Science

Des scientifiques découvrent un système massif d’eaux souterraines dans les sédiments sous la glace de l’Antarctique

Chloe Gustafson et Meghan Seifert installent des instruments géophysiques

L’auteur principal Chloe Gustafson et l’alpiniste Meghan Seifert installent des instruments géophysiques pour mesurer les eaux souterraines sous le courant de glace Whillans de l’Antarctique occidental. Crédit : Kerry Key/Observatoire de la Terre Lamont-Doherty

Des réservoirs auparavant 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 trouvée dans les glaciers. L’eau de fonte est connue pour lubrifier leurs bases graveleuses et accélérer leur marche vers la mer. Ces dernières années, les scientifiques de l’Antarctique ont découvert des centaines de lacs et rivières liquides bercé dans la glace elle-même. Et, ils ont 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 cela pourrait interagir avec la glace.

Aujourd’hui, une équipe de recherche a pour la première fois cartographié un énorme système d’eaux souterraines en circulation active dans les sédiments profonds de l’Antarctique occidental. Ils disent que de tels systèmes, probablement courants en Antarctique, peuvent avoir des implications encore inconnues sur la façon dont le continent gelé réagit au changement climatique, voire y contribue. La recherche a été publiée dans la revue Science le 5 mai 2022.

Emplacements des levés sur Whillans Ice Stream

Emplacements des levés 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 l’agrandir. Crédit : Avec l’aimable autorisation de 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 fait la recherche en tant qu’étudiant diplômé à[{” attribute=””>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.

Matthew Siegfried Pulls Buried Electrode Wire

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 à skis LC-130 de l’US Air Force a largué Gustafson, avec le géophysicien de Lamont-Doherty Kerry Key, le géophysicien de la Colorado School of Mines Matthew Siegfried et l’alpiniste Meghan Seifert sur les Whillans. Leur mission : mieux cartographier les sédiments et leurs propriétés grâce à des instruments géophysiques placés directement en surface. Loin de toute aide en cas de problème, il leur faudrait six semaines de voyage épuisantes, à creuser dans la neige, à planter des 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 haut dans l’atmosphère de la planète. La glace, les sédiments, l’eau douce, l’eau salée et le substrat 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 planté ses instruments dans des fosses à neige pendant environ une journée à la fois, puis les a déterrés et les a déplacés, prenant finalement des mesures à environ quatre douzaines d’endroits. Ils ont également réanalysé les ondes sismiques naturelles émanant de la terre qui avaient été collectées par une autre équipe, pour aider à distinguer le substratum rocheux, les sédiments et la glace.

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 tout le long. Les chercheurs estiment que si tout était extrait, il 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 – peut-être même beaucoup plus que cela. .

L’eau salée conduit mieux l’énergie que l’eau douce, ils ont donc pu montrer que l’eau souterraine devient plus saline avec la profondeur. Key a déclaré que cela avait du sens, car on pense que les sédiments se sont formés dans un environnement marin il y a longtemps. Les eaux océaniques ont probablement atteint pour la dernière fois ce qui est maintenant 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 a disparu, l’eau de fonte fraîche produite par la pression d’en haut et le frottement à la base de la glace a évidemment été forcée dans les sédiments supérieurs. Il continue probablement à filtrer et à se mélanger aujourd’hui, a déclaré Key.

Les chercheurs affirment que ce lent drainage de l’eau douce dans les sédiments pourrait empêcher l’eau de s’accumuler à la base de la glace. Cela pourrait agir comme un frein au mouvement vers l’avant de la glace. Les mesures effectuées par d’autres scientifiques à la ligne d’échouement du courant de glace – le point où le courant de glace terrestre rencontre la banquise flottante – montrent que l’eau y est un peu moins salée que l’eau de mer normale. Cela suggère que l’eau douce s’écoule à travers les sédiments vers l’océan, laissant de la place pour plus d’eau de fonte et maintenant le système stable.

Cependant, selon les chercheurs, si la surface de la glace était trop mince – une possibilité distincte à mesure que le climat se réchauffe – 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 le large d’environ un mètre par jour – très rapide pour la glace glaciaire.) De plus, si les eaux souterraines profondes remontent, elles pourraient transporter la chaleur géothermique naturellement générée dans le substratum rocheux ; cela pourrait encore dégeler la base de la glace et la propulser vers l’avant. Mais si cela se produira, et dans quelle mesure, ce n’est pas clair.

“En fin de compte, nous n’avons pas de grandes contraintes sur la perméabilité des sédiments ou la vitesse à laquelle l’eau coulerait”, 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 glaciaire ? »

La présence connue de microbes dans les sédiments peu profonds ajoute une autre ride, disent les chercheurs. Ce bassin et d’autres sont probablement habités plus bas; et si les eaux souterraines commençaient à remonter, elles remonteraient le carbone dissous utilisé par ces organismes. L’écoulement latéral des eaux souterraines enverrait alors une partie de ce carbone vers l’océan. Cela transformerait peut-être l’Antarctique en une source de carbone jusqu’ici inconsidérée dans un monde qui y nage 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 glaciaires et forcera la modification des 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 chez Scripps.

Référence : « A dynamic saline groundwater system mapped under an Antarctic ice stream » 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

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