Evolution contemporaine des glaciers polaires : GPR et GPS pour mesurer les variations en trois dimensions (Austre Lovénbreen, 79°N, Svalbard)

Eric Bernard1, Albane Saintenoy2, Jean-Michel Friedt3, Florian Tolle1, Christelle Marlin2, Mélanie Quenet2, Madeleine Griselin1
1 UMR 6049 ThéMA, Besançon, 2 UMR 8148 IDES, Orsay, 3 UMR 6174FEMTO-ST, Besançon

Ce programme constitue une partie de l'opération 2 du projet de recherche sur 4 ans (2011-2014) du GDR 3062 Mutations polaires (sur le GDR en général, voir la fin de ce "post").
Depuis le Petit Age Glaciaire, les glaciers arctiques sont en récession. Les premiers documents utilisables remontent au début du XXe siècle : photo aériennes, cartes, Modèle Numérique de Terrain (MNT), images satellite permettent d’évaluer les variations en surface et en volume des glaciers en observation et retro-observation.
Depuis 2007, le couplage des outils GPS et GPR a permis de suivre avec une grande précision les modifications morphologiques d’un petit glacier de vallée, l’Austre Lovén (5 km2) sur la côte ouest du Spitsberg à 6 km à l’est de Ny Alesund.
Le suivi annuel du glacier est donné par la position du front (plusieurs relevés GPS de précision, image satellite), et les mesures relatives aux balises ancrées dans la glace (bilan de masse). Plus ponctuellement, des mesures par Ground Penetrating Radar (GPR) permettent d’aborder le glacier en profondeur.

En 2010, une campagne de mesure au GPS a permis d’acquérir une grande densité de points et de générer un MNT à haute résolution de la surface du glacier. Ces mesures sont comparées aux MNT passés pour quantifier les changements temporels de morphologie du glacier. Les mesures GPS nécessitent d’être poursuivies pour comprendre la réponse dynamique du glacier face aux changements climatiques qui l’affectent, plus spécifiquement concernant les vitesses d’écoulement et les changements de morphologie de surface. À propos de ce deuxième point, la comparaison de plusieurs MNT à haute définition pourra déterminer les zones où les modifications sont les plus importantes.

Le Ground Penetrating Radar (GPR) est un outil performant pour visualiser les glaciers jusqu’au substratum rocheux. En avril 2010, une acquisition dense (15 000 points par km2) de mesures radar (100 MHz), couplées à des mesures GPS, a permis l'évaluation du volume de l’Austre Lovén avec un calcul d’erreur (Saintenoy et al, 2013). Cette analyse montre que la source principale d'incertitude reste l'interpolation spatiale des mesures, malgré la quantité de points utilisés. Par soustraction des altitudes de surface du glacier (MNT, établi par des mesures GPS à double-fréquence), aux épaisseurs de glace mesurées avec les données GPR, un MNT du lit rocheux a ensuite été généré (maillage de 10 m de côté). À la différence de simulations, ces mesures donnent une représentation « réelle » de la morphologie du bassin. Par ailleurs, le très grand nombre de mesures le long de plusieurs transects permet d’avoir une approche très précise de la structure interne du glacier à travers les radargrammes (chenaux, poches d’eau, crevasse, type de glace).
L’utilisation combinée du GPR et du GPS permet ainsi de quantifier le volume total du glacier et donc de mettre en relation les pertes mesurées en surface par rapport au volume total.

Des mesures récurrentes sur les glaciers, en suivant des transects identiques, autorisent une approche pluri-annuelle des variations profondes de la glace (morphologie et typologie). L'analyse plus précise de radargrammes en ce qui concerne l’Austre Lovénbreen, a mis en évidence une zone de glace tempérée (glace à 0°C) dans la partie du glacier la plus profonde. La comparaison de l'évolution spatio-temporelle de cette zone avec celle du glacier voisin, Middre Lovénbreen, est effectuée en collaboration avec Tavi Murray de l'université de Swansea, en utilisant des jeux de données acquis en 2000, 2008, 2011 et 2012.

Le GPR a été également utilisé pour affiner les limites du glacier, et mieux connaitre la position de l’interface glaciers-versants (Bernard et al, 2013). Ces mesures sont destinées à être poursuivies : les changements climatiques contemporains affectent de façon significative les versants. De plus en plus instables, ils fournissent une importante quantité de neige et de matériaux rocheux qui redistribuent la morphologie du bassin. L’une des conséquences est la délimitation de l’espace glaciaire et l’impact de ces nouveaux dépôts sur les dynamiques glaciologiques.

Plus localement, les mesures GPR permettent de suivre l’évolution des masses d’eau comme des lacs supra-glaciaires : dans le cas de l’Austre Lovénbreen, des mesures radar 200 MHz couplées à des mesures GPS ont été acquises en vue d'établir un MNT plus précis dans un des cirques où se forme chaque année un lac entre juin et septembre. La campagne de mesures d'avril 2012 a mis en évidence la présence de 2,3 m d'eau liquide sous environ 1,5 m de glace au centre de la zone de formation du lac estival. Ces mesures sont à coupler avec la série de trois photos journalières d'une caméra mise en place à demeure, et les mesures de débit aux exutoires, pour comprendre l'évolution annuelle d'un lac supra glaciaire.

Le GPR est un outil également précieux pour le suivi du permafrost dans la zone morainique. Les premiers écoulements d’eau sont détectables en saison froide, tandis qu’à la fin de l’été, le GPR détecte la profondeur de la couche active du permafrost. Différents profils 100 MHz acquis entre des forages de quelques mètres dans la moraine, permettent d'étendre latéralement la position de la nappe suivie dans des piézomètres et son interface avec le sol gelé entre les forages.

En parallèle à ces investigations géophysiques, des capteurs passifs interrogeables sans fil ont été développés (Friedt et al , 2011, 2013). Ces dispositifs s'avèrent compatibles avec une mesure par radar. Le retour des échos n'est plus cette fois représentatif de la distance d'interfaces diélectriques souterraines, mais il donne une grandeur physique (par exemple la température). L'absence de source d'énergie au niveau du capteur permet d'envisager de positionner de tels dispositifs à demeure dans le glacier. Il est ainsi envisagé un suivi à long terme de l'évolution du champs de contrainte, de la pression ou de la température dans la glace.

Ce travail est soutenu par :
• deux ANR successives Hydro-Loven-FLOWS (2006-2010) puis Cryo-Sensors (2010-2014) co-dirigées par M. Griselin et Ch. Marlin
• deux programmes IPEV successifs (n° 304 dirigé par M. Griselin puis n°1111 dirigé par Ch. Marlin
• une ANR jeune chercheur PRISM (2012-2015) dirigée par F. Tolle
• la région Franche-Comté.


[Saintenoy et al, 2013] A. Saintenoy, J.-M. Friedt, A. D. Booth, F. Tolle, E. Bernard, D. Laffly, C. Marlin, M. Griselin, Deriving ice thickness, glacier volume and bedrock morphology of the Austre Lovénbreen (Svalbard) using Ground-penetrating Radar, Near Surface Geophysics 11, (2), 2013, pp.253-261
[Bernard et al, 2013] E. Bernard, J.-M. Friedt, A. Saintenoy, F. Tolle, M. Griselin, C. Marlin, Where does a glacier end ? GPR measurements to identify the limits between the slopes and the real glacier area. Application to the Austre Lovénbreen, Spitsbergen, submitted to International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation (special issue on "Polar regions in transformation"), 2013
[Friedt et al, 2011] J.-M Friedt, T. Rétornaz, S. Alzuaga, T. Baron, G. Martin, T. Laroche, S. Ballandras, M. Griselin, J.-P. Simonnet, Surface Acoustic Wave Devices as Passive Buried Sensors, Journal of Applied Physics 109 (3), p. 034905 (2011)
[Friedt et al, 2013] J.-M Friedt, A. Saintenoy, S. Chrétien, T. Baron, E. Lebrasseur, T. Laroche, S. Ballandras, M. Griselin, High-overtone Bulk Acoustic Resonator as passive Ground Penetrating RADAR cooperative targets, J. Appl. Phys., 113 (13), pp. 134904 (2013)

Tous les chercheurs cités sont membres du GDR 3062 Mutations polaires
Les recherches sur les régions arctiques et sub-arctiques ont été, dès le début des années 80, regroupées au sein de plusieurs structures fédératives successives. Aujourd’hui, c’est le GDR 3062 "Mutations polaires : sociétés et environnement" qui assure cette fonction http://thema.univ-fcomte.fr/gdr3062/
Créé le 1er janvier 2007, il relève des sections 39, 31 et 38 du CNRS. Le GDR « Mutations polaires » est aujourd’hui composé d’environ 60 chercheurs appartenant à l’InSHS, à l’INEE et à l’INSU. Son programme repose sur principalement deux opérations : les sciences sociales (programme « Avativut » : « ce qui nous environne ») et les sciences environnementales (effets actuels du changement climatique). Les thématiques abordées par les chercheurs du GDR « Mutations polaires » peuvent être regroupées au sein des quatre groupes thématiques du Forum de Prospective suivants : permafrost ; biodiversité, écosystèmes ; climat, atmosphère, glace, océan ; Sociétés arctiques et systèmes de connaissance.
En 2011, le GDR « Mutations polaires » a organisé, à Paris au siège du CNRS, la première « Conférence internationale Mondes polaires : Sciences environnementales et sciences sociales pour comprendre les changements observés ».
http://thema.univ-fcomte.fr/polarworlds-2011/index.html
La seconde conférence internationale Mondes polaires est programmée pour 2015.