Un monde sous la glace

Ces éléments subglaciaires influencent le mouvement, la stabilité et le comportement global des masses de glace. La compréhension de ces profondeurs cachées est essentielle pour étudier le changement climatique et prévoir l'élévation future du niveau de la mer. Au cours des deux dernières décennies, les progrès réalisés dans les levés géophysiques et la télédétection par satellite ont révélé que les environnements sous glaciers sont beaucoup plus dynamiques et hétérogènes que ce qui était supposé. Le domaine subglaciaire n'est pas un sous-sol statique, gelé, mais plutôt un système de topographie en déplacement, d'eau courante, de déformation des sédiments et, dans certaines régions, de sources de chaleur géothermique actives. Chacun de ces éléments interagit avec la glace en excès de façon à accélérer ou ralentir le flux glaciaire, à modifier les schémas d'érosion et à moduler la réponse des feuilles de glace à un climat de réchauffement.

Topographie subglaciaire

La topographie subglaciaire est cartographiée à l'aide de levés radar et sismiques, révélant le paysage sous-jacent qui guide la dynamique des glaciers. La forme du lit exerce un contrôle primaire sur la vitesse de la glace; là où le lit est rude ou contient des obstacles, le flux de glace est entravé, tandis que les lits de glace lisses et à faible friction permettent de glisser plus facilement. Dans les régions montagneuses, les vallées subglaciaires servent souvent de conduits qui entonnent la glace dans les glaciers de sortie, tandis que dans les nappes glaciaires continentales comme celles qui couvrent l'Antarctique et le Groenland, de vastes bassins subglaciaires peuvent contenir suffisamment de glace pour élever le niveau de la mer mondiale de plusieurs mètres s'ils devaient s'écouler soudainement.

L'une des découvertes les plus frappantes de la topographie subglaciaire est la présence de canyons profondément incisés cachés sous des kilomètres de glace. En Antarctique, par exemple, les Highlands subglaciaux d'Ellsworth contiennent un système de canyons qui descend à plus de 3000 mètres sous le niveau de la mer, rivalisant avec le Grand Canyon à l'échelle. Ces paysages antiques ont été sculptés par des rivières et des glaciers il y a des millions d'années, avant d'être enterrés par la glace accumulée.

La cartographie topographique repose fortement sur des systèmes radars de pénétration de glace montés sur des avions ou des satellites.Ces instruments envoient des ondes radio à travers la glace et mesurent le temps nécessaire pour que le signal réfléchisse hors du substrat rocheux. En combinant des milliers de ces mesures, les chercheurs peuvent construire des modèles numériques détaillés d'élévation du paysage subglaciaire. Les levés sismiques de réflexion, dans lesquels les ondes sonores sont générées par des explosifs ou des plaques vibrantes et leurs échos enregistrés par des géophones, fournissent des contraintes supplémentaires sur les propriétés du lit, y compris la présence de sédiments ou d'eau.

Systèmes d'eau souterraine

L'eau qui se trouve à la base d'un glacier provient de plusieurs sources : l'eau de fonte de surface qui atteint le lit par des crevasses et des moules, la chaleur géothermique qui fond la glace basale et les frottements générés par la glace qui glisse sur le lit. Une fois au lit, l'eau suit le gradient de potentiel hydraulique, déterminé par la pente de la surface de la glace et la pente du lit. Cela signifie que l'eau peut s'écouler en montée sous la glace si la pente de la surface de la glace est suffisamment raide, un comportement contre-intuitif qui conduit à la formation de lacs subglaciaires dans les dépressions topographiques.

Lacs sous-glaciaires

Plus de 400 lacs subglaciaires ont été identifiés sous la seule banquise de l'Antarctique, avec beaucoup plus de soupçons sous le Groenland et d'autres calottes glaciaires. Ces lacs sont isolés de la surface par des kilomètres de glace et peuvent rester liquides pendant des milliers d'années en raison du chauffage géothermique et des propriétés isolantes de la glace qui recouvre. Le plus grand lac subglaciaire connu, le lac Vostok dans l'Antarctique oriental, mesure environ 250 kilomètres de long et 50 kilomètres de large, avec une profondeur d'eau supérieure à 900 mètres. Le lac est scellé de l'atmosphère depuis des millions d'années, et ses eaux contiennent des écosystèmes microbiens qui survivent dans l'obscurité complète, les températures froides et la haute pression.

Les données d'altimétrie satellitaire ont montré que certains lacs s'écoulent et se rechargent à l'échelle des temps de plusieurs mois à plusieurs années, libérant de grands volumes d'eau dans le réseau de drainage subglacial. Ces événements de drainage peuvent temporairement accélérer le débit de glace en surface en réduisant les frictions basales. Par exemple, le ruisseau de glace de Whillans dans l'Antarctique occidental subit des inondations périodiques provenant de lacs subglaciaires qui augmentent sa vitesse de dizaines de pour cent pendant plusieurs mois.

Réseaux de pression et de drainage de l'eau

Dans des conditions normales, la pression de l'eau est proche du poids de la glace qui recouvre le lit, ce qui réduit la pression effective au lit et permet aux glaces de glisser plus facilement. Lorsque la pression de l'eau diminue, par exemple en hiver lorsque l'entrée de l'eau de fonte de surface cesse, le lit devient plus fermé et le flux de glace ralentit. Dans les glaciers et les nappes glaciaires avec une fonte de surface abondante, comme celles du Groenland et de l'Alaska, les variations saisonnières de l'entrée de l'eau de fonte entraînent des changements spectaculaires de la pression de l'eau et de la vitesse de la glace.

Les systèmes distribués, constitués de minces films d'eau ou de cavités liées, permettent une pression élevée de l'eau et un glissement rapide, mais ont une capacité limitée de transporter l'eau. Les systèmes canalisés, avec des tunnels discrets incisés dans la glace ou le lit, sont plus efficaces pour drainer l'eau, mais fonctionnent à une pression plus faible, ce qui réduit la lubrification basale. La transition entre ces deux régimes se produit à mesure que l'entrée d'eau de fonte augmente, et c'est un contrôle clé sur la réponse dynamique des glaciers au réchauffement climatique.

Sédiments sous-glaciaires et débris

La composition et la répartition des sédiments subglaciaux ont des répercussions sur l'érosion et le recul des glaciers. Sous les cours d'eau rapides, le lit est souvent composé de till mou et saturé d'eau qui se déforme sous le poids de la glace qui recouvre. Cette déformation permet à la glace de glisser non seulement à l'interface du lit de glace mais à l'intérieur de la couche de glace elle-même, ce qui contribue de façon significative au mouvement de la glace.

Les propriétés du till sous-glaciaire varient grandement selon la roche source et l'histoire de la glaciation. Certains tills sont à grains grossiers et bien drainés, tandis que d'autres sont à grains fins et imperméables, tenant de fortes pressions interstitielles qui facilitent la déformation. La distribution spatiale des types de sédiments sous les plaques de glace est hétérogène, avec des taches de till mou entrecoupées de roche dure. Cette hétérogénéité complique les efforts pour modéliser le comportement basal de glissement et de courant de glace, car la transition d'un lit mou à un lit dur peut entraîner des changements brusques dans la vitesse du flux.

Au-delà du till, les milieux sous-glaciaires contiennent une vaste gamme d'autres types de débris. Les diamictites subglaciaires, qui sont des sédiments glaciaires lithifiés trouvés dans le dossier géologique, fournissent des preuves de l'activité glaciaire passée et aident les scientifiques à reconstruire les anciennes étendues de nappes glaciaires. L'étude des sédiments sous-glaciaires a également des applications pratiques pour l'exploration minérale, car les gisements glaciaires peuvent concentrer des minéraux précieux comme l'or, les diamants et les métaux communs.

Volcanisme sous-glaciaire et activité géothermique

Dans les régions où l'activité tectonique ou volcanique est présente, la chaleur géothermique subglaciaire peut affecter de façon significative la dynamique des calottes glaciaires. L'Islande en fournit l'exemple le plus dramatique, où des glaciers comme Vatnajökull et Myrdalsjökull recouvrent des systèmes volcaniques actifs. Les éruptions volcaniques subglaciaires fondent de grands volumes de glace, produisant des rafales de jökulhlaups ou des inondations glaciaires qui peuvent libérer des milliards de mètres cubes d'eau en quelques jours. Ces inondations remodelent le paysage et posent de graves risques pour les infrastructures et les communautés en aval.

En Antarctique, les mesures du flux de chaleur géothermique sont rares, mais elles indiquent que certaines régions, comme le Système de fossé de l'Antarctique occidental, ont des flux de chaleur plusieurs fois plus élevés que la moyenne continentale. Ce flux thermique élevé peut fondre la base de la nappe glaciaire, créant de l'eau souterraine et influençant l'emplacement et la stabilité des cours d'eau de glace. Des études récentes ont utilisé des données magnétiques et gravimétriques pour déduire le flux de chaleur géothermique sous la nappe glaciaire de l'Antarctique, révélant un schéma complexe de points chauds et froids qui se corrélent avec des structures tectoniques.

Méthodes d'étude des caractéristiques subglaciaires

Les systèmes radar modernes fonctionnent à des fréquences comprises entre 1 et 200 mégahertz, avec des fréquences inférieures pénétrant la glace plus épaisse mais offrant moins de résolution. Des campagnes aéroportées telles que l'opération IceBridge de la NASA et la mission CryoSat-2 de l'Agence spatiale européenne ont recueilli des données radar dans l'Antarctique, au Groenland et dans d'autres régions glaciées, produisant des cartes de terrain subglaciaire à l'échelle du continent. Ces ensembles de données sont librement disponibles et ont été utilisés dans des milliers d'études.

Les levés sismiques actifs, qui consistent à générer des ondes sonores et à enregistrer leurs réflexions, peuvent distinguer entre le substratum, le till et l'eau à l'interface du lit de glace. La surveillance sismique passive, qui enregistre les tremblements de terre et les tremblements de glace naturels, aide à détecter le débit d'eau subglaciaire et la déformation des sédiments.Ces dernières années, la technologie de détection de la fibre optique est apparue comme un outil puissant pour la surveillance subglaciaire.

Les forages en eau chaude peuvent faire fondre des trous à travers des centaines, voire des milliers de mètres de glace en quelques heures, ce qui permet de descendre les instruments au lit. Une fois au lit, les caméras de forage captent des images du paysage subglaciaire, tandis que les capteurs de pression et les pièges à sédiments mesurent la pression de l'eau et le transport des sédiments.

Incidences sur le changement climatique et l'élévation du niveau de la mer

Les caractéristiques cachées sous les glaciers et les calottes glaciaires influent directement sur la vitesse à laquelle la glace est rejetée dans l'océan. Au moment où le climat se réchauffe, les changements dans l'hydrologie subglaciaire, la déformation des sédiments et le flux de chaleur géothermique peuvent accélérer le flux de glace, ce qui entraîne une élévation du niveau de la mer. La préoccupation la plus immédiate est la stabilité des secteurs marins des calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland, où la glace repose sur le substrat rocheux qui est sous le niveau de la mer.

D'une part, un drainage efficace peut enlever l'eau du lit et réduire la lubrification basale, ce qui peut ralentir le flux de glace. D'autre part, la présence de lacs subglaciaires et de systèmes d'eau à haute pression peut faciliter le mouvement rapide du courant de glace et déclencher des événements de drainage soudains qui déstabilisent la nappe glaciaire. La compréhension de ces effets sera une question centrale en glaciologie.

Plus de 600 millions de personnes vivent à moins de dix mètres du niveau de la mer, et nombre des plus grandes villes du monde, dont Shanghai, Mumbai, New York et Tokyo, sont vulnérables à l'élévation du niveau de la mer. Même une légère augmentation du taux de déversement de glace provenant des glaciers et des calottes glaciaires peut avoir des conséquences économiques et humanitaires importantes.

Études de cas en recherche subglaciaire

Glacier Thwaites, Antarctique occidental

Le glacier Thwaites, souvent appelé langue de l'Antarctique, est l'un des glaciers les plus étudiés de la Terre en raison de son potentiel de contribuer de façon significative à l'élévation du niveau de la mer. Le glacier est situé sur un lit qui s'approfondit à l'intérieur des terres, ce qui le rend vulnérable à l'instabilité des plaques de glace marines. La topographie subglaciaire sous Thwaites comprend un creux profond qui canalise l'eau chaude de l'océan vers la ligne de mise à la terre, où la glace commence à flotter.

Jakobshavn Isbræ, Groenland

L'accélération du glacier au cours des deux dernières décennies a été liée au recul de sa langue flottante et à l'afflux d'eaux chaudes de l'océan. La topographie subglaciaire sous Jakobshavn comprend un chenal profond et surpeuplé qui s'étend sur plus de 1 300 mètres au-dessous du niveau de la mer, permettant à l'eau chaude d'atteindre de loin l'intérieur. Des relevés radar et sismiques ont montré que le lit est constitué d'un mélange de roche dure et de sédiments mous, avec la distribution de sédiments qui influencent le schéma spatial de glissement basal. L'apport saisonnier d'eau de fonte de la surface de la nappe glaciaire du Groenland se déplace vers le lit et module la vitesse de la glace, avec des accélérations estivales de 50 % ou plus observées au cours de certaines années.

Regard vers l'avenir

Les caractéristiques subglaciaires des grands glaciers restent l'une des dernières frontières de la science de la Terre. Chaque nouvelle étude radar, observation de forage ou mesure par satellite révèle une complexité inattendue et soulève de nouvelles questions sur les processus qui opèrent sous la glace. Au fur et à mesure que la technologie progresse, avec des radars à haute résolution, des instruments autonomes et des capacités de modélisation améliorées, notre compréhension de ces profondeurs cachées s'approfondira. Les connaissances acquises ne sont pas seulement académiques; il est essentiel d'anticiper l'évolution des glaciers et des calottes glaciaires dans un climat changeant et de préparer les sociétés qui dépendent des ressources et des écosystèmes liés à ces paysages gelés.