Les carottes de glace sont des archive climatiques sans équivalents : les gaz contenus dans la glace de la région aride de l'Antarctique de l'Est permettent de reconstruire les compositions atmosphériques au cours des derniers 800 000 ans. Les gaz sont piégés pendant la compaction de la neige tombée sur l'inlandsis. Dans la neige en surface, aussi appelée névé, le réseau poreux interstitiel diminue jusqu'au pincement des pores qui piègent définitivement les gaz dans la glace. Cependant, le processus même de piégeage des gaz impacte l'enregistrement des signaux mesurés dans les carottes. L'interprétation de ces signaux demande de caractériser en quoi ils diffèrent de l'atmosphère passée. Le but de cette thèse est d'étudier deux effets altérant les enregistrements gaz des carottes, le piégeage par couches qui crée des irrégularités stratigraphiques et le lissage qui retire la variabilité rapide de l’enregistrement. Une attention particulière est portée sur les glaces de l'Antarctique de l'Est.Ce travail démarre avec l'étude multi-traceurs d'une carotte de névé forée au site de Lock-In en Antarctique de l'Est. Les résultats montrent que le bas du névé est un empilement hétérogène de strates se densifiant suivant une même évolution de leur réseau poreux. La stratification reflète simplement que certaines strates sont en avance (ou retard) dans leur densification, mais la fermeture des pores est similaire dans toutes les strates. Notamment, les strates contiennent toutes des quantités similaires de gaz, comme le montrent des mesures directes. Des mesures de chimie à haute-résolution montrent que les strates denses ont une haute conductivité liquide, suggérant que la stratification profonde du névé est due à une densification préférentielle induite par des impuretés.Ces connaissances sont appliquées pour étudier des variations centimétriques mesurées dans les signaux méthane des carottes de glace. Pour cette thèse, nous utilisons 6 nouveaux signaux méthane à haute résolution, mesurés dans des carottes d'Antarctique de l'Est à l'IGE. On montre que ces variations sont des artefacts dus aux irrégularités stratigraphiques causées par des strates denses se fermant en avance. Un modèle est proposé pour simuler la présence irrégulière de ces artefacts.Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la distribution en âge des gaz dans les carottes, qui à l'origine du lissage des variations atmosphériques rapides. Elle peut être appliquée aux carottes de la dernière période glaciaire, et donne pour la première fois des indications quantitatives sur le lissage des signaux dans les carottes à très faible accumulation. Nos résultats montrent qu'en Antarctique de l'Est, le lissage est peu sensible au taux d'accumulation, et que plus d'information que prévu est préservée lors du piégeage.Enfin, nous présentons le développement d'un nouveau type de modèle micro-mécanique du névé. Son but est de simuler l'évolution des pores dans une strate de névé. Un tel modèle pourrait être utilisé pour contraindre le piégeage des gaz dans la glace, dans des conditions de période glaciaire. / As they contain air from past atmospheres, ice cores are unparalleled climate paleo-archives. The study of the gases enclosed in ice cores from the arid region of East Antarctica allows to infer the past compositions of the atmosphere back to 800,000 years ago. Gases are trapped during the compaction of the snow deposited on top of the ice sheet. In the near-surface snow, also referred to as firn, the interstitial porous network shrinks until it eventually pinches and traps gases in the ice. However, the very process of gas trapping has impacts on the gas signals recorded in ice cores. The interpretation of gas records requires to characterize how ice core and atmospheric signals differ. The aim of this PhD is to study two effects altering ice core gas records, namely gas layered trapping that creates stratigraphic irregularities and firn smoothing that removes fast variability from the record. A specific focus is put on low-accumulation East Antarctic ice cores.This inquiry starts with the multi-tracer study of a firn core drilled at the Lock-In site, East Antarctica. The results show that the bottom of the firn can be seen as a stack of heterogeneous strata that densify following the same porous network evolution with density. In this vision, the stratification simply reflects the fact that some strata are in advance (or late) in their densification, but that pore closure happens in a similar fashion in all strata. This notably means that all strata contain nearly similar amounts of gases, as supported by direct measurements. High-resolution chemistry data indicate that denser strata are characterized by a high liquid conductivity, suggesting that deep firn stratification is due the impurity-induced preferential densification.This knowledge is then used to explain abrupt spikes observed in ice core methane records. For this PhD we rely on 6 new high-resolution methane records, measured in several East Antarctic ice cores at IGE. We show that the abrupt variations are layering artifacts due to stratigraphic irregularities caused by dense firn strata closing in advance. A simple model is developed to simulate the irregular occurrence of layering artifacts.A novel technique is proposed to estimate the age distributions of gases in ice cores, that are responsible for the smoothing of fast atmospheric variations. It can notably be applied to glacial records, and for the first time provides quantitative insights on the smoothing of very low-accumulation records. Our results show that in East Antarctica, the firn smoothing is weakly sensitive to the accumulation rate, meaning that more information than previously thought is preserved.Finally, we present the development of a new type of micro-mechanical firn model. Its ambition is to simulate the evolution of the porous network of a firn stratum. Such a model could be used to better constrain the enclosure of gases in polar ice under glacial conditions.

An investigation into the carbon dynamics and weathering processes occurring in Icelandic glacial-fed streams was conducted during the spring to summer seasonal transition in June of 2017. Four major outlet rives were sampled from the glaciers of Gígjökull, Steinsholtsjökull, Sólheimajökull, and Falljökull. Markarfljót, the major river that Gígjökull, Steinsholtsjökull, and many other glaciers drain into, was also sampled. Longitudinal sampling occurred at all sites to capture downstream trends in the hydrogeochemistry and carbon dynamics. Distinct differences in geochemistry between glacier surface meltwater, sub-glacial waters, pro-glacial lake water, and post-mixed downstream samples were evident in the data. Glacier surface streams were characterized by relatively colder water temperatures, lower specific conductivity, lower total dissolved solids (TDS) and ion concentrations, and more enriched δ13CDIC values than downstream samples. The THINCARB model was used to calculate the total dissolved inorganic carbon (TDIC), excess partial pressure of carbon dioxide (EpCO2), and percent contribution to TDIC by bicarbonate (HCO3), carbonate (CO3), and carbonic acid and dissolved CO2 (H2CO3). All sites showed a slight decreasing trend in DIC and EpCO2 downstream. The calculated CO2 flux ranged from 1.14 × 107 g/yr to 2.80 × 109 g/yr. The DIC flux ranged from 6.81 × 107 g/yr to 8.44 × 109 g/yr. The average carbon within the CO2 fluxing in these rivers accounts for 0.0004% of the annual, global flux of carbon. The δ13C values were the most variable throughout the study and indicate there are multiple sources influencing the river downstream. This study suggests that, despite previous assumptions and estimations, these glacial-fed rivers act as sources of CO2; however, the samples from this study only provide a snapshot into the carbon flux dynamics during the Spring to Summer seasonal transition. In most samples, HCO3 was the dominant species contributing to DIC content within the rivers, suggesting that DIC is being transported to the ocean as HCO3 but sourced to the atmosphere as CO2. By acting as sources of CO2 to the atmosphere, the process of glaciers melting, which drive geochemical processes within the rivers, are contributing to a positive feedback loop with respect to global warming.

Subglacial water plays an important role in the regulation of an ice sheet's mass balance. It may be the dominant control on the velocities of ice streams and outlet glaciers on scales of months to millennia. Recent satellite observations of ice surface elevation changes have given researchers new insights into how subglacial water is stored and transported. Localized uplift and settling of the ice surface implies that lakes exist beneath the ice sheet that are being filled and drained on relatively short time scales. %At the base of an ice sheet water can be transported through a variety of drainage networks or stored in subglacial lakes. Here, a numerical investigation of the mechanisms of transport and storage of subglacial water and the associated time scales is presented. Experiments are carried out using a finite element model of coupled ice and water flow. The first experiment seeks to understand the relationship between the depth of a basal depression and the area over which the feature affects basal water flow. It is found that as the perturbation to a topographic depression's depth is increased, water is rerouted in response to the perturbation. Additionally it is found that the relationship between perturbation depth and the extent upstream to which its effects reach is nonlinear. The second experiment examines how the aspect ratio of bed features (prolate, oblate, or equidimensional) influences basal water flow. It is found that the systems that develop and their interactions are mediated by both the topography and the feedbacks taken into account by the coupling of the systems in the model. Features oriented parallel to ice and water flow are associated with distributed fan systems that develop branches which migrate laterally across the domain and interact with one another on monthly and yearly timescales. Laterally oriented features develop laterally extensive ponds. As the ratio of longitudinal to lateral dimension of the topography is increased, a combination of these two water distributions is seen.

The lateral "corners" where Kamb and Whillans Ice Streams (KIS and WIS) discharge into the Ross Ice Shelf share common geometries and ice mechanical settings. At both corners of the now-stagnant KIS outlet, shear margins of apparently different ages confine regions with a relatively flat, smooth surface expression. These features are called the "Duckfoot" on the northern, right-lateral side and the "Goosefoot" on the other. It has been suggested, on evidence found in ice internal layers, that the flat ice terrains on KIS were afloat in the recent past, at a time when the ice stream grounding line was upstream of its present location. The overdeepening in the bed just upstream of the KIS grounding line supports this view of the past geometry. The right-lateral margin at the outlet of the currently active WIS, the location of Subglacial Lake Englehardt (SLE), appears to have many similarities with the right lateral margin of KIS, though with a less developed looking inboard margin. This paper presents a mechanical analysis using surface and bed topography and velocity datasets comparing the Duckfoot flat ice terrain with the terrain around Subglacial Lake Englehardt. At both locations mechanical thinning along shear margins and lows in the bed topography redirects basal water routing towards the features. Here, I consider the history of these features and their role in ice stream variability by comparison of the relict and modern features and via numerical modeling of ice shelf grounding and ungrounding in response to variations in ice flow. We propose two scenarios for the development of flat ice terrains/subglacial lakes at the outlets of ice streams. In the first, development of a lake in the hydraulic potential low along a shear margin forces a margin jump as shearing develops along the inboard shore of the margin lake. This thesis presents evidence for an inboard (relative to the main outboard shear margin) zone of shear along the inboard shoreline of SLE, suggesting that subglacial lakes along shear margins are capable of facilitating shear margin jumps. In the second, grounding line advance around a relative low in the bed, creating adjacent margins along the lakeshores, forms a remnant lake. Discerning which of these scenarios is appropriate at the KIS outlet has implications for understanding the history of the ice stream grounding line. An ice flow model is used to place these local conditions in a regional context by studying the effect of internal perturbations, such as ice rise stagnation or inward margin jumps, on grounding line position. Bathymetry is important in determining ice stream flow in the ways that might not be otherwise realized in 1-D flow model studies. In the numerical modeling experiments, grounding line advance across the KIS outlet is mediated by the overdeepening in the bed and proceeds not in the direction of ice flow but transverse to flow. This finding adds complexity to both a flowline view of grounding line migration and the theory that grounding lines are unstable in the presence of inward sloping bed topography.

Ce travail est centré sur l'étude de la nucléation de fissures dans la glace. Une partie importante de l'étude a été consacrée à la mise au point d'une glace artificielle qui fournit un matériau bidimensionnel idéal pour un couplage d'études expérimentales et théoriques. Notre démarche a consisté à conduire une série d'expériences de fluage sur ce type de matériau et sur le type de glace couramment utilisé par la communauté des glaciologues. Selon le niveau de contrainte (entre -1 et -0,5 MPa) le fluage de la glace était accompagné ou non par de l'endommagement. La partie la plus originale de l'étude expérimentale réside dans l'analyse des images vidéo qui permettait l'enregistrement de l'apparition des fissures dans le tiers central des échantillons. Nous avons ainsi obtenu une base de données importante sur la taille des fissures, leur orientation et leur localisation et sur les déformations de la glace. La confrontation des résultats expérimentaux et des analyses théoriques nous a permis de renforcer nos connaissances sur les mécanismes physiques qui sont à l'origine des processus de déformation et de germination de fissures dans la glace de lac. Enfin, en utilisant le modèle de l'inclusion d'Eshelby, dans le cadre d'un comportement viscoplastique newtonien, nous discutons un critère de nucléation basé sur le facteur d'intensité de contrainte en mode 1.

La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontée de plus de 100 m de neige et de névé. Au moment, où elle emprisonne dans ces bulles l'air atmosphérique, l'age de cette glace peut dépasser plusieurs milliers d'années. Ce travail contribue à préciser les étapes de cette transformation neige/névé/glace en s'appuyant sur des données de structure de ce milieu poreux et sur une modélisation physique de ces processus. La structure 2D a été caractérisée grâce à une nouvelle méthode, basée sur l'observation en épiscopie coaxiale de la surface sublimée des échantillons. A l'aide de ces données expérimentales et au regard des théories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le névé polaire et son influence sur la microstructure ont été étudiés. La densification du névé polaire a été modélisée en utilisant les processus physiques décrits pour le pressage à chaud des céramiques. Notre modèle physique de densification du névé permet de simuler l'ensemble des profils expérimentaux, en mettant en exergue le rôle prépondérant de la densité à la transition neige-névé liée à la compétition entre les mécanismes de déformation plastique. A partir des études sur le grossissement des grains et du modèle de densification, un modèle décrivant la fermeture des pores dans le névé a été construit. Ce modèle physique permet de reproduire l'évolution des courbes expérimentales de porosité fermée et de proposer une explication aux variations géographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modèles de densification et de fermeture des pores ont été utilisés pour simuler la transformation de la neige en glace à Vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modélisations du milieu poreux, un modèle de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphère aux bulles de la glace, a été élaboré. Un intérêt particulier a été porté à l'évaluation des coefficients de diffusion des gaz atmosphériques dans le névé poreux, qui ont été mesurés en fonction de la porosité ouverte sur deux sites. Le modèle permet de retrouver à partir des scénario atmosphériques la composition de l'air du névé en fonction de la profondeur. Il constitue la première étape d'une déconvolution objective du signal mesuré dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmosphérique.

Cette thèse offre des mesures systématiques sur les variations des fronts de ce glacier de vallée. Ces données ont été complétées par la cartographie du lit rocheux, l'étude des bilans et les vitesses. Les informations concernant la géométrie, l'écoulement et les variations au court du temps 1891-1979 sont acquises.

Pour appliquer aux glaciers les lois de la mécanique des milieux continus, on considère une surface et un lit lissés à l'échelle de quelques dizaines de mètres. Lorsque la surface d'un glacier ainsi lissée ne peut quand même pas être assimilée à un plan, le calcul des contraintes en profondeur doit faire intervenir les variations de pente de la surface lissée et les variations de la vitesse superficielle Ce calcul a été fait par Lliboutry (1969), dans le cas où les lignes de niveau de la surface restent parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe d'écoulement, en approchant les vitesses et les contraintes à la surface dans une partie limitée du glacier par des polynômes. En appliquant à la chute de glace des séracs du Géant les expressions obtenues pour les contraintes, un premier calcul peu précis le conduit à un frottement contre le lit à peu près proportionnel à la pression normale, cela en quatre points. Afin de préciser ces résultats qui utilisaient quelques vitesses superficielles seulement,. mesurées en 1960 et une restitution de photographies aériennes prises en 1958, nous avons fait des mesures de vitesses et un relevé de la surface, par photogrammétrie terrestre . Ce travail sur la chute de séracs du Glacier du Géant, fait partie d'une étude en cours, plus vaste, concernant toute la dynamique de la Mer de Glace .

Dans le cadre du projet hydroélectrique d 'Emosson, l'EDF a dû capter le torrent sous-glaciaire d'Argentière à une altitude supérieure à celle du plan d 'eau du barrage d'Emosson, c'est-à-dire vers 2000 m, au niveau du verrou de Lognan . En 1975, l'eau qui s'écoulait jusque là dans le sillon principal en a progressivement disparu. Elle s ' écoule maintenant près de la rive droite . C 'est pour ces raisons que la Société d'Emosson a demandé au Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement d'étudier d'une part le problème de la prévision des crues et décrues du glacier, d'autre part celui de l'écoulement des eaux sous-glaciaires d'Argentière. Le premier de ces problèmes est lié à l'un des principaux thèmes de la glaciologie actuelle, la réaction des glaciers tempérés aux variations climatiques, qui nécessite l'étude de la dynamique de ces glaciers. Le second concerne l'hydrologie sous - glaciaire, c'est- à -dire l'étude de l'eau liquide dans et sous les glaciers. Ce thème a été relativement peu abordé du fait des difficultés que rencontrent les études de terrain. Le premier chapitre est constitué par l 'étude des bilans mesurés aux différentes lignes de balises que le laboratoire relève depuis 1975. Ces bilans satisfont assez bien au modèle statistique linéaire de Lliboutry (1974) . Aussi peut-on estimer les variations centrées du bilan de masse du glacier depuis 1975 . Celles - ci sont assez bien corrélées avec celles estimées au Glacier de Saint-Sorlin. Un modèle est proposé pour décrire les bilans de différents glaciers. Le second chapitre traite des réactions du glacier aux variations du bilan en analysant les variations du niveau de la glace mesuré à différents profils transversaux depuis le début du siècle. Un mécanisme est proposé pour expliquer la crue observée sur la langue terminale en 1970-75. Les vitesses annuelles mesurées aux différentes lignes de balises depuis 1975 sont analysées au chapitre 3 et utilisées au chapitre 4 pour calculer les débits de glace à travers différentes sections et faire le bilan de masse de différentes tranches de glacier. Au chapitre 5, afin d'expliquer les variations de la vitesse en surface, celles- ci sont étudiées à l 'échelle du mois. Les variations saisonnières importantes observées ne s'expliquent qu'en faisant intervenir les conditions hydrologiques à la base du glacier. La dynamique et l'hydrologie du glacier semblent très étroitement liées . Dans le chapitre 6 sont analysées les observations effectuées au cours de la campagne de forages de 1980. Une "nappe d 'eau" intraglaciaire est mise en évidence à l'amont du verrou de Lognan. Il semble que le glacier se comporte d'une manière intermédiaire entre un milieu perméable et un milieu karstique. Les deux derniers chapitres concernent des calculs numériques utilisés dans les chapitres précédents. Au chapitre 7, on tente de calculer les vitesses en profondeur à partir des vitesses mesurées à la surface d'un glacier. Mais une instabilité numérique apparait avant que le lit ne soit atteint. Au chapitre 8, le profil piézométrique de différents chenaux est calculé à partir d'une théorie établie par Rothlisberger (1972) selon laquelle la fermeture des chenaux par déformation de la glace est compensée par la fonte produite par dissipation d'énergie newtonienne.

L'objectif de ce travail est d'identifier et de comprendre l'importance des différents phénomènes physiques intervenant dans l'interaction pneumatique-glace. D'une part, les législations interdisent de plus en plus l'usage des pneumatiques cloutés et l'objectif est aujourd'hui d'obtenir un frottement élevé sur la glace par d'autres moyens. Afin de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu lors du grattage de la glace, nous avons conçu un dispositif expérimental permettant de mesurer trois types de coefficients de frottement entre différents indenteurs et la glace. Un patin supporté par quatre frotteurs est frappé par un pendule et lancé sur une piste horizontale de glace de longueur 2m30. Un traitement d'images ou un accéléromètre embarqué permettent d'accéder aux coefficients de frottement. D'autre part, un prototype expérimental de mesure de frottement elastomère-glace a été développé pour simuler le comportement lors d'un freinage en roue bloquée. Un patin d'élastomère d'aire apparente inférieure à 20 cm2 est appliqué sur un disque de glace en rotation. Les efforts normal et tangentiel sont mesurés par l'intermédiaire d'un capteur fixé directement sur le patin. Des observations du facies de la surface de glace à la loupe binoculaire fournissent une caractérisation qualitative du frottement. Les conditions expérimentales sont : contrainte normale nominale de 1 a 4 bars, vitesse de glissement de 2 à 11 m/s, température ambiante de -20 à -5C. Le coefficient de frottement mesuré augmente avec une diminution de l'un de ces trois paramètres. Les résultats exposés montrent aussi les effets de l'usure de la piste, de l'échauffement du patin, de l'aire de contact et de la répartition de la contrainte normale.