L’auteur principal Chloe Gustafson et l’alpiniste Meghan Seifert installent des instruments géophysiques pour mesurer les eaux souterraines sous le Whillans Ice Stream en Antarctique occidental. Crédit : Kerry Key/Lamont-Doherty Earth Observatory.
Des réservoirs jusqu’ici non cartographiés pourraient accélérer les glaciers et libérer du carbone.
De nombreux chercheurs pensent que l’eau liquide est une clé pour comprendre le comportement de la forme gelée que l’on trouve dans les glaciers. On sait que l’eau de fonte lubrifie leur base graveleuse et accélère leur marche vers la mer. Ces dernières années, les scientifiques de l’Antarctique ont découvert des centaines d’aquifères interconnectés. lacs et rivières liquides bercés par la glace elle-même. Ils ont également imagé d’épais bassins de sédiments sous la glace, contenant potentiellement les plus grands réservoirs d’eau de tous. Mais jusqu’à présent, personne n’a confirmé la présence de grandes quantités d’eau liquide dans les sédiments sous la glace, ni étudié comment elle pourrait interagir avec la glace.
Maintenant, une équipe de recherche a pour la première fois cartographié un énorme système d’eau souterraine circulant activement dans les sédiments profonds de l’Antarctique occidental. Les chercheurs affirment que de tels systèmes, probablement communs en Antarctique, peuvent avoir des implications encore inconnues sur la façon dont le continent gelé réagit au changement climatique, voire y contribue. Les recherches ont été publiées dans le journal Science le 5 mai 2022.
Emplacements des relevés sur le Whillans Ice Stream. Des stations d’imagerie électromagnétique ont été installées dans deux zones générales (marquages jaunes). L’équipe s’est rendue dans des zones plus larges pour effectuer d’autres tâches, indiquées par des points rouges. Cliquez sur l’image pour voir une version plus grande. Crédit : Courtesy Chloe Gustafson
“Les gens ont émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir des eaux souterraines profondes dans ces sédiments, mais jusqu’à présent, personne n’a fait d’imagerie détaillée”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Chloe Gustafson, qui a effectué les recherches en tant qu’étudiante diplômée à Columbia University’s Lamont-Doherty Earth Observatory. “The amount of groundwater we found was so significant, it likely influences ice-stream processes. Now we have to find out more and figure out how to incorporate that into models.”
Scientists have for decades flown radars and other instruments over the Antarctic ice sheet to image subsurface features. Among many other things, these missions have revealed sedimentary basins sandwiched between ice and bedrock. But airborne geophysics can generally reveal only the rough outlines of such features, not water content or other characteristics. In one exception, a 2019 study of Antarctica’s McMurdo Dry Valleys used helicopter-borne instruments to document a few hundred meters of subglacial groundwater below about 350 meters of ice. But most of Antarctica’s known sedimentary basins are much deeper, and most of its ice is much thicker, beyond the reach of airborne instruments. In a few places, researchers have drilled through the ice into sediments, but have penetrated only the first few meters. Thus, models of ice-sheet behavior include only hydrologic systems within or just below the ice.
Coauthor Matthew Siegfried pulls up a buried electrode wire. Credit: Kerry Key/Lamont-Doherty Earth Observatory
This is a big deficiency; most of Antarctica’s expansive sedimentary basins lie below current sea level, wedged between bedrock-bound land ice and floating marine ice shelves that fringe the continent. They are thought to have formed on sea bottoms during warm periods when sea levels were higher. If the ice shelves were to pull back in a warming climate, ocean waters could re-invade the sediments, and the glaciers behind them could rush forward and raise sea levels worldwide.
The researchers in the new study concentrated on the 60-mile-wide Whillans Ice Stream, one of a half-dozen fast-moving streams feeding the Ross Ice Shelf, the world’s largest, at about the size of Canada’s Yukon Territory. Prior research has revealed a subglacial lake within the ice, and a sedimentary basin stretching beneath it. Shallow drilling into the first foot or so of sediments has brought up liquid water and a thriving community of microbes. But what lies further down has been a mystery.
Fin 2018, un avion de ski LC-130 de l’armée de l’air américaine a déposé Gustafson, ainsi que le géophysicien de Lamont-Doherty Kerry Key, le géophysicien de l’école des mines du Colorado Matthew Siegfried et l’alpiniste Meghan Seifert sur le Whillans. Leur mission : mieux cartographier les sédiments et leurs propriétés à l’aide d’instruments géophysiques placés directement à la surface. Loin de toute aide en cas de problème, il leur faudra six semaines épuisantes de voyage, de creusement dans la neige, de pose d’instruments et d’innombrables autres tâches.
L’équipe a utilisé une technique appelée imagerie magnétotellurique, qui mesure la pénétration dans la terre de l’énergie électromagnétique naturelle générée dans l’atmosphère de la planète. La glace, les sédiments, l’eau douce, l’eau salée et le substratum rocheux conduisent tous l’énergie électromagnétique à des degrés différents ; en mesurant les différences, les chercheurs peuvent créer des cartes de type IRM des différents éléments. L’équipe a placé ses instruments dans des puits de neige pendant une journée environ, puis les a déterrés et déplacés, pour finalement effectuer des relevés à quelque quatre douzaines d’endroits. Ils ont également réanalysé les ondes sismiques naturelles émanant de la terre qui avaient été recueillies par une autre équipe, pour aider à distinguer la roche-mère, les sédiments et la glace.
- Chloe Gustafson
- Kerry Key
Leur analyse a montré que, selon l’endroit, les sédiments s’étendent sous la base de la glace d’un demi kilomètre à près de deux kilomètres avant de toucher le substratum rocheux. Et ils ont confirmé que les sédiments sont chargés d’eau liquide sur toute la longueur. Les chercheurs estiment que si toute cette eau était extraite, elle formerait une colonne d’eau de 220 à 820 mètres de haut – au moins 10 fois plus que dans les systèmes hydrologiques peu profonds à l’intérieur et à la base de la glace – et peut-être même beaucoup plus.
L’eau salée conduisant mieux l’énergie que l’eau douce, ils ont également pu montrer que les eaux souterraines deviennent plus salines avec la profondeur. Key a déclaré que cela était logique, car les sédiments sont censés avoir été formés dans un environnement marin.il y a longtemps. Les eaux océaniques ont probablement atteint pour la dernière fois ce qui est aujourd’hui la zone couverte par les Whillans pendant une période chaude, il y a environ 5 000 à 7 000 ans, saturant les sédiments d’eau salée. Lorsque la glace s’est rééquilibrée, l’eau de fonte fraîche produite par la pression d’en haut et la friction à la base de la glace a évidemment été forcée dans les sédiments supérieurs. Elle continue probablement à filtrer et à se mélanger aujourd’hui, a déclaré Key.
Selon les chercheurs, ce lent drainage d’eau douce dans les sédiments pourrait empêcher l’eau de s’accumuler à la base de la glace. Cela pourrait agir comme un frein sur le mouvement vers l’avant de la glace. Les mesures effectuées par d’autres scientifiques à la ligne de base du courant de glace – le point où le courant de glace terrestre rencontre la plate-forme de glace flottante – montrent que l’eau y est un peu moins salée que l’eau de mer normale. Cela suggère que de l’eau douce s’écoule à travers les sédiments vers l’océan, faisant de la place pour l’entrée d’autres eaux de fonte et maintenant la stabilité du système.
- Matt Siegfried
- Meghan Seifert
Cependant, selon les chercheurs, si la surface de la glace était trop mince, ce qui est tout à fait possible avec le réchauffement climatique, la direction de l’écoulement de l’eau pourrait être inversée. Les pressions sus-jacentes diminueraient, et les eaux souterraines plus profondes pourraient commencer à remonter vers la base de la glace. Cela pourrait lubrifier davantage la base de la glace et augmenter son mouvement vers l’avant. (Les Whillans déplacent déjà la glace vers la mer d’environ un mètre par jour – très rapide pour de la glace glaciaire). De plus, si les eaux souterraines profondes s’écoulent vers le haut, elles pourraient transporter la chaleur géothermique générée naturellement dans le substrat rocheux, ce qui pourrait dégeler davantage la base de la glace et la propulser vers l’avant. Mais on ne sait pas si cela se produira, ni dans quelle mesure.
“En fin de compte, nous n’avons pas de grandes contraintes sur la perméabilité des sédiments ou la vitesse à laquelle l’eau s’écoulerait”, a déclaré Gustafson. “Cela ferait-il une grande différence qui générerait une réaction d’emballement ? Ou les eaux souterraines sont-elles un acteur plus mineur dans le grand schéma de l’écoulement de la glace ?”.
La présence connue de microbes dans les sédiments peu profonds ajoute une autre difficulté, selon les chercheurs. Ce bassin et d’autres sont probablement habités plus bas ; et si les eaux souterraines commencent à remonter, elles apporteront le carbone dissous utilisé par ces organismes. L’écoulement latéral des eaux souterraines enverrait alors une partie de ce carbone dans l’océan. L’Antarctique deviendrait ainsi une source de carbone jusqu’à présent négligée dans un monde qui en regorge déjà. Mais encore une fois, la question est de savoir si cela produirait un effet significatif, a déclaré Gustafson.
La nouvelle étude n’est qu’un début pour répondre à ces questions, disent les chercheurs. “La confirmation de l’existence de la dynamique des eaux souterraines profondes a transformé notre compréhension du comportement des courants de glace et obligera à modifier les modèles d’eau sous-glaciaire”, écrivent-ils.
Les autres auteurs sont Helen Fricker de la Scripps Institution of Oceanography, J. Paul Winberry de la Central Washington University, Ryan Venturelli de la Tulane University et Alexander Michaud du Bigelow Laboratory for Ocean Sciences. Chloe Gustafson est maintenant chercheuse postdoctorale au Scripps.
Référence : “Un système d’eau souterraine saline dynamique cartographié sous un courant de glace antarctique” par Chloe D. Gustafson, Kerry Key, Matthew R. Siegfried, J. Paul Winberry, Helen A. Fricker, Ryan A. Venturelli et Alexander B. Michaud, 5 mai 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm3301
