Tectonically inherited shelf bathymetry mediates ice-ocean interaction in Lützow-Holm Bay, East Antarctica

Le fond de l'océan sous les calottes glaciaires de l'Antarctique n'est pas une plaine plate et sans relief. C'est un paysage sculpté par des forces anciennes et remodelé par le mouvement de la glace, rempli de fossés profonds et de crêtes peu profondes qui agissent comme des gardiens pour l'eau circulant sous la glace. Cette topographie sous-marine est critique car elle contrôle la manière dont l'eau chaude provenant de l'océan profond atteint la base des glaciers. Lorsque cette eau chaude, connue sous le nom d'eau circulumpolaire profonde modifiée, s'écoule dans les canaux profonds, elle fait fondre la glace par le bas, provoquant l'amincissement des calottes glaciaires et le retrait des glaciers. Cependant, pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour visualiser clairement ce paysage caché. La banquise épaisse et persistante a empêché les navires de naviguer près des fronts de glacier, laissant de larges lacunes dans nos cartes. Sans des cartes précises de la profondeur et de la forme de ces canaux sous-marins, il est impossible de prédire comment l'océan interagira avec la glace à l'avenir, ou de comprendre comment les calottes glaciaires se sont comportées lors de changements climatiques passés.

Une équipe de chercheurs dirigée par Masakazu Fujii et Yoshifumi Nogi de l'Institut national de recherche polaire du Japon a enfin comblé certaines de ces lacunes pour une région spécifique appelée la baie de Lützow-Holm, en Antarctique oriental. En profitant de rares étés où la banquise s'est suffisamment brisée pour laisser passer un navire, ils ont navigué près des fronts de glacier et ont utilisé des ondes sonores pour cartographier le fond marin avec une précision accrue. Leurs travaux révèlent un réseau complexe de dépressions profondes et de seuils peu profonds qui ont été façonnés par la structure rocheuse sous-jacente de la croûte terrestre. Ils ont découvert que la profondeur des canaux menant aux différents glaciers varie considérablement, créant des barrières naturelles qui peuvent soit permettre, soit bloquer le flux d'eau chaude. De plus, les chercheurs ont découvert que la direction et l'emplacement de ces canaux profonds s'alignent sur des fissures et des limites anciennes dans le socle rocheux, suggérant que la géologie du continent a aidé à guider l'endroit où les glaciers ont creusé leurs sentiers les plus profonds il y a des millions d'années.

Les chercheurs ont mené leur campagne au cours de trois étés distincts entre 2016 et 2018, utilisant le brise-glace japonais Shirase pour naviguer dans la baie. Ils ont utilisé un système acoustique monofaisceau à haute résolution pour obtenir des mesures de profondeur le long des traces du navire. Ils ont collecté plus de 900 000 mesures de profondeur individuelles, créant une image détaillée du fond marin avec une précision de positionnement améliorée par rapport aux cartes précédentes. Pour garantir l'exactitude de ces mesures, ils ont pris en compte la vitesse du son dans l'eau, qui change selon la température et la salinité. En combinant leurs nouvelles données avec des mesures plus anciennes et moins précises prises depuis la banquise par le passé, ils ont produit une carte complète de la géométrie sous-marine de la baie.

La nouvelle carte montre une différence frappante dans la profondeur des canaux menant aux divers glaciers de la baie. Le canal principal devant le glacier Shirase est profond et large, atteignant des profondeurs de plus de 1 000 mètres et se connectant directement à l'océan profond par une entrée qui mesure environ 740 mètres de profondeur. Cette connexion profonde signifie que l'eau chaude peut s'écouler relativement facilement vers la base du glacier Shirase. En revanche, les canaux menant aux glaciers Skallen, Telen et Honnør sont séparés du grand creux profond par des rides sous-marines peu profondes, ou seuils. L'entrée des fossés de Skallen et de Telen est bloquée par un seuil d'environ 580 mètres de profondeur, tandis que l'entrée du fossé de Honnør est encore plus peu profonde, à environ 480 mètres. Ces rides peu profondes agissent comme des seuils ; elles n'arrêtent pas complètement l'eau chaude, mais elles rendent plus difficile l'accès de l'eau circulumpolaire profonde modifiée aux fronts de glacier. La capacité de l'eau chaude à franchir ces seuils dépend des conditions océaniques au moment donné, mais la forme physique du fond marin définit le cadre de ces interactions.

L'étude a également exploré pourquoi ces canaux et ces rides existent à leurs emplacements spécifiques. Les chercheurs ont comparé leur nouvelle carte bathymétrique avec des données sur les anomalies magnétiques de la zone, qui révèlent la structure de l'ancien socle rocheux caché sous la glace et les sédiments. Ils ont constaté que le segment du creux orienté NW-SE est spatialement aligné avec une limite magnétique majeure dans la croûte terrestre. Cette limite est un vestige de l'ancienne activité tectonique lors de la fragmentation du supercontinent Gondwana. Cet alignement suggère que les glaciers n'ont pas creusé ces canaux de manière aléatoire ; ils ont suivi des faiblesses et des fractures préexistantes dans le socle rocheux, les approfondissant au fil du temps. Cela signifie que la forme du paysage sous-marin actuel est le résultat à la fois de la géologie ancienne du continent et du pouvoir érosif des calottes glaciaires qui ont coulé sur lui pendant des milliers d'années.

Ces découvertes ont des implications importantes pour la compréhension de la réponse de la calotte antarctique à un climat qui se réchauffe. La profondeur des seuils et l'alignement des creux déterminent la facilité avec laquelle l'eau chaude peut atteindre la glace. Si l'eau est assez profonde pour passer au-dessus des seuils, elle peut accélérer la fonte et déstabiliser les calottes glaciaires. Les chercheurs suggèrent que la nature segmentée des creux, avec leurs profondeurs et leurs connexions variables, crée un système complexe où différents glaciers peuvent réagir différemment aux mêmes conditions océaniques. Par exemple, le glacier Shirase possède une voie potentielle d'accès à l'eau chaude plus profonde et plus continue, tandis que les seuils moins profonds peuvent restreindre l'accès aux fossés des fronts des glaciers Skallen, Telen et Honnør. L'efficacité réelle de ces voies dépend des conditions océanographiques variables dans le temps. Ce contrôle structurel aide à expliquer pourquoi certaines parties de la calotte glaciaire pourraient reculer plus rapidement que d'autres.

L'article ne prétend pas avoir résolu l'intégralité du puzzle de l'interaction glace-océan, ni fournir une prédiction définitive des taux de fonte futurs. Il offre plutôt un cadre géométrique crucial que les scientifiques peuvent désormais utiliser pour construire de meilleurs modèles informatiques. En sachant exactement où se trouvent les canaux profonds et quelle est la profondeur des barrières peu profondes, les chercheurs peuvent simuler le flux d'eau chaude avec une plus grande précision. L'étude souligne également que l'histoire de la croûte terrestre n'est pas seulement un enregistrement du passé lointain ; elle façonne activement le système climatique actuel en contrôlant les voies de passage de l'océan. Ce travail souligne la valeur des opportunités rares de recueillir des données dans des régions reculées et recouvertes de glace, montrant que même de petites améliorations de notre connaissance du fond marin peuvent conduire à une compréhension beaucoup plus claire des forces qui pilotent le changement en Antarctique.