Dans les sédiments sous la glace de l’Antarctique, les scientifiques découvrent un système d’eau souterraine géant

De nombreux scientifiques disent 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, des chercheurs en Antarctique ont découvert des centaines de lacs et de rivières liquides interconnectés nichés dans la glace elle-même. Et, ils ont imaginé 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.

Aujourd’hui, une équipe 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 paraît aujourd’hui dans la revue Science.

« 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 l’Université de Columbia. Observatoire de la Terre Lamont-Doherty. « La quantité d’eau souterraine que nous avons trouvée était si importante qu’elle influence probablement les processus de flux de glace. Nous devons maintenant en savoir plus et trouver comment l’intégrer dans les modèles. »

Pendant des décennies, les scientifiques ont fait voler des radars et d’autres instruments au-dessus de la calotte glaciaire de l’Antarctique pour imager les caractéristiques du sous-sol. Entre autres choses, ces missions ont révélé des bassins sédimentaires pris en sandwich entre la glace et le substratum rocheux. Mais la géophysique aéroportée ne peut généralement révéler que les contours approximatifs de ces caractéristiques, et non la teneur en eau ou d’autres caractéristiques. Dans une exception, une étude de 2019 des vallées sèches de McMurdo en Antarctique ont utilisé des instruments héliportés pour documenter quelques centaines de mètres d’eau souterraine sous-glaciaire sous environ 350 mètres de glace. Mais la plupart des bassins sédimentaires connus de l’Antarctique sont beaucoup plus profonds et la majeure partie de sa glace est beaucoup plus épaisse, hors de portée des instruments aéroportés. À quelques endroits, les chercheurs ont foré à travers la glace dans les sédiments, mais n’ont pénétré que les premiers mètres. Ainsi, les modèles de comportement de la calotte glaciaire incluent uniquement les systèmes hydrologiques à l’intérieur ou juste en dessous de la glace.

C’est une grosse lacune; la plupart des vastes bassins sédimentaires de l’Antarctique se trouvent sous le niveau actuel de la mer, coincés entre la glace terrestre liée au substratum rocheux et les plates-formes de glace marine flottantes qui bordent le continent. On pense qu’ils se sont formés sur les fonds marins pendant les périodes chaudes lorsque le niveau de la mer était plus élevé. Si les plates-formes de glace devaient reculer dans un climat qui se réchauffe, les eaux océaniques pourraient ré-envahir les sédiments, et les glaciers derrière eux pourraient se précipiter et faire monter le niveau de la mer dans le monde entier.

Les chercheurs de la nouvelle étude se sont concentrés sur les 60 milles de large Flux de glace Whillans, l’un d’une demi-douzaine de cours d’eau rapides alimentant la plate-forme de glace de Ross, la plus grande au monde, d’environ la taille du territoire canadien du Yukon. Des recherches antérieures ont révélé un lac sous-glaciaire dans la glace et un bassin sédimentaire s’étendant en dessous. Un forage peu profond dans le premier pied de sédiments a fait apparaître de l’eau liquide et une communauté florissante de microbes. Mais ce qui se cache plus bas reste un mystère.

Fin 2018, un avion à skis LC-130 de l’US Air Force a largué Gustafson, ainsi que 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 si quelque chose tournait mal, il leur faudrait six semaines épuisantes de voyage, creusant dans la neige, plantant 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 substratum rocheux conduisent tous l’énergie électromagnétique à des degrés divers ; 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 réavancé, 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 devait s’amincir – 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. « Est-ce que cela ferait 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 des glaces? »

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 Gustafon.

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 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.