Écoulement des glaciers et déformation de la glace : les mécanismes expliqués
Un glacier ne ressemble à aucun autre type de corps naturel en mouvement. Il n'est pas liquide comme un fleuve, ni rigide comme un bloc de rocher — il est quelque chose entre les deux, une masse de glace polycristalline qui se déforme lentement sous son propre poids, se déplace sur son soubassement, et sculpte le paysage rocheux sur des échelles de temps bien au-delà de la perception humaine ordinaire. La glaciologie mécanique — l'étude des forces et des déformations qui font bouger la glace — est une discipline rigoureuse qui a radicalement changé notre compréhension du comportement des glaciers depuis le XIXe siècle.
Comprendre comment les glaciers s'écoulent est indispensable non seulement pour saisir comment ils érodent le paysage, mais aussi pour prédire leur vitesse de recul et leur contribution à la montée des mers. Observer les glaciers depuis la carte permet de contextualiser ces processus dans leur géographie réelle.
La glace comme matériau déformable
La glace est un cristal minéral — l'eau solide — mais dans les conditions de température et de pression qui règnent dans un glacier, elle se comporte d'une manière impossible à intuiter en manipulant un glaçon de réfrigérateur. La glace de glacier est en réalité un polycristal : elle est composée de millions de petits cristaux de glace orientés dans des directions variées, assemblés sans espace vide entre eux. Ces cristaux, qui grossissent avec le temps et la pression dans les parties profondes du glacier, peuvent atteindre plusieurs centimètres de diamètre.
La déformation de la glace dans un glacier se produit principalement par fluage. Ce processus implique des réarrangements internes à l'échelle des cristaux : des dislocations dans le réseau cristallin migrent, les cristaux glissent les uns contre les autres, et certains se recristallisent dans des orientations plus favorables à la déformation. La loi de Glen, formulée par le glaciologue britannique John Glen dans les années 1950 à partir d'expériences sur la glace artificielle, décrit mathématiquement la relation entre la contrainte appliquée à la glace et la vitesse de déformation qui en résulte. Cette loi reste la base des modèles rhéologiques des glaciers.
La déformation interne : la composante basique de l'écoulement
Dans un glacier dont la base est froide et gelée sur son soubassement — ce qu'on appelle un glacier à base froide — tout l'écoulement se produit par déformation interne. La couche basale de glace, soumise à la pression maximale du poids de la glace sus-jacente, se déforme plus rapidement que la surface. Le profil de vitesse du glacier ressemble à celui d'un fluide visqueux : lent à la base, plus rapide en surface.
Ce type d'écoulement est dominant dans les parties intérieures des grandes calottes polaires — dans les régions froides de l'Antarctique et du Groenland où la base de la glace est bien en dessous du point de fusion. Les vitesses sont généralement faibles, de l'ordre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres par an, mais l'épaisseur énorme de ces calottes fait que la masse de glace transportée reste considérable.
Le glissement basal : quand la glace glisse sur son lit
Lorsque la base d'un glacier atteint le point de fusion — soit parce que la pression est suffisamment élevée, soit parce que la chaleur géothermique ou la friction s'accumule — une mince pellicule d'eau liquide peut se former entre la glace et le soubassement. Cette eau de fusion basale agit comme lubrifiant et permet au glacier de glisser sur son lit avec bien moins de résistance que si la glace était directement en contact avec la roche.
Le glissement basal peut multiplier la vitesse d'un glacier par un facteur considérable. Les glaciers tempérés des Alpes, de Scandinavie et des Andes — dont la température interne est proche du point de fusion — se déplacent en grande partie par glissement basal. Les vitesses peuvent atteindre plusieurs mètres par jour dans les parties les plus rapides de certains glaciers comme le Mer de Glace en France ou le glacier Franz Josef en Nouvelle-Zélande.
La déformation du till subglaciaire
Un troisième mécanisme contribue à l'écoulement dans les glaciers reposant sur un substrat meuble — sédiments, argiles, et till subglaciaire. Ce till, saturé en eau sous la pression de la glace, peut se déformer plastiquement, permettant au glacier entier de se déplacer en même temps que son lit. C'est le mécanisme de déformation du till subglaciaire, décrit initialement par des études sur les glaciers islandais et de l'Arctique.
Ce mécanisme est particulièrement important pour les flux de glace rapides — les ice streams — qui s'écoulent à travers les calottes polaires vers la mer. Les ice streams de l'Antarctique Ouest reposent souvent sur des sédiments marins déformables qui permettent des vitesses d'écoulement extraordinaires, atteignant plusieurs centaines de mètres par an.
Les crevasses et séracs : expressions de la déformation
Lorsqu'un glacier accélère, tourne, ou s'écoule sur un relief irrégulier, les parties supérieures relativement rigides de la glace se fracturent sous les contraintes d'extension. Ces fractures — les crevasses — indiquent visuellement les zones d'accélération et de déformation. Dans une chute de glace, là où un glacier dévale une forte pente, la glace est disloquée en une forêt de tours et d'arêtes instables — les séracs — qui constituent l'un des principaux dangers des parcours d'alpinisme.
La disposition des crevasses renseigne le glaciologue sur la direction et l'intensité des contraintes. Des crevasses perpendiculaires à la direction d'écoulement indiquent une extension longitudinale — le glacier s'étire. Des crevasses en coin ou en éventail suggèrent un cisaillement latéral. L'analyse de la crevassation est un outil classique de la glaciologie de terrain pour cartographier les champs de vitesse.
Modélisation et prévision
La compréhension des mécanismes d'écoulement est la base des modèles numériques qui cherchent à prédire l'évolution des glaciers dans les prochaines décennies et siècles. Les modèles d'écoulement glaciaire résolvent les équations de conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement pour la glace considérée comme un fluide non-newtonien, en tenant compte de la topographie, des conditions thermiques et des conditions aux limites à la surface et à la base.
Ces modèles ont progressé considérablement avec la disponibilité de données de terrain issues de mesures GPS, de radar pénétrant (pour mesurer l'épaisseur de glace) et de télédétection satellitaire. Les incertitudes les plus importantes restent liées aux conditions basales — la distribution de l'eau subglaciaire, la nature et la résistance du till — qui sont difficiles à mesurer directement et dont les variations peuvent modifier dramatiquement les prévisions d'écoulement. L'amélioration des modèles est cruciale pour réduire l'incertitude des projections de montée du niveau des mers associées à la déglaciation des calottes polaires.