La sismologie pour ausculter les pertes des glaciers des calottes polaire, lors du vêlage d’icebergs

Mardi, 23 février 2016

Image satellite (NASA) du Jakobshavn Isbrae et son fjord.! L'évaluation et la caractérisation des forces mises en jeu lors du vêlage d'icebergs est primordiale pour comprendre les processus dynamiques alors à l'oeuvre et quantifier les pertes de masse aux glaciers des calottes polaires. En combinant un modèle de source inversé des données sismiques et des images filmées d'un vêlage d'icebergs au terminus* du glacier Jakobshavn Isbrae (Groenland Ouest), une équipe de chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Cité Parsi Sorbonne), de l'ENSAM (CNRS) et de l'ETH Zurich révèlent les sources et mécanismes à l'origine de la sismicité, et montrent le potentiel de la sismologie pour l'étude de la dynamique des calottes polaires. Cette étude est publiée dans la revue Geophycical Research Letters (4 février).

L'élévation de la température globale de la Terre, et en particulier des océans, menace directement le bilan de masse des calottes polaires. L'accélération de l'amincissement et du retrait des glaciers côtiers sont la démonstration des changements rapides affectant la calotte à l'échelle du Groenland. Le retrait s'accompagne de la désintégration des langues de glace flottantes et le vêlage d'icebergs colossaux, dont le taux a considérablement augmenté ces dix dernières années. La connaissance des processus et taux de vêlage est particulièrement importante pour évaluer leur impact sur la perte de masse et la dynamique des glaciers émissaires et plus généralement quantifier leur contribution à l'augmention du niveau des mers.


Photographies d'un velâge et retournement d'iceberg au Jakobshavn Isbrae, le 5 juin 2007. Images filmées et publiées par Amundson et al., 2008.


Variabilité des signaux sismiques (à la station ILULI en déplacement) de l’épisode de vêlage, filtrés dans différentes gammes de fréquences. L’avalanche de glace a lieu en (A). Le vêlage et retournement des deux icebergs ont lieu entre (B-C) et (D-E). Sergeant et al., 2016

Les vêlages d'icebergs génèrent des séismes dits glaciaires, de magnitudes comprises entre 3 et 5. Ces icebergs ont un volume colossal pouvant aller jusque plusieurs dizaines de millions de mètres cubes. Une fois détachés du front du glacier et en instabilité gravitaire, ils se retournent lentement contre le terminus, guidés par les forces de flottabilité de l'eau dans laquelle ils tombent. Le long contact  (de l'ordre de la dizaine de minutes) avec le glacier lors de leur rotation génère des ondes sismiques  longues-périodes qui sont enregistrées jusqu'à des distances télésismiques (10 000 km). On enregistre une augmentation globale du nombre de séismes glaciaires depuis les années 2000, de manière non-uniforme sur l'ensemble du Groenland. De manière générale, les glaciers de l'Est du Groenland ont produit un maximum de séismes entre 2000 et 2005. On mesure une augmentation du nombre de séismes au niveau des glaciers de l'Ouest à partir de 2005. Cette variabilité spatiale et temporelle du catalogue d'évènements sismiques suggère un changement important dans la dynamique des glaciers émissaires du Groenland. Les données sismiques sont donc des outils utiles pour détecter les épisodes de vêlage d'icebergs aux différents glaciers, et comprendre et quantifier les processus dynamiques à l'oeuvre.

Dans leur étude, l'équipe calcule la force induite par l'épisode de vêlage du 21 août 2009 en inversant les données sismiques de cinq stations du Groenland. Ces stations ont été installées dans le cadre du projet GLISN (Greenland Ice-Sheet monitoring Network, www.glisn.info) pour détecter, localiser et caractériser les phénomènes cryo-sismiques, et contribuer ainsi à la compréhension de la dynamique glaciaire à l'échelle du Groenland.

Les variations de l'amplitude de la source, de sa durée et de sa distribution en fréquence entre 0.01 et 0.1 Hz ont permis d'identifier quatre forces à l'origine du signal sismique. La première est générée lors d'une avalanche de débris de glace le long du front de vêlage, déclenchée par le détachement d'un premier iceberg et l'initiation de sa rotation. Cette force résulte probablement du glissement de la glace le long de la paroi, à l'instar de la force générée lors des glissements de terrain ; ou de la collision de l'iceberg avec le terminus, résultant d'un rehaussement de son centre de gravité dû à la perte de masse emmenée par l'avalanche. Une partie du signal sismique longues-périodes est généré par la fluctuation des forces de contact appliquées sur le terminus par le vêlage du premier iceberg (l'iceberg se retourne tel que sont toit se déplace vers le glacier) et le vêlage d'un second iceberg (dont le toit se déplace vers la mer), trois fois plus petit. Enfin, les chercheurs mettent en évidence des forces agissant tout le long de la séquence de vêlage, interprétées comme des forces de friction et de cisaillement sur les parois du terminus et du fjord, induites par l'accélération du mélange flottant de débris de glace en réponse au volume d'eau déplacé par la rotation des icebergs.

Cette étude révèle la complexité des forces à l'origine des séismes glaciaires induits par vêlage d'icebergs. L'analyse à l'aide des images de l'évènement, des enregistrements sismiques et de la source à leur origine pourrait être étendue à la détection et l’analyse d'autres évènements de même type dont on ne dispose pas d'observations visuelles. L'obtention de l'histoire précise de la force est une avancée importante qui permettra de contraindre les modèles mécaniques de la dynamique du vêlage, afin de caractériser les volumes d'icebergs et estimer les fluctuations de masse des calottes polaires.

 

Légende de la vidéo. © Copyright de la vidéo.

Note(s): 

* Le terminus du glacier est toute la zone de terminaison du glacier qui se jette dans la mer. Il comprend le front de vêlage d'où se détachent les icebergs. Le terminus peut reposer sur le sol ou être flottant avec le développement de langues de glace flottantes. Les icebergs se détachent du front de vêlage, se retournent en frottant contre le front et compressent élastiquement le terminus dans une zone pouvant s'étendre jusque 500m derrière le front de vêlage.

Source(s): 

Complex force history of a calving-generated glacial earthquake derived from broadband seismic inversion, Sergeant, A., A. Mangeney, E. Stutzmann, J.-P. Montagner, F. Walter, L. Moretti, and O. Castelnau (2016),,Geophys. Res. Lett., 43, doi:10.1002/2015GL066785.

Contact(s):
  • Amandine SERGEANT, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    sergeant [at] ipgp [dot] fr, 0183957552
  • Anne MANGENEY, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    mangeney [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 75 62

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