E2 Mécanique des glaces

Topique

La glace est un matériau rhéologiquement complexe : elle se comporte comme un solide élastique à court terme – le même temps que la propagation des ondes sismiques ou la rupture soudaine de la glace – mais comme un fluide visqueux dont la résistance interne à l’écoulement n’est pas constante à long terme – le même temps que l’écoulement d’un glacier entier. La relation fondamentale décrivant la déformation de la glace sous cisaillement stipule que la vitesse de déformation est proportionnelle à la contrainte appliquée élevée à une puissance proche de trois. Cette relation fortement non linéaire explique que la glace s’écoule beaucoup plus vite lorsque la contrainte augmente, concentrant l’écoulement dans des zones étroites où la déformation est beaucoup plus intense que dans le reste du glacier.

La facilité avec laquelle la glace s’écoule sous une contrainte donnée dépend aussi fortement de sa température. De faibles augmentations de température entraînent des augmentations disproportionnées de cette facilité d’écoulement : la glace proche de son point de fusion devient entre cent et mille fois plus molle que la glace froide des régions polaires. Cette dépendance thermique relie la mécanique de la glace à sa propre thermodynamique. En effet, la chaleur dissipée par la déformation visqueuse de la glace la réchauffe, ce qui la ramollit. Ce ramollissement accroît sa déformation, et cette déformation plus importante dissipe encore plus de chaleur, bouclant ainsi une boucle de rétroaction positive. Dans les zones basales d'un glacier, où la glace est plus chaude, cette rétroaction concentre la déformation de la glace dans une fine couche activée par la chaleur elle-même.

Les propriétés élastiques de la glace déterminent, à court terme, la vitesse de propagation des ondes sismiques de compression et de cisaillement. C'est précisément cette vitesse de propagation qu'utilise le sondage sismique pour déduire l'épaisseur et la structure interne d'un glacier sans forage. Lorsqu'elle est soumise à une déformation prolongée, la glace polycristalline qui forme un glacier développe une orientation cristallographique privilégiée : chaque grain hexagonal qui la compose pivote sous l'effet du cisaillement jusqu'à ce que son axe cristallographique principal soit perpendiculaire au plan de cisaillement. Cette orientation privilégiée peut réduire la résistance à l'écoulement de la glace jusqu'à dix fois, renforçant ainsi la concentration de l'écoulement dans les zones de cisaillement décrites précédemment.

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