Présentation

Ces vastes masses de glace, formées au fil des siècles par l'accumulation et le compactage de la neige, se déplacent lentement mais inexorablement à travers la terre. Leur mouvement n'est pas un simple glissement, mais un processus physique complexe qui implique de multiples mécanismes opérant à différentes échelles. La compréhension de la science du mouvement des glaciers est essentielle pour interpréter les paysages que nous voyons aujourd'hui, depuis les crêtes aiguës des chaînes alpines jusqu'aux creux profonds des fjords. Les glaciers couvrent actuellement environ 10 p. 100 de la Terre. La surface des terres et le stockage d'environ 69 p. 100 du monde.

Mécanismes du mouvement des glaciers

Le mouvement des glaciers se produit par plusieurs processus physiques distincts qui peuvent fonctionner simultanément. La contribution relative de chaque mécanisme dépend de la température, de la pression et de la présence d'eau à la base du glacier et de la sédiment. Les deux mécanismes primaires sont la déformation interne et le glissement basal, avec des contributions supplémentaires des processus subglaciaux comme la déformation des sédiments.

Déformation interne

La déformation interne, aussi appelée fluage, est le processus par lequel les cristaux de glace dans le changement de forme du glacier et glissent les uns les autres sous l'influence de la gravité. La glace est un solide cristallin, mais sous les immenses pressions qu'on retrouve dans un glacier, elle se comporte comme un fluide visqueux à long terme. Les cristaux de glace individuels s'orientent de préférence le long de plans de faiblesse et les dislocations à l'intérieur du réseau cristallin permettent à la glace de se déformer progressivement. Cette déformation se produit le plus rapidement dans les parties inférieures du glacier, où la pression est la plus forte. La relation entre le stress et le taux de déformation dans la glace est non linéaire, ce qui signifie que de petites augmentations du stress peuvent entraîner une augmentation de la vitesse du flux disproportionnée.

Basal Sliding

La fonte de l'eau est possible par la présence d'eau de fonte au glacier et à la base, ce qui réduit les frottements. L'eau de la base peut provenir de la fonte de surface qui pénètre par les crevasses et les moules, de la chaleur géothermique qui fond la glace basale ou du chauffage par frottement généré par la fonte elle-même. Deux principaux mécanismes contribuent à la coulée basale : le fluage basal et la régénération. Le fluage basal est amélioré lorsque la glace se déforme rapidement autour des obstacles du substrat, tandis que la régelation implique la fonte sous haute pression du côté amont d'un obstacle et la regelation sur le côté aval. La coulée basale a tendance à dominer les glaciers tempérés, où la glace se trouve à ou près du point de fusion dans une grande partie de son épaisseur. La présence d'un mince film d'eau au lit peut permettre la coulée de plusieurs mètres par jour dans certains glaciers à écoulement rapide.

Procédés sous-glaciaires et déformation des sédiments

Dans le cas des glaciers qui dépassent les sédiments mous plutôt que le substratum dur, le mouvement du glacier peut entraîner une déformation du till sous-jacent. Ce processus, connu sous le nom de déformation des sédiments subglaciaires, survient lorsque la contrainte de cisaillement causée par la glace qui recouvre les sédiments saturés par l'eau provoque une défaillance et un écoulement. Dans ces cas, le glacier ne glisse pas directement sur le substratum mais chevauche plutôt sur une couche de sédiments déformant qui peut elle-même contribuer de façon significative au mouvement global.

Facteurs influant sur le débit des glaciers

La vitesse et le style du mouvement des glaciers sont influencés par une interaction complexe de facteurs environnementaux et physiques. La compréhension de ces contrôles est essentielle pour prédire comment les glaciers réagiront aux changements climatiques.

Température et climat

La température est peut-être le facteur le plus important qui régit la dynamique des glaciers. Les glaciers sont généralement classés en deux catégories thermiques : tempérés et froids. Les glaciers tempérés, également appelés glaciers à base chaude, existent au point de fusion sur toute leur masse, ce qui permet à l'eau de fonte abondante d'atteindre le lit et de faciliter le glissement basal rapide. Les glaciers à base froide, en revanche, restent sous le point de congélation et sont gelés vers leurs lits, se déplaçant presque exclusivement par déformation interne à des vitesses beaucoup plus lentes.

Pente et topographie

La pente de la surface du glacier et la topographie sous-jacente du substrat rocheux exercent un contrôle fort sur la vitesse du flux. La glace descend sous la gravité et les pentes plus raides génèrent des contraintes de conduite plus élevées. La relation est exprimée par l'équation de contrainte de conduite, qui relie l'épaisseur de la glace, la pente de surface et la densité de la glace. La topographie crée également des constrictions et des expansions qui influencent les schémas de débit.

Épaisseur et pression de glace

L'épaisseur de la glace est directement liée à la contrainte de conduite et au taux de déformation interne. La glace plus épaisse exerce une pression plus élevée à la base, ce qui augmente légèrement le point de fusion de la glace par fusion de pression, phénomène connu sous le nom de relation Clausius-Clapeyron. Cette fusion de pression peut produire de l'eau de fonte même à des températures subgelantes, facilitant le glissement basal dans certains glaciers à base froide. La pression hydrostatique de la glace trop élevée influence également la pression efficace au lit, définie comme la différence entre la pression de surcharge de glace et la pression d'eau dans le système de drainage subglacial.

Hydrologie subglaciaire

La configuration et l'efficacité du système de drainage sous-glaciaire jouent un rôle déterminant dans la modulation du flux des glaciers. L'eau du lit des glaciers peut circuler à travers des systèmes distribués, comme des cavités reliées ou des films minces, ou à travers des systèmes canalisés, comme les canaux R, qui sont des tunnels fondus dans la base de la glace par l'eau courante. Les systèmes distribués maintiennent une pression élevée sur les grandes zones et tendent à favoriser le glissement rapide. Les systèmes canalisés, par contre, drainent efficacement l'eau et réduisent la pression de l'eau, qui peut ralentir ou même arrêter le glissement dans certains cas.

Dynamique du flux des glaciers

Le flux des glaciers n'est pas toujours stable et uniforme. De nombreux glaciers présentent des comportements dynamiques complexes, y compris des surtensions, des vêlages et des retraites rapides.

Glaciers surgissants

Ces glaciers alternent entre de longues périodes de débit lent ou stagnant, connues sous le nom de phase de surtension, et de courtes périodes de débit extrêmement rapide, connues sous le nom de phase de surtension. Pendant une surtension, les vitesses de débit peuvent augmenter par ordre de grandeur, et le glacier peut avancer de plusieurs kilomètres en une seule année. Le déclenchement des surtensions n'est pas entièrement compris, mais les hypothèses dominantes impliquent des changements dans le régime thermique subglacial et l'accumulation et le relâchement de la pression d'eau. Les surgérances sont les plus courantes dans certaines régions, y compris en Alaska, en Svalbard et dans la chaîne Karakoram en Asie. Le cycle de surtension peut être très régulier dans certains glaciers et totalement imprévisible dans d'autres.

Glaciers et Calving à marée d'eau

Les glaciers de Tidewater sont des glaciers qui se terminent dans l'océan. Ces glaciers sont parmi les masses de glace les plus rapides de la Terre, certains au Groenland et en Alaska se déplaçant plusieurs kilomètres par an. Le principal mécanisme de perte de masse des glaciers de marée est le vêlage, le processus par lequel les icebergs se détachent du terminus des glaciers. Calving est entraîné par la flottabilité, la sous-cotation par l'eau de l'océan, et la propagation des fractures à travers la glace. Les glaciers de Tidewater peuvent subir un retrait rapide si le terminus se replie dans des eaux plus profondes, un processus connu sous le nom d'instabilité des falaises de glace marine.

Les cours d'eau et les étagères de glace

Les cours d'eau de glace sont des couloirs de glace qui se déplacent rapidement à l'intérieur de plus grandes calottes glaciaires, comme celles de l'Antarctique et du Groenland. Ils peuvent se déplacer à des vitesses de centaines de mètres par année tandis que la calotte glaciaire environnante ne se déplace que de mètres par année. Les cours d'eau de glace sont généralement sous-déformables par des sédiments mous et lubrifiés par des eaux à haute pression à leurs lits. Les marges latérales des cours d'eau de glace sont souvent marquées par des zones de cisaillement où la glace qui se déplace rapidement se broie contre la glace qui s'en trouve le plus lentement.

Impact sur la formation paysagère

Le mouvement des glaciers est l'un des processus d'érosion et de dépôt les plus efficaces sur Terre. Au fil des millénaires, les glaciers sculptent le paysage de façon invariable, créant des reliefs qui persistent bien après la disparition de la glace.

Formes de terre érosives

L'érosion glaciaire se produit par deux mécanismes principaux : l'abrasion et la carrière. L'abrasion est le broyage de la roche par des débris incorporés dans la base du glacier, produisant de la farine de roche fine et des surfaces lisses et polies. La carrière, aussi connue sous le nom de pirogue, se produit lorsque le glacier tire des blocs de roche du lit, généralement le long de fractures ou de articulations préexistantes. La combinaison de ces processus produit une série de formes de terre distinctives. Les vallées en forme de U sont peut-être la forme de terre glaciaire la plus emblématique, caractérisée par des côtés raides et droits et un plancher plat et large. Ces vallées se forment lorsqu'un glacier s'élargit et approfondit une vallée de rivière préexistante en forme de V. Les Cirques sont des dépressions en forme de bol à la tête d'une vallée glaciaire, souvent contenant un lac tarn après la fonte du glacier.

Formulaires de dépôt

Les moraines terminales marquent la plus grande progression d'un glacier, tandis que les moraines latérales se forment le long des côtés. Les moraines médianes se forment là où se fusionnent deux glaciers et leurs moraines latérales se combinent. Les drumlins sont des collines allongées et rationalisées de till qui forment des glaces en mouvement, avec l'extrémité plus raide pointant vers le haut et la pente plus douce pointant vers le bas-glacier. Leur mécanisme de formation exact reste débattu, mais ils sont utiles pour reconstruire les anciennes directions de flux de glace. Les eskers sont des crêtes sinueuses de sable stratifié et de gravier déposées par les ruisseaux d'eau fondue qui coulent à l'intérieur ou sous la glace. Kames sont des monticules de sédiments stratifiés déposés par les eaux de fonte dans les dépressions sur les glaciers.

Fjords et caractéristiques côtières

Les fjords sont parmi les formes de terre les plus spectaculaires créées par l'érosion glaciaire. Ces îlots profonds et étroits se forment lorsqu'un glacier érode une vallée en forme de U au-dessous du niveau de la mer, et la vallée est subséquemment inondée par l'océan après les retraites glaciaires. Les fjords peuvent être extrêmement profonds, avec quelque 1000 mètres de profondeur. Les fjords les plus profonds se trouvent généralement là où le glacier était le plus épais et l'érosion était la plus intense. De nombreux fjords ont une longrine peu profonde à leur bouche, formée par la moraine terminale déposée au glacier’s. Cette longrine limite la circulation de l'eau et peut créer des conditions anoxiques dans les bassins profonds du fjord.

Mesure et surveillance du mouvement des glaciers

La compréhension de la dynamique des glaciers exige des mesures précises de la vitesse du flux, de l'épaisseur de la glace et des changements d'altitude de surface.

Télédétection et observation par satellite

La télédétection par satellite a transformé la glaciologie. L'interférométrie par radar à ouverture synthétique, ou InSAR, peut mesurer la vitesse de surface des glaciers avec une précision à l'échelle du centimètre en comparant les images radar acquises entre des jours ou des semaines. L'imagerie par satellite optique, telle que les missions Landsat et Sentinel, permet aux scientifiques de suivre le mouvement des caractéristiques de surface et la position des terminies de glaciers au fil du temps. L'altimétrie laser de satellites tels que ICESat-2 permet de mesurer avec précision les changements d'altitude de surface, qui sont utilisés pour calculer le bilan massique. La combinaison de ces techniques a permis la création de cartes de vitesse des glaciers mondiaux et la détection de tendances d'accélération et de décélération dans toutes les chaînes de montagnes et les calottes de glace.

Méthodes au sol et méthodes de pénétration des glaces

Les récepteurs GPS déployés sur les surfaces des glaciers enregistrent des données de position continue, révélant des variations diurnes et saisonnières de vitesse que les satellites ne peuvent capturer. Le radar de pénétration au sol ou le radar de pénétration de la glace utilise des ondes radio pour cartographier le lit des glaciers, mesurer l'épaisseur de la glace et détecter les couches internes qui enregistrent les conditions climatiques et de débit passées. Les trous de forage percés dans la glace au lit permettent de mesurer directement la pression, la température et les propriétés des sédiments. Ces mesures sont essentielles pour comprendre les processus qui contrôlent le flux des glaciers et pour tester les modèles numériques. Certains glaciers ont été instrumentés par des stations météorologiques automatisées, des enjeux d'ablation et des caméras à retardement qui fournissent un relevé détaillé de la fonte de surface, de la vitesse et des changements de terminus tout au long de l'année.

Glaciers et changements climatiques

Les glaciers du Groenland et de l'Antarctique contiennent à eux seuls suffisamment de glace pour élever le niveau de la mer d'environ 65 mètres s'ils sont complètement fondus. Même la fonte partielle de ces glaciers représente une menace importante pour les communautés côtières du monde entier. Les glaciers de montagne, bien que plus petits en volume total, contribuent à l'élévation du niveau de la mer à un rythme accéléré et sont des sources d'eau douce critiques pour des centaines de millions de personnes dans des régions comme l'Himalaya, les Andes et les Alpes européennes.

Les températures plus chaudes augmentent la fonte de surface, ce qui peut d'abord accélérer le glissement basal en fournissant plus d'eau au lit. Cependant, à mesure que la glace s'éclaircit et que le terminus recule, le stress moteur diminue et le glacier peut ralentir. Dans les glaciers de marée, l'interaction entre le réchauffement de l'océan et la dynamique du vêlage peut produire une accélération et un recul rapides et soutenus qui sont difficiles à inverser. La perte des plateaux de glace en Antarctique a permis d'accélérer les courants de glace intérieurs, augmentant la contribution de la nappe glaciaire de l'Antarctique à l'élévation du niveau de la mer.

Conclusion

La science du mouvement des glaciers révèle un monde d'une complexité remarquable. Les flux de glace non pas comme un simple solide mais comme un matériau polycristallin qui déforme, glisse et interagit avec son lit de façon que les scientifiques travaillent encore à comprendre pleinement. Les mécanismes de déformation interne, de glissement basal et de déformation des sédiments subglaciaux fonctionnent ensemble pour produire la large gamme de comportements de flux observés dans la nature, du lent fluage des glaciers de vallée à froid à la montée rapide des glaciers de marée et de l'écoulement rapide des cours d'eau de glace de l'Antarctique. Les facteurs qui contrôlent la dynamique des glaciers, y compris la température, la pente, l'épaisseur de la glace et l'hydrologie subglaciale, créent un système qui est très sensible aux changements environnementaux.