Impact of deep subglacial groundwater on ice stream flow in West Antarctica (IGIS)

冰下深层地下水对南极洲西部冰流的影响(IGIS)

基本信息

  • 批准号:
    NE/R010838/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 77.74万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2021 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Our project will test the hypothesis that 'deep subglacial groundwater groundwater (contained within crustal basins of sedimentary rock) controls the flow of ice streams in West Antarctica' with an integrated programme of field measurements and numerical modelling of the Institute Ice Stream (IIS) and its cold-based neighbour the Bungenstock Ice Rise (BIR), in the central Weddell Sea sector of the West Antarctic Ice Sheet (WAIS). The IIS is particularly vulnerable to dynamic change and one of the largest sources of uncertainty in predictions of sea level change from Antarctica, and therefore an urgent priority for further scientific investigation.Ice streams are the fast-flowing conduits of the WAIS that discharge some 90% of continental ice into the ocean, requiring a substrate of basal till that dilates because it is lubricated well by water. Till is commonly supplied by ice flow over highly erodible sedimentary rocks contained within crustal basins beneath ice streams in the WAIS, tens to thousands of metres deep. Till layers can deform, facilitating fast basal slip and ice streaming when subglacial hydrological sources drive in water that softens them. The opposite effect is observed when water outflow into hydrological sinks stiffens the till, reducing basal slip. Irrespective of how current numerical models parameterise basal slip, a misrecognition of spatial or temporal variability in water and heat sources or sinks will translate directly into incorrect simulations of such slip and therefore of ice stream flow. The water is usually assumed to be produced and flow in a hydrological system at the ice-till interface, and the underlying sedimentary rocks to be impermeable. Evidence is now growing that this assumption is in fact wrong because these rocks can be more permeable than previously thought, and host to reservoirs of mobile groundwater that interacts hydrologically with the interfacial water system. Numerical model simulations of the WAIS's Siple Coast catchment, the East Antarctic Ice Sheet, the Vatnajökull Ice Cap in Iceland and the hydrological impacts of previous glaciations on contemporary groundwater reservoirs in sedimentary basins, all simulate vigorous transfers of water and heat between ice sheets and the underlying groundwater reservoirs.A major source of water and heat available for basal lubrication may therefore have been overlooked in models of ice stream flow, and it is now urgent that our understanding of ice-stream - groundwater interactions is transformed.We will identify the anatomy of the crustal groundwater reservoir beneath the IIS, the spatial and temporal nature of water and heat transfer between it and the interfacial water system, the inherent effects on the basal lubrication of the IIS, and quantify its vulnerability to future groundwater-modulated dynamic change. We will do this with a field data acquisiton programme that will deliver the essential datasets required to constrain numerical model simulations of groundwater-ice stream coupling. Seismic geophysical data will diagnose internal structures and bulk porosities of subglacial till and the groundwater reservoir in the sedimentary basin beneath the IIS - importantly bulk aquifer and aquitard layers as well as tunnel valleys - and delineate target subglacial lakes and any subglacial permafrost captured by the BIR profiles. MT data will delineate liquid groundwater within the reservoir structures and affirm the presence of any permafrost beneath the BIR.If the hypothesis is confirmed then we will have (1) transformed our understanding of ice stream flow in the WAIS, (2) formed and disseminated the knowledge required to improve ice-sheet models and their simulations of future WAIS change, and (3) exemplified and shared this by embedding it within the community ice sheet model CISM-2.
我们的项目将通过对西南极冰盖(WAIS)中部韦德尔海(WAIS)的冰流研究所(IIS)及其寒冷的邻居本根斯托克冰隆(BIR)的现场测量和数值模拟的综合方案,来检验这一假设,即‘深层冰下地下水(包含在沉积岩地壳盆地中)控制着南极西部冰流的流动’。IIS特别容易受到动态变化的影响,也是预测南极洲海平面变化的最大不确定性来源之一,因此是进一步科学调查的紧急优先事项。冰流是WAIS的快速流动管道,将大约90%的大陆冰排放到海洋中,需要一个基底层,直到它膨胀,因为它被水很好地润滑。冰层通常由冰流通过高度易侵蚀的沉积岩提供,这些沉积岩包含在WAIS冰川下的地壳盆地中,深度达数十至数千米。直到地层变形,当冰下水文资源注入软化它们的水时,有利于快速的基底部滑动和冰流。当流入水文下沉的水使耕作变硬,减少底部滑移时,就会观察到相反的效果。无论当前的数值模型如何将底部滑移参数化,对水和热源或汇的空间或时间变异性的错误认识将直接转化为对这种滑移的错误模拟,从而导致对冰流流动的错误模拟。通常假定水是在冰柜界面的水文系统中产生和流动的,而下面的沉积岩是不透水的。现在越来越多的证据表明,这种假设实际上是错误的,因为这些岩石可能比之前认为的更具渗透性,并拥有流动地下水的水库,这些水库与界面水系统在水文上相互作用。对WAIS的六海岸集水区、南极东部冰盖、冰岛瓦特纳约克冰盖以及以前冰川对沉积盆地中当代地下水库的水文影响的数值模拟,都模拟了冰盖和地下水库之间的水和热的剧烈转移。因此,冰流流动模型可能忽略了可用于基础润滑的一个主要的水和热来源,现在迫切需要改变我们对冰-流-地下水相互作用的理解。我们将确定IIS下面的地壳地下水水库的解剖,它与界面水系统之间水和热转移的空间和时间性质,对IIS基础润滑的内在影响,并量化其对未来地下水调节的动态变化的脆弱性。我们将通过现场数据采集方案来实现这一点,该方案将提供限制地下水-冰川耦合数值模型模拟所需的基本数据集。地震地球物理数据将诊断冰下耕作的内部结构和孔隙度,以及国际冰川研究所之下沉积盆地中的地下水水库--重要的是大量含水层和含水层以及隧道山谷--并圈定目标冰下湖泊和BIR剖面捕获的任何冰下永久冻土。如果假设得到证实,我们将(1)转变我们对WAIS中冰流流动的理解,(2)形成和传播改进冰盖模型及其对未来WAIS变化的模拟所需的知识,以及(3)通过将其嵌入社区冰盖模型CISM-2来例证和分享这一点。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aitken A
  • 通讯作者:
    Aitken A
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aitken A
  • 通讯作者:
    Aitken A
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aitken A
  • 通讯作者:
    Aitken A
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021-12-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Aitken A
  • 通讯作者:
    Aitken A
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