冰下水压
4.6.1冰下水压和有效常压
冰下水压通过对冰川下有效常压的控制，在许多冰下过程中起着重要作用。有效法向压力是单位面积上冰川垂直施加在河床上的力。对于冷基冰川，它实际上等于其上覆冰的重量;厚冰比薄冰施加更大的压力。总结如下:
N = pgh，其中N为法向有效压力，p为冰的密度， g为重力加速度，h为冰厚。
但是，如果冰床上有水，有效法向压力就会减小，其减小量与冰下水压相等。粗略地说，水压越大，就越能支撑冰川的重量，从而降低作用在河床上的有效法线压力。方程修改为:
N = pgh - wp，其中N为法向有效压力，p为冰的密度，g为重力加速度，h为冰厚度，wp为冰下水压。
这只在冰川有平坦河床的地方是正确的。有效法向压力由障碍物上的冰流量修正(图4.6)。当冰向障碍物的上游流动时，有效法向压力的增加与冰的速度成正比冰川流对抗障碍。在背风处或障碍物的下游侧，有效法向压力也会降低(图4.6)。因此，冰对障碍物流动造成的压力波动在上游为正，在下游为负。障碍物下游侧的负压波动可能会引起
图4.6冰川河床流过基岩障碍时有效法向压力分布示意图[修改自:博尔顿(1974)，在冰川地貌(科茨编)，乔治·艾伦和昂温，图8，第55页]
如果超过这一点的有效法向压力，就会在背风处形成空腔(图4.7)。在以下条件下有利于空腔形成:(1)薄冰;(2)基水压力高，使有效法向压力降低;和(iii)高比率基底滑动，在障碍物上产生很大的压力波动。理论计算表明，在100米厚的冰层下，孔洞可以以每年约9米的速度滑动打开，而在400米厚的冰层下，则需要每年35米的速度。
基底水压力受四个变量控制:(i)冰川厚度——上覆冰层的重量越大，水压就越大;(ii)供水速度-大量融水的输入可能会增加压力;(iii)融水排放的速度-有效的冰下排水系统将降低水压;(iv)底层地质的性质——例如，可渗透的基岩，会降低水的压力。供水速率和融水排放速率的变化是造成一些冰川水压季节性变化的主要原因。在融水季节的早期，由于融水的丰富和河道网络的相对低效，水压力可能非常高(见第4.7节)。随着冰下河道网络在消融季节的发展，流量变得更加有效，水压一般会下降。
正如我们将在第5章和第6章中看到的，水压变化及其对有效常压和空腔形成的影响对冰川侵蚀过程非常重要。基础水压也是决定基础滑动速率的重要因素(见第3.3.2节)。有效法向压力有助于确定冰川和河床之间的摩擦力。如果水压
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图4.6冰川河床流过基岩障碍时有效法向压力分布示意图[修改自:Boulton(1974)，《冰川地貌学》(Coates主编)，George Allen and Unwin，图8，第55页]
图4.7智利圣拉斐尔冰川南部边缘岩石台阶背风处的大冰下洞照片。冰流从右向左流过石阶。
[摄影:N. F. Glasser]
图4.7智利圣拉斐尔冰川南部边缘岩石台阶背风处的大冰下洞照片。冰流从右向左流过石阶。
[摄影:N. F. Glasser]
上升时，有效法向压力将下降，从而减少基础摩擦，从而增加基础滑动。这解释了为什么滑动速度经常在夏季融化季节或大降雨事件后增加。例如，对Unteraargletscher的实地观测表明，在融化季节开始时，由于水压增加，它垂直移动了0.4米。在接下来的3个月里，这是一个类似的以恒定速率下降的运动。当冰川表面上升时，冰川速度显著增加。基础水压的变化也与冰川涌动有关。例如，1982年至1983年阿拉斯加的杂色冰川的激增被认为是由冰下排水系统的变化引发的。在冰涌之前，冰川有一个由几条大型隧道主导的冰下排水系统。然而，这似乎已经变成了一个由相连的冰下洞主导的系统，其中水压急剧上升，因为这样一个系统可能的较低的排放速率。水压的上升促进了冰川在冰峰期间的快速流动，但在冰峰结束时，这些储存的水被释放出来，形成了大洪水，冰下系统恢复为一个大型的综合隧道系统。 The cause of this change in drainage system is unclear, but is believed to be central to the rapid glacier flow of this surge.
因此，总而言之，基底水压力的变化在决定冰川流动动态方面起着重要作用，在冰川侵蚀过程中也很重要(见第5章)。
4.6冰下水压93 4.6.2水压梯度
管道和隧道网络的方向是由水压力梯度控制的冰川。水将沿着压力梯度从高压区流向低压区。可以确定冰川内压力梯度的性质，从而确定冰川内水流的方向。图4.8显示了一个假设的冰川下充满水的管子。A点以上冰的重量等于B-C水柱的重量。A和C之间的一条线定义了一个等势压面。沿着这条线，由于上面冰的重量而产生的压力等于它产生的水压。如果我们现在把管子向右移动，靠近冰的边缘
图4.8水头驱动冰川内水流的示意图。A点以上冰的重量等于BC水柱的高度。A点以上的冰越薄，水头越小。因此水头或水势会向冰缘或冰川斜坡方向下降。水从高水势区流向低水势区。
图4.8水头驱动冰川内水流的示意图。A点以上冰的重量等于BC水柱的高度。A点以上的冰越薄，水头越小。因此水头或水势会向冰缘或冰川斜坡方向下降。水从高水势区流向低水势区。
A点以上的冰的重量会下降，因此B-C水柱会更低。定义了一个新的等势面。水会以直角流到这些地方等势面从高势压表面到低势压表面。因此，冰腔导管和隧道将垂直于等势压面(图4.9)。一些冰穴可能是一个例外，反映出它们的起源是裂缝。冰川内等势面的几何形状是由冰川厚度的变化决定的，厚度的变化主要受冰川表面坡度的控制，其次受下伏地形坡度的控制。冰川表面的坡度并不总是与冰床的坡度一致。因此，冰下融水可能并不总是直接从冰川下的最大斜坡流下，在某些情况下甚至可能流向上坡。在冰盖下，水流大致呈放射状，与地表坡度和冰流方向一致，但会偏离丘陵和凸起，并集中在山谷等地形洼地。
根据冰层厚度的变化，可以计算出冰川底部一系列点的水压势。这些点的轮廓可以被定义为冰下水势面(图4.9)。如果任何冰下隧道完全被水填充，则隧道应与该水工面成直角。计算这个曲面的能力是一个有用的工具
图4.9冰川内等势面(即等水势面)的格局。水总是会从高水势的区域流向低水势的区域，因此它会以直角流向这里所描绘的等势面。
图4.9冰川内等势面(即等水势面)的格局。水总是会从高水势的区域流向低水势的区域，因此它会以直角流向这里所描绘的等势面。
冰川地貌记录的解释(方框4.2)。然而，如果冰下隧道没有完全充满水，这可能发生在冰边缘，那么水流和隧道的方向可能是由冰川下的地形控制，而不是由冰下水压面控制。利用染料示踪实验研究了冰川边缘重力驱动的冰下流的存在(框4.3)。该技术也可用于了解冰下的季节演变排水系统(框4.4)。
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