On the Disintegration of Ice Shelves: The Role of Fracture

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Abstract
Crevasses can be ignored in studying the dynamics of most glaciers because they are only about 20 m deep, a small fraction of ice thickness. In ice shelves, however, surface crevasses 20 m deep often reach sea-level and bottom crevasses can move upward to sea-level (Clough, 1974; Weertman, 1980). The ice shelf is fractured completely through if surface and basal crevasses meet (Barrett, 1975; Hughes, 1979). This is especially likely if surface melt water fills surface crevasses (Weertman, 1973; Pfeffer, 1982; Fastook and Schmidt, 1982). Fracture may therefore play an important role in the disintegration of ice shelves. Two fracture criteria which can be evaluated experimentally and applied to ice shelves, are presented. Fracture is then examined for the general strain field of an ice shelf and for local strain fields caused by shear rupture alongside ice streams entering the ice shelf, fatigue rupture along ice shelf grounding lines, and buckling up-stream from ice rises. The effect of these fracture patterns on the stability of Antarctic ice shelves and the West Antarctic ice sheet is then discussed. Résumé Dans l’étude de la dynamique de la plupart des glaciers on peut négliger l’action des crevasses parce que leur profondeur, seulement de l’ordre de 20 m, n’est qu’une faible fraction de l’épaisseur totale de glace. Dans la plateforme glaciaire, au contraire, les crevasses de surface peuvent atteindre le niveau de le mer et les crevasses de fond remonter jusqu’à ce niveau (Clough, 1974; Weertman, 1980). La plateforme est fracturée de part en part si les crevasses de fond et de surface se rencontrent (Barrett, 1975; Hughes, 1979). Ceci est spécialement fréquent si l’eau de fusion remplit les crevasses de surface (Weertman, 1973; Pfeffer, 1982; Fastook et Schmidt, 1982). La fracturation peut donc jouer un rôle important dans la désintégration de la plateforme. On présente deux indicateurs de fracturation qui peuvent être estimés expérimentalement et appliqués aux plateformes glaciaires. La fracturation est alors examinée en fonction du champ général des contraintes dans une masse de glace, des champs de contraintes locaux causés par les ruptures au cisaillement le long des fluxes de glace entrant la plateforme, les ruptures dues à la fatigue le long de la ligne de décollement du sol, la poussée vers l’amont due aux domes insulaires de glace. L’effet de ces types de fracturation sur la stabilité des plateformes glaciaires de l’Antarctique et de la calotte glaciaire Ouest Antarctique est ensuite discuté. Zusammenfassung Dynamische Studien können bei den meisten Gletschern deren Spalten ausser Betracht lassen, da deren Tiefe nur etwa 20 m, also einen kleinen Bruchteil der Eisdicke, beträgt. In Schelfeisen jedoch reichen 20 m tiefe Oberflächenspalten oft bis auf das Meeresniveau, während Spalten am Untergrund sich bis zum Meeresspiegel nach oben öffnen können (Clough, 1974; Weertman 1980). Das Schelfeis bricht völlig durch, wenn sich Spalten von oben und unten treffen (Barrett, 1975; Hughes, 1979). Dies ist besonders wahrscheinlich, wenn Schmelzwasser Oberflächenspalten füllt (Weertman, 1973; Pfeffer, 1982; Fastook und Schmidt, 1982). Spaltenbildung dürfte daher eine wesentliche Rolle bei der Auflösung von Schelfeisen spielen. Es werden zwei Bruchkriterien, die experimentell ausgewertet und auf Schelfeise angewandt werden können, dargestellt. Die Bruchbildung wird dann für das allgemeine Spannungsfeld eines Schelfeises und für lokale Spannungsfelder, verursacht durch Scherbrüche längs Eisströmen, die dem Schelfeis zufliessen, durch Ermüdungsbrüche längs Abhublinien des Schelfeises und durch Aufwärtsströmen an Eisaufwölbungen untersucht. Die Wirkung dieser Bruchmuster auf die Stabilität antarktischer Schelfeise und auf den westantarktischen Eisschild wird diskutiert.

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