Stability of Temperate Ice Caps and Ice Sheets Resting on Beds of Deformable Sediment

Abstract

Although theories of glacier movement generally assume that glaciers flow over rigid rock beds, there are many places where glaciers rest on beds of deformable sediment, and the great Pleistocene ice sheets which extended from time to time over much of Northern Europe and North America were largely underlain by such beds. Observations show that a large proportion of the forward movement of a glacier lying on such a bed may be contributed by deformation of the bed rather than the glacier. A theory is developed in which the glacier surface profile is related to the hydraulic and strength properties of potentially deformable bed materials. If these have a high hydraulic transmissibility, melt water is readily discharged sub-glacially, the bed is stable, and the profile is a normal parabolic one, governed by the rhcological properties of ice. If bed transmissibility is low, water pressures build up, the bed begins to deform, and a lower equilibrium profile will develop, so that in an extreme case the glacier approximates to a thin flat sheet, similar to an ice shelf. It is suggested that such behaviour may have occurred at the margins of large Pleistocene ice sheets over North America and Europe, and evidence in support of this is drawn from the reconstructed shapes of these ice margins, anomalously small amounts of isostatic rebound, anomalously high retreat-rates, and the presence of glaciotcctonic structures. Reasons are suggested to explain why this behaviour should have been important for Pleistocene glaciers which penetrated into currently temperate latitudes but does not appear to be important in large modern glaciers. Résumé Bien que les théories sur le mouvement des glaciers supposent en général que les glaciers s’écoulent sur des lits rocheux rigides, il arrive souvent que les glaciers reposent en fait sur des sédiments déformables et la grande calotte glaciaire pleistocéne qui s’est parfois étendue sur la plus grande partie de l’Europe du Nord et de I’Amérique du Nord était en grande partie supportée par de tels lits. Des observations montrent qu’une forte proportion des avancées de glaciers reposant sur un tel lit peut être le résultat de la déformation du lit plus que de glacier. On a développé une théorie selon laquelle le profil de la surface du glacier est mis en relation avec les propriétés hydrauliques et plastiques des matériaux d’un lit déformable. S’ils ont une forte perméabilité, I’eau de fonte est rapidement transmise sous le glacier, le lit est stable et le profil est normalement parabolique, conformément aux lois rhéologiques de la glace. Si la perméabilité à I’eau est faible, la pression hydrostatique croît, le lit commence à se déformer et un profil d’équilibre plus bas en altitude se développe de sorte que, en des cas extrêmes, le glacier ressemble à une feuille mince plate, semblable à la banquise. On suggére qu’un tel comportement peut avoir pris place sur les franges de la grande calotte pleistocéne sur I’Amérique du Nord et I’Europe, et on y voit des preuves dans la reconstitution des formes de ces franges glaciaires avec des remontées isostatiques anormalement faibles, des vitesses de retrait anormalement élevées et la présence de structures glaritectoniques. On suggère des raisons qui expiiquent pourquoi ce comportement a dû être important pour les glaciers Pleistocènes qui pénétraient des latitudes ordinairement tempérées mais ne semble pas jouer un grand rôle dans les grands glaciers actuels. Zusammenfassung Obwohl die Theorien der Gletscherbewegung im allgemeinen davon ausgehen, dass Gletscher in Betten aus festem Fels fliessen, gibt es vielc Stellen, wo Gletscher auf deformierbaren Sedimenten liegen; dies gilt weitgehend von den grossen pleistozänen Eisschilden, die sich mehrfach über weite Gebiete von Nordeuropa und Nordamerika ausbreiteten. Beobachtungen zeigen, dass ein Grossteil der Vorwärtsbewegung solcher Gletscher eher von der Deformation des Untergrundes als von der des Gletschers herrühren kann. Eine Theorie wild entwickelt, die das Profil der Gletscheroberfläche zu den hydraulischen und Festigkeitseigenschaften potentiell deformierbaren Untergrundmaterials in Beziehung setzt. Wenn dieses eine hohe hydraulische Durchlässigkeit besitzt, wird Schmelzwasser reichlich subglazial abgeführt; das Bett ist dann stabil und das Profil normal parabolisch, entsprechend den rheologischen Eigenschaften des Eises. Ist die Durchlässigkeit hingegen gering, so steigt der Wasserdruck, das Bett beginnt, sich zu verformen, und es entwickelt sich ein tieferes Gleichgewichtsprofil; im Extremfall nähert sich der Gletscher einer dünnen, flachen Decke, ähnlich einem Schelfeis. Es wird angenommen, dass solches Verhalten an den Rändern der grossen pleistozänen Eisschilde über Nordamerika und -europa eingetreten ist; diese Annahme lässt sich stützen durch die rekonstruierte Gestalt dieser Eisränder, durch die ungewöhnlich niedrigen Werte des isostatischen Wiederaufstiegs, durch ungewöhnlich hohe Rückzugsraten und durch das Vorhandensein glazitektonischer Strukturen. Begründungen werden angegeben, um zu erklären, weshalb dieses Verhalten bedeutungsvoll für pleistozäne Gletscher, die in heute gemässigte Breiten vordrangen, gewesen sein soll, jedoch keine Bedeutung für grosse, derzeit bestehende Gletscher zu haben scheint.