Предисловие ..................................................... 3
Введение ........................................................ 5
ГЛАВА 1. Вода в ледниках: современные представления ............. 7
1.1 Гидротермическое состояние и режим ледников ................ 7
1.2 Зоны льдообразования и их гидротермический режим ........... 9
1.3 Пути поступления и включения воды в ледниках .............. 11
1.3.1 Движение воды в фирновой толще ..................... 12
1.3.2 Скопления воды в толще и у ложа ледников ........... 13
1.3.3 Водопроницаемость и влагосодержание теплого льда ... 15
1.3.4 Дренажные системы и течение воды в ледниках ........ 19
1.3.5 Быстрая дренажная система .......................... 21
Каналы Ретлисбергера ............................... 21
1.3.6 Медленная дренажная система ........................ 23
Пленка воды на ложе ................................ 24
Слой воды на ложе .................................. 24
Каналы Ная ......................................... 24
Подледниковые полости .............................. 25
Система связанных подледниковых полостей ........... 25
Слой воды на шероховатом ложе ...................... 27
Объединенная модель каналы-полости ................. 30
Переохлажденная вода под ледниками ................. 31
Вода в подледниковых отложениях .................... 32
1.3.7 Взаимодействие дренажных систем в ледниках ......... 33
1.4 Влияние воды на динамику ледников ......................... 35
1.4.1 Сезонные вариации скорости ......................... 35
1.4.2 Скорость скольжения по твердому ложу ............... 36
1.4.3 Вертикальные смещения и раскрытие полостей ......... 39
1.4.4 Давление и запасы воды на ложе ..................... 41
1.4.5 Короткопериодные вариации скорости ................. 42
1.4.6 Скольжение по рыхлому ложу ......................... 43
1.5 Влияние воды на динамическую нестабильность ледников ...... 46
1.5.1 Механизмы ледниковых подвижек ...................... 46
Термическая нестабильность ......................... 47
Гидрологическая нестабильность ..................... 48
Механизм водной смазки ............................. 49
Механизм связанных полостей ........................ 51
Деформируемое ложе ................................. 55
1.5.2 Подвижки политермических и теплых ледников:
факты и возможные механизмы ........................ 56
1.6. Выводы .................................................... 58
ГЛАВА 2. Дистанционные и геофизические методы исследования
воды в ледниках ................................................ 60
2.1 Области поверхностного таяния ............................. 61
2.1.1 Съемки в видимом и ближнем инфракрасном
диапазонах ......................................... 61
2.1.2 Пассивная микроволновая радиометрия ................ 66
2.1.3 Активная радиорефлектометрия ....................... 71
2.1.4 Радиозондирование и DGPS измерения ................. 78
2.2 Поверхностная дренажная сеть .............................. 80
2.3 Наледниковые озера и водоемы .............................. 83
2.3.1 Изменения площади наледниковых озер по данным
MODIS .............................................. 83
2.3.2 Глубина и объем наледниковых озер по данным MODIS .. 85
2.3.3 Глубина и объем наледниковых озер и водоемов по
данным ASTER ....................................... 89
2.3.4 Дренирование наледниковых озер ..................... 92
Влияние наледниковых озер на сезонные вариации
скорости ледников Гренландии ....................... 96
2.4 Идентификация политермических ледников по характеру
радиолокационных отражений ............................... 101
2.5 Содержание воды в ледниках ............................... 103
2.5.1 Оценка по мощности обратного рассеяния
включениями воды в теплом льду .................... 103
2.5.2 Оценка по коэффициенту отражения от ВОГ ........... 106
2.5.3 Оценка по скорости распространения радиоволн ...... 111
2.5.4 Оценка по скорости распространения сейсмических
волн .............................................. 116
2.5.5 Оценка по данным электро- и сейсмозондирования .... 117
2.6 Методы измерения скорости распространения радиоволн в
ледниках ................................................. 120
2.6.1 Сравнение данных радиозондирования и бурения ...... 120
2.6.2 Радиолокационный каротаж скважин .................. 120
2.6.3 Оценка по гиперболическим отражениям .............. 123
2.6.4 Наклонное радиозондирование ....................... 126
Метод годографа для двухпозиционных ОГТ-
измерений ......................................... 126
Скоростной анализ данных двухпозиционных
ОГТ-измерений методом подобия ..................... 126
Метод непрерывных многопозиционных измерений ...... 127
Интервальные скорости по данным радиозондирования
и ОГТ-измерений ................................... 128
2.6.5 Ошибки определения скорости радиоволн и
содержания воды в ледниках по данным
двухпозиционных ОГТ-измерений ..................... 131
2.7 Макроскопления воды в толще и у ложа ледников ............ 134
2.7.1 Изменения количества и положения .................. 136
2.7.2 Оценка размеров по мощности отражений ............. 137
2.7.3 Оценка заполненности и размеров по
гиперболическим отражениям ........................ 140
2.7.4 Оценка заполненности по вертикальным сериям
гиперболических отражений ......................... 147
2.7.5 Распределение придонных трещин по данным радио-
и сейсмозондирования .............................. 150
2.7.6 Метод ПМР для обнаружения крупных скоплений воды .. 155
2.8 Условия на нижней границе ледников ....................... 158
2.8.1 Зависимость отражающих характеристик ложа от его
свойств ........................................... 159
Отражение от гладких плоских границ раздела ....... 159
Отражение от подстилающих пород разного состава
и термического состояния .......................... 160
Отражение от слоя воды на ложе .................... 162
Отражение от придонного слоя водосодержащего
льда .............................................. 163
Отражение от морской воды, солоноватого льда и
тилла ............................................. 163
Отражение от шероховатого ложа .................... 164
2.8.2 Интенсивность отражения от ложа и поглощение во
льду .............................................. 165
Поглощение в холодном льду ........................ 166
Поглощение в шельфовых ледниках ................... 172
Изменение относительной интенсивности отражений ... 174
Измерения на двух частотах ........................ 180
2.8.3 Оценка по мощности отраженных сигналов (BRP) от
ложа .............................................. 183
2.8.4 Шероховатость ложа ................................ 186
Ледник Слессор .................................... 186
Ледник Тоттен ..................................... 190
Ледник Пайн-Айденд ................................ 192
2.8.5 Оценка по интенсивности, форме и федингу
отраженных сигналов ............................... 196
2.8.6 Оценка по соотношению зеркальной и диффузной
составляющих в энергии отражений .................. 201
2.8.7 Условия на нижней границе по сейсмическим данным .. 203
Оценка по скорости распространения сейсмических
волн .............................................. 203
Оценка по амплитудным и фазовым характеристикам
сейсмических отражений ............................ 204
О возможности обнаружения тонких слоев воды у
ложа ледников сейсмоэлектрическим методом ......... 210
2.9 Крупные скопления воды на ложе ........................... 211
2.9.1 Идентификация по данным спутниковой альтиметрии ... 213
2.9.2 Идентификация и оценка размеров по данным
радиозондирования ................................. 215
2.9.3 Изменения высоты поверхности над активными
подледниковыми озерами ............................ 217
Антарктида ........................................ 217
Аляска ............................................ 223
Исландия .......................................... 224
2.10 Условия на нижней поверхности плавучих ледников .......... 227
2.11 Дистанционные методы определения линии налегания
плавучих ледников ........................................ 230
Картирование линии налегания в Антарктиде ..................... 236
2.12 Скорость донного таяния у линии налегания ледников ....... 239
2.12.1 Оценка по данным радиозондирования и
моделирования ..................................... 239
2.12.2 Оценка балансовым методом по поверхностной
скорости и толщине льда ........................... 242
2.13 Таяние в краевой части плавучих ледников ................. 244
2.14 Выводы ................................................... 247
ГЛАБА 3. Вода в ледниках Арктики и Субантарктики: опыт
применения геофизических методов .............................. 251
3.1 Районы и объекты исследований ............................ 251
3.2 Радиолокационная аппаратура и методика исследований ...... 252
3.3 Результаты исследований .................................. 254
3.3.1 Ледник Ханс ....................................... 254
Повторные измерения на поперечном профиле ......... 255
Измерения в фиксированной точке ................... 256
Наклонное радиозондирование ....................... 259
3.3.2 Ледник Фритьоф .................................... 262
Изменение толщины льда и гидротермической
структуры ......................................... 264
Изменение скорости радиоволн и содержания воды
в теплом льду ..................................... 266
Топография поверхности и ложа ..................... 269
Изменение высоты поверхности, границ, площади и
объема ............................................ 270
Изменение высоты поверхности и напряжения сдвига
на ложе ........................................... 272
Изменение поверхностной скорости .................. 275
Изменение подледниковой гидрологической сети ...... 278
Возможные механизмы подвижки ледника Фритьоф в
1990-х годах ...................................... 279
3.3.3 Ледниковое плато Амундсена ........................ 281
3.3.4 Ледник Тавле ...................................... 287
3.3.5 Ледники Джонсоне и Хард ........................... 289
Толщина льда и подледный рельеф ................... 292
Содержание воды: оценка по скорости
распространения сейсмических волн ................. 292
Оценка по гиперболическим отражениям .............. 292
Оценка по данным ОГТ-измерений .................... 294
3.4 Выводы ................................................... 294
ГЛАВА 4. Распределение и динамика воды в ледниках:
результаты дистанционных и геофизических исследований ......... 297
4.1 Содержание воды в теплых и политермических ледниках ...... 298
4.1.1 Пространственные изменения ........................ 299
Ледники Шпицбергена ............................... 299
Ледник Гренц в Альпах ............................. 302
4.2 Изменения содержания воды и гидротермической структуры ... 307
4.2.1 Короткопериодные изменения ........................ 307
4.2.2 Изменения в период таяния ......................... 307
4.2.3 Длиннопериодные изменения ......................... 319
4.2.4 Гидрологический механизм отепления холодных
ледников .......................................... 330
4.3 Связь гидротермического состояния политермических
ледников с их подвижками ................................. 331
4.4 Гидравлический потенциал и подледниковая дренажная сеть .. 333
4.4.1 Ледники на Шпицбергене ............................ 333
Ледники Ханс и Вереншельд ......................... 333
Ледник Средний Ловен .............................. 340
4.4.2 Ледники на Аляске и в Канаде ...................... 340
4.4.3 Ледники в Исландии ................................ 342
4.5 Таяние-намерзание под ледниковыми покровами по данным
численного моделирования ................................. 345
4.5.1 Антарктида ........................................ 345
4.5.2 Гренландия ........................................ 352
4.6 Таяние-намерзание под шельфовыми ледниками Антарктиды .... 354
4.7 Таяние-намерзание под ледяными потоками и выводными
ледниками ................................................ 359
4.7.1 Ледяные потоки в секторе моря Амундсена ........... 360
Ледники Пайн-Айленд и Туэйтс ...................... 360
4.7.2 Ледяные потоки Росса .............................. 367
4.7.3 Ледяные потоки Ратфорд и Карлсон Инлет ............ 373
4.7.4 Пятна прилипания на ложе ледяных потоков .......... 376
4.8 Влияние подледниковой гидрологии на динамику ледников .... 381
4.8.1 Общая модель взаимодействия подледниковых
гидрологических систем с ледниковым покровом ...... 382
4.8.2 Модель подледниковых каналов и колебания
скоростей ледников Гренландии ..................... 385
4.8.3 Гидрологическая модель с эквивалентным пористым
слоем и режимы движения горного ледника ........... 393
4.9 Подледниковые озера в Антарктиде ......................... 395
4.9.1 Идентификация, инвентаризация и классификация ..... 395
4.9.2 Количество и размеры .............................. 400
Площадь ........................................... 403
Глубина и объем ................................... 406
4.9.3 Распределение и связь с топографией ложа .......... 407
Географическое распределение ...................... 407
Связь с региональной топографией ложа ............. 410
4.9.4 Активные подледниковые озера ...................... 410
Район ледяных потоков Кема (С) и Биндшадлера (D) .. 413
Район ледяных потоков Вилланса (В) и Мерсера (А) .. 413
Район ледяного потока Мак-Эйла (Е) ................ 418
Подледниковое озеро Кука .......................... 425
Район подледникового трога Адвенчур ............... 426
Район ледника Академия ............................ 427
Район озера Восток ................................ 428
Район подледникового бассейна Аврора .............. 432
4.9.5 Инвентаризация активных озер Антарктиды ........... 434
4.10 Внутренние отражающие слои и свободная от радиоэха зона .. 435
4.10.1 Намерзший озерный лед над подледниковый озером
Восток ............................................ 436
4.10.2 Слой намерзшего льда в районе купола А и гор
Гамбурцева ........................................ 439
4.11 Подледниковые дренажные сети ледниковых покровов ......... 445
4.11.1 Антарктида. Подледниковый трог Адвенчер ........... 445
Подледниковый трог Адвенчер .............................. 445
4.11.2 Гренландия ........................................ 457
4.11.3 Сравнение дренажных сетей Антарктиды и
Гренландии ........................................ 462
4.12 Выводы ................................................... 464
Заключение .................................................... 469
Summary ....................................................... 475
Литература .................................................... 477
Оглавление .................................................... 518
Foreword ........................................................ 3
Introduction .................................................... 5
CHAPTER 1. Water in glaciers: modern ideas ...................... 7
1.1 Hydrothermal state and regime of glaciers .................. 7
1.2 Ice facies zones and hydrothermal regime ................... 9
1.3 Water routes and inclusions in glaciers ................... 11
1.3.1 Water movement in firn ............................. 12
1.3.2 Accumulation of water in the ice body and at the
glacier bed ........................................ 14
1.3.3 Water permeability and water content of temperate
ice ................................................ 15
1.3.4 Drainage systems and water flow in glaciers ........ 19
1.3.5 Fast drainage system ............................... 21
Röthlisberger channels ............................. 21
1.3.6 Slow drainage system ............................... 23
Water film on bedrock .............................. 24
Water layer on bedrock ............................. 24
Nyechannels ........................................ 24
Subglacial cavity .................................. 25
System of connected subglacial cavities ............ 25
Water layer on a rough bed ......................... 27
Combined model channels/cavities ................... 30
Supercooled water under glaciers ................... 31
Water in subglacial sediments ...................... 32
1.3.7 Interaction of drainage systems in glaciers ........ 33
1.4 Effect of water on glacier dynamics ....................... 35
1.4.1 Seasonal variation of velocity ..................... 35
1.4.2 Sliding velocity on the hard bed ................... 36
1.4.3 Vertical displacements and disclosure of cavities .. 39
1.4.4 Pressure and water storages on the bed ............. 41
1.4.5 Short-velocity variations .......................... 42
1.4.6 Slipping on loose bedrock .......................... 43
1.5 Effect of water on the dynamic instability of glaciers .... 46
1.5.1 Mechanisms of glacier surges ....................... 46
Thermal instability ................................ 47
Hydrological instability ........................... 48
The mechanism of water-based lubricant ............. 49
Mechanism of connected cavities .................... 51
Deformahle bedrock ................................. 55
1.5.2 Surges of polythermal and temperate glaciers:
facts and possible mechanisms ...................... 56
1.6 Conclusions ............................................... 58
CHAPTER 2. Remote and geophysical methods study of water in
glaciers ....................................................... 60
2.1 Areas of surface melting .................................. 61
2.1.1 Survey in the visible and near-infrared
bands ....................................... 61
2.1.2 Passive microwave radiometry ................ 66
2.1.3 Active radiowave scatterometry .............. 71
2.1.4 Radio echo-sounding and DGPS measurements ... 79
2.2 Surface drainage network .................................. 80
2.3 Supraglacial lakes and ponds .............................. 83
2.3.1 Changes in the area of supraglacial lakes from
MODIS data ......................................... 83
2.3.2 The depth and volume of supraglacial lakes from
MODIS data ......................................... 85
2.3.3 The depth and volume of supraglacial lakes and
ponds from ASTER data .............................. 89
2.3.4 Drainage of supraglacial lakes ..................... 92
Influence of supraglacial lakes on seasonal
variations of glacier velocity in Greenland ........ 96
2.4 Identification of polythermal glaciers by character of
radar reflections ........................................ 101
2.5 Assessments of water content in glaciers ................. 103
2.5.1 Backscatter power from water inclusions in
temperate ice ..................................... 103
2.5.2 Reflection coefficient of the IRH ................. 106
2.5.3 Velocity of radio waves propagation ............... 111
2.5.4 Velocity of seismic waves propagation ............. 115
2.5.5 Data of electrical and seismic sounding ........... 117
2.6 Methods for measuring the velocity of radio waves
propagation in glaciers .................................. 120
2.6.1 Comparison of radar data and drilling ............. 120
2.6.2 Radar borehole logging ............................ 120
2.6.3 Hyperbolic reflections ............................ 123
2.6.4 Wide-angle radio echo-sounding .................... 126
Hodograph methodfor bistatic CMP measurements ..... 126
Similarity velocity analysis of bistatic CMP
data .............................................. 126
Method of continuous multioffset measurements ..... 127
Interval velocity from radar data and CMP
measurements ...................................... 128
2.6.5 Errors in determining of radio waves velocities
and the water content in glaciers by CMP
measurements ...................................... 134
2.7 Large bodies of water in glaciers and at bedrock ......... 134
2.7.1 Changes in their number and location .............. 136
2.7.2 Size evaluation by reflection power ............... 137
2.7.3 Filling and size evaluation by hyperbolic
reflections ....................................... 140
2.7.4 Filling evaluation by vertical series of
hyperbolic reflections ............................ 147
2.7.5 Distribution of bottom crevasses by radio and
seismic sounding data ............................. 150
2.7.6 SNMR method for detection of large water bodies ... 155
2.8 Conditions at the lower boundary of glaciers ............. 158
2.8.1 Dependence of the reflective characteristics of
the bed from its properties and thermal state ..... 159
Reflection on smooth flat interfaces .............. 159
Reflection from the underlying rocks of different
composition and thermal state ..................... 160
Reflection from the water layer on the bed ........ 162
Reflection from the bottom layer of ice with
water ............................................. 163
Reflection from the sea water, salty ice and
till .............................................. 163
Reflection from a rough bed ....................... 164
2.8.2 Intensity of bedrock reflection and absorption
in ice ............................................ 165
Absorption in cold ice ............................ 166
Absorption in ice shelves ......................... 172
Variation of relative intensities of reflections .. 174
Measurements at two frequencies ................... 180
2.8.3 Evaluation based on the bedrock reflection power
(BRP) ............................................. 183
2.8.4 Roughness of the bed .............................. 186
Slessor Glacier ................................... 186
Totten Glacier .................................... 190
Pine Island Glacier ............................... 192
2.8.5 Evaluation based on intensity, shape and fading
of reflected signals .............................. 196
2.8.6 Evaluation based on the ratio of specular and
diffuse components in reflections power ........... 201
2.8.7 Conditions at the lower boundary by seismic data .. 203
Evaluation based on the velocity of seismic waves
propagation ....................................... 203
Evaluation based on amplitude and phase
characteristics of seismic reflections ............ 204
On the possibility of detection of thin water
layers at glacier bed by seismic electric method .. 210
2.9 Large bodies of water on the bed ......................... 211
2.9.1 Identification by satellite altimetry data ........ 214
2.9.2 Identification and size assessment by radar data .. 215
2.9.3 Changes of surface elevation over the active
subglacial lakes .................................. 217
Antarctica ........................................ 217
Alaska ............................................ 223
Iceland ........................................... 224
2.10 Conditions at the lower surface of the floating
glaciers ................................................. 227
2.11 Remote methods of detection of grounding lines of
floating glaciers ........................................ 230
Mapping of grounding lines in Antarctica ................. 236
2.12 Rates of bottom melting at grounding line ................ 239
2.12.1 Assessment based on radar data and modeling ....... 239
2.12.2 Assessment with balance method using ice surface
velocity and thickness ............................ 242
2.13 Melting in the edge of the floating glaciers ............. 244
2.14 Conclusions .............................................. 247
CHAPTER 3. Water in glaciers in the Arctic and sub-Antarctic:
experience of application of geophysical methods .............. 251
3.1 Regions and objects of studies ........................... 251
3.2 Radar equipment and methods of research .................. 252
3.3 The results of studies ................................... 254
3.3.1 Hansbreen ......................................... 254
Repeated measurements on a transverse profile ..... 255
Measurements at a fixed point ..................... 256
CMP radiosounding ................................. 259
3.3.2 Fridtjofbreen ..................................... 262
Change of ice thickness and hydrothermal
structure ......................................... 264
Change of radio waves velocity and water content
in temperate ice .................................. 266
Topography of glacier surface and bedrock ......... 269
Change of surface elevation, glacier outlines,
area and volume ................................... 270
Change of surface elevation and bedrock shear
stress ............................................ 272
Change of surface velocity ........................ 275
Change of subglacial hydrological network ......... 278
Possible mechanisms of Fridtjofbreen surge in
the 1990s ......................................... 279
3.3.3 Amundsenissen ice field ........................... 281
3.3.4 Glacier Tavlebreen ................................ 287
3.3.5 Johnsons and Hurd Glaciers ........................ 289
Ice thickness and subglacial topography ........... 292
Water content: assessment based on seismic
velocity .......................................... 292
Assessment based on of hyperbolic reflections ..... 292
Assessment based on of CMP measurements ........... 294
3.4. Conclusions ......................................... 294
CHAPTER 4. Distribution and dynamics of water in glaciers:
results of remote sensing and geophysical studies ............. 297
4.1 The water content in temperate and polythermal glaciers .. 298
4.1.1 Spatial changes ................................... 299
Glaciers in Svalbard ..................................... 299
Grenzgletcher in the Alps ................................ 302
4.2 Changes of water content and hydrothermal structure ...... 307
4.2.1 Short-term changes ................................ 307
4.2.2 Changes during melting period ..................... 307
4.2.3 Long-term changes ................................. 319
4.2.4 Hydrological mechanism of cold glacier warming
up ................................................ 330
4.3 Relation of hydrothermal state of polythermal glaciers
with their surges ........................................ 331
4.4 Hydraulic potential and subglacial drainage network ...... 333
4.4.1 Glaciers in Svalbard .............................. 333
Hansbreen and Werenskioldbreen .................... 333
Midre Lovénbreen .................................. 340
4.4.2 Glaciers in Alaska and Canada ..................... 340
4.4.3 Glaciers in Iceland ............................... 342
4.5 Melting/accretion under ice sheets according to
numerical simulation ..................................... 345
4.5.1 Antarctica ........................................ 345
4.5.2 Greenland ......................................... 352
4.6 Melting/accretion under the ice shelves in Antarctica .... 354
4.7 Melting/accretion under ice streams and outlet glaciers .. 359
4.7.1 Ice streams in the Amundsen Sea sector ............ 360
Pine Island and Thwaites glaciers ........................ 360
4.7.2 Ross ice streams .................................. 367
4.7.3 Rutford and Carlson Inlet ice streams ............. 373
4.7.4 Sticky spots on bed of ice streams ................ 376
4.8 Influence of subglacial hydrology on glaciers dynamics ... 381
4.8.1 The general model of interaction of subglacial
hydrological systems with ice sheet ............... 382
4.8.2 Model of subglacial channels and ice velocity
fluctuations in Greenland ......................... 385
4.8.3 Hydrological model with an equivalent porous
layer and movement modes of mountain glaciers ..... 393
4.9 Subglacial lakes in Antarctica ........................... 395
4.9.1 Identification, inventory and classification ...... 395
4.9.2 The number and sizes .............................. 400
Area .............................................. 403
Depth and volume .................................. 406
4.9.3 Distribution and relationship with bedrock
topography ........................................ 407
Geographical pattern .............................. 407
Relation with local bed topography ................ 410
4.9.4 Active subglacial lakes ........................... 410
Region of Kamb (C) and Bindschadler (D) ice
streams ........................................... 413
Region of Willans (B) and Mercer (A) ice streams .. 413
Region of McAyel (E) ice stream ................... 418
Subglacial Cook Lake .............................. 425
Region of Adventure subglacial trench ............. 426
Region of Academy Glacier ......................... 427
Region of Lake Vostok ............................. 428
Region of Aurora subglacial basin ................. 432
4.9.5 The inventory of active lakes in Antarctica ....... 434
4.10 Internal reflective layers and echo free zone ............ 435
4.10.1 The frozen lake ice over the subglacial Lake
Vostok ............................................ 436
4.10.2 The frozen layer of ice in the vicinity of Dome
A and Gamburtsev mountains ........................ 439
4.11 Subglacial drainage networks ice sheets .................. 445
4.11.1 Antarctica ........................................ 445
Adventure subglacial trench .............................. 445
4.11.2 Greenland ......................................... 457
4.11.3 Comparison of drainage networks in Antarctica
and Greenland ..................................... 463
4.12 Conclusions .............................................. 464
General conclusions ........................................... 469
Summary ....................................................... 475
References .................................................... 477
Contents ...................................................... 518
|
