vergleich einiger möglicher Formulierungen eines “Gleitgesetzes” benutzt. Ein Potenzgesetz vom Weertman-Typ (Exponent c. 3), modifiziert hinsichtlich der Wirkung des subglazialen Wasserdrucks, erweist sich als günstigstes. Andere Formulierungen, darunter die von Budd (1975) benutzte „Schmierungsfaktor”-Hypothese, werden versuchsweise abgelehnt. Eine Betrachtung der zeitlichen Änderungen des Bettablösungsindexes zeigt, dass in kurzen Zeitabschnitten von Tagen und Wochen die Änderungen des Wasserdrucks den Gleitprozess beherrschen können. Ein schnelles Anwachsen der Wasserzufuhr um eine Grössenordnung bewirkt vorübergehend eine hundertfache Zunahme des Wasserdruckes. Für den Wasserfluss quer zur Hauptrichtung des Eisstromes lässt sich ein bi-modules hydraulisches Verhalten feststellen. Daraus mag die Beschleunigung des Eises durch erhöhtes Gleiten, das im Frühsommer oder nach heftigen Regenfällen eintritt, zu erklären sein.