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Lacs infraglaciaires de l’Antarctique

Lacs infraglaciaires de l’Antarctique

Résumé d'informations

Version: 1.0

Publié: 15/04/2019 GMT

Contenu validé: 13/04/2019 GMT

Auteurs

Martin Siegert (1)*, Irina Alekhina (2), Jill Mikucki (3), Andres Rivera (4), Sun Bo (5), Helen A. Fricker (6), Dusty Schroeder (7), Bernd Kulessa (8), Christine Dow (9)

(1) Imperial College, UK
(2) AARI, Russia
(3) University of Tennessee, USA
(4) CECS, Chile
(5) PRIC, China
(6) Scripps Institution of Oceanography, USA
(7) Stanford University, USA
(8) University of Swansea, UK
(9) University of Waterloo, Canada

*m.siegert@imperial.ac.uk

Examiné par des pairs tick


Résumé

Il existe plus de 400 lacs sous l'inlandsis de l'Antarctique. Il peut s'agir de lacs stables géants au centre de la calotte glaciaire , isolés de l'atmosphère depuis des millions d'années comme de petites poches d'eau communicantes en-dessous des courants glaciaires à débit rapide. Il est probable que les lacs infraglaciaires abritent des micro-organismes uniques, adaptés à des conditions extrêmes comme la pression et l'obscurité présentes sous la glace, ainsi que des traces de la glace et du changement climatique depuis l'époque de la formation de la calotte glaciaire. Un accès direct pour prélever des échantillons de cet environnement vierge est nécessaire afin d'en percer les secrets microbiologiques et climatologiques. Le SCAR a participé à l'élaboration de plans d'orientation pour des opérations d'exploration et d'accès aux lacs infraglaciaires, en s'assurant que les expériences sont menées d'une manière sûre, propre et écologiquement durable. Un code de conduite formel a été approuvée par la RCTA en 2011 et une version révisée a été adoptée en 2017. À ce jour, seuls deux lacs situés au bord de l'inlandsis de l'Antarctique occidental ont été échantillonnés de manière propre pour leur eau et leurs sédiments (les lacs infraglaciaires Whillans en janvier 2013 et Mercer en décembre 2018).


Résumé

Les lacs infraglaciaires sont des étendues d'eau liquide situées sous l'inlandsis de l'Antarctique, entre la glace et le matériau du lit. La glace faisant office d'isolant, les niveaux typiques de flux de chaleur géothermique sont suffisants pour réchauffer la base de la glace jusqu'au point de fonte, malgré les températures à la surface de plusieurs dizaines de degrés sous le point de congélation. L'eau sous-glaciaire s'écoule grâce aux forces combinées de la gravité et de la pression de la glace du dessus et peut former des bassins dans des creux, ce qui peut former des lacs1.

Comme tout autre continent, la morphologie du lit de l'Antarctique consiste en un système complexe de montagnes, de vallées et de basses-terres. Sous certaines conditions, l'eau peut remplir entièrement certains creux infraglaciaires, créant ainsi d'immenses lacs, comme le lac Vostok, long de 280 km (l'un des dix plus grands lacs d'eau douce du monde en termes de profondeur, de superficie et de volume2). Ces types de lacs sont situés près des lignes de partage glaciaire et peuvent contenir des eaux naturelles et des sédiments datant de plusieurs millions d'années. Vers les marges de la calotte glaciaire, les eaux sous-glaciaires se rassemblent en réseaux, des systèmes de canalisation et de distribution de l'eau3 lubrifiant le lit des courants glaciaires rapides4. L'eau peut y former des lacs, en remplissant une dépression jusqu'au niveau à partir duquel elle se déverse en aval avant de répéter le phénomène5,6.

Il existe une grande variété de systèmes de lacs infraglaciaires sous l'inlandsis de l'Antarctique, allant de grands lacs stables au centre de la calotte glaciaire (comme le lac Vostok) aux lacs stables de moindre envergure éparpillés à travers l'inlandsis (comme les lacs CECS7 et Ellsworth), en passant par les petits lacs « actifs » en termes d'hydrologie, situés en majorité près de la marge de la calotte glaciaire (comme le lac Whillans5) (Figure 1).

Subglacial ENG fig 1

Figure 1. Types et emplacements des lacs infraglaciaires de l'Antarctique. Les couleurs et les formes indiquent la nature géophysique des recherches effectuées sur chaque site : Noir/Triangle = RES, jaune = sondage sismique, vert = cartographie du champ de gravitation, rouge/cercle = mesure du changement d'élévation de la surface, carré = forme identifiée à partir des caractéristiques de la surface de la glace. Le lac Vostok est indiqué en contours. Repris de Siegert (2018)27.


Les lacs infraglaciaires actifs peuvent être représentés à l'aide de mesures des changements d'élévation de la surface de glace provenant de l'altimétrie par satellite. La surface de la glace monte de plusieurs mètres lors de la phase de remplissage, et baisse lors de l'écoulement5,17. L'altimétrie par satellite a été employée pour délimiter 120 lacs dits « actifs » sur le plan hydrologique, y compris les lacs Whillans et Mercer en Antarctique occidental18. Cependant les données du RES pour les mêmes sites ne révèlent pas souvent des lacs de forme conventionnelle, potentiellement à cause de l'eau qui s'écoule dans des réseaux complexes de petits creux plutôt que dans un seul bassin, et parfois dans des endroits incongrus comme dans le côté sous le vent des obstacles sous-glaciaires à la circulation de la glace19. Dans certains cas, il a été découvert que l'eau peut sortir d'un lac et venir se déverser dans un autre lac, à plusieurs centaines de kilomètres, et former une rivière temporaire entre les deux. Entre 1996 et 1998, le flux de l'eau s'écoulant entre deux lacs actifs en Antarctique oriental a été estimé à l'équivalent de celui de la Tamise à Londres17.La première observation de lac infraglaciaire a été effectuée en 1969 à l'aide d'un sondage radio-écho (RES) aérien sous la station Sovetskya en Antarctique oriental central. Les réflexions continuellement brillantes et nettes des ondes radio sont un signe incontestable de la présence d'eau douce en profondeur (>10 m) sous la glace 8,9. Le RES a depuis été employé pour détecter plus de 200 lacs sur tout le continent antarctique10. Bien que le RES fournisse une preuve déterminante de la présence d'eau de fond stagnante, il ne peut pas être utilisé pour mesurer la profondeur des lacs puisque les ondes radio sont absorbées dans l'eau sauf pour les étendues d'eau les moins profondes et les plus pures11. Le sondage sismique est plus approprié pour effectuer des mesures directes de profondeur. À ce jour, seules les bases de quatre lacs ont été mesurées avec succès par sondage sismique : le lac Vostok (~1000 m de profondeur)12, le lac Ellsworth (~160 m)13, le lac Mercer (~15 m), et un lac au pôle Sud (~30 m)14. En ce qui concerne les plus grands lacs comme le lac Vostok, où la cavité d'eau est de taille importante, des mesures de gravité peuvent être utilisées pour déterminer la forme du lit du lac, qui peut révéler la bathymétrie au niveau macroscopique15 en croisant les mesures avec les données sismiques. À l'avenir, les techniques géophysiques électromagnétiques pourront créer des représentations multi-dimensionnelles des lacs infraglaciaires et fournir des informations sur leur salinité9,16, comme le démontrent les essais du programme antarctique des États-Unis lors de l'été austral 2018-2019 au lac Mercer.

Une fois le lac Vostok identifié comme lac géant sous la partie centrale de l'Antarctique oriental en 1996, les lacs infraglaciaires ont fait l'objet d'une attention scientifique et médiatique importante. Étant donné qu'il s'agit d'environnements uniques, isolés du reste du globe pendant des centaines de milliers d'années, il est supposé qu'ils constituent des habitats pour des microbes inhabituels et spécialement adaptés, et qu'ils peuvent contenir des témoignages sur les changements climatiques anciens, qui commenceraient là où les noyaux de glace s'arrêtent. Ces hypothèses sont parfaitement vérifiables dans la mesure où l'on peut accéder à et échantillonner les lacs infraglaciaires.

Le SCAR a participé à des plans d'orientation pour des opérations d'exploration des lacs infraglaciaires en 2000, en garantissant un dialogue et des échanges internationaux sur les découvertes et la planification scientifiques. L'une des composantes clés de l'implication du SCAR était son avis sur l'importance de la protection et de la conservation de ces environnements lacustres infraglaciaires vierges lors de l'accès et de l'échantillonnage ainsi que pendant les expériences in situ. Le SCAR a d'abord engagé un groupe de spécialistes, devenu par la suite un programme de recherche scientifique formel sur les environnements lacustres infraglaciaires de l'Antarctique (SALE en anglais). De son côté, le Conseil national de recherche des États-Unis a organisé un examen de l'exploration des lacs infraglaciaires pour déterminer comment les ambitions scientifiques pouvaient être satisfaites tout en garantissant la protection environnementale20. À la suite de cela, le SCAR a développé le Code de conduite sur l'accès infraglaciaire, qui a été approuvé par la RCTA en 2011 (organisée à Buenos Aires), et dont la version révisée a été approuvée lors de la RCTA de 2017 (à Beijing). Ce code décrit les fondements scientifiques définissant la propreté environnementale et donne des informations détaillées sur les façons de respecter ces exigences lors des mesures et de l'échantillonnage in situ21.

Les saisons antarctiques 2011-2012 et 2012-2013 ont été essentielles pour l'exploration infraglaciaire. Trois programmes d'exploration ont été menés avec plus ou moins de succès. D'abord, une équipe russe a étendu la carotte glaciaire pour pénétrer dans le lac Vostok en 201222. En permettant à l'eau du lac de geler dans le trou de forage et en réactivant le carottier lors des saisons suivantes, un échantillon de l'eau du lac a été recueilli, bien que les procédures stériles n'aient pas été utilisées. Puis, en décembre 2012, une équipe du Royaume-Uni n'a pas réussi à activer la foreuse à eau chaude ad hoc pour accéder au lac Ellsworth en Antarctique occidental et y prélever des échantillons23. Enfin, en janvier 2013, une équipe américaine, utilisant également une foreuse à eau chaude propre24, a réussi à prélever un échantillon dans le lac infraglaciaire actif Whillans, apportant la preuve que les lacs antarctiques infraglaciaires abritent une vie microbienne25.

En 2015, une réunion internationale a été organisée au Chicheley Hall de la Royal Society britannique en vue de partager les enseignements tirés au cours des missions de forage profond et d’identifier les plans et les ambitions scientifiques26. En décembre 2018 et janvier 2019 ensuite, le programme antarctique des États-Unis a réussi à atteindre le lac Mercer et a prélevé des échantillons de la colonne d’eau et de sédiments. L’hypothèse de l’équipe scientifique du lac Mercer était que les transformations microbiennes dans ce lac seraient provoquées dans une large mesure par des restes de matières organiques marines qui se sont déposées au cours d’un scénario climatique antérieur (J.C. Priscu, communication personnelle). Les échantillons prélevés dans le cadre du projet au lac Mercer sont en cours d’analyse et les résultats sont attendus sous peu. Bien que de nombreux enseignements aient été tirés de la manière de mener des missions de forage profond, de nombreuses questions scientifiques demeurent sans réponse. L’échantillonnage direct d’autres lacs, comme le lac Vostok qui est profond et hydrauliquement stable, sera nécessaire pour répondre à ces questions.


Évènements clés

Voir également Siegert 2018 (ref 27).

Fin des années 1960 :   

Les essais de sondage radio-écho révolutionnent la collecte de données glaciaires et infraglaciaires.

1967-1968 :

Découverte du premier lac infraglaciaire de l'Antarctique près de la station Sovetskaya.

1973 :           

Première classification, comprenant 17 lacs antarctiques infraglaciaires.

1974-1975 :

Découverte du lac Vostok lors de la deuxième saison du programme de prospection systématique de l'inlandsis de l'Antarctique mené par l'Institut de recherche polaire Scott (SPRI), la Fondation nationale pour la science (NSF) des États-Unis et l'Université technique du Danemark (TUD).

1977-1978 :

Découverte du lac Ellswoth lors de la troisième saison de prospection par la collaboration SPRI / NSF / TUD.

1987-1991 :

Quatre saisons de prospection géophysique aérienne soviétique ont permis la découverte de 16 lacs infraglaciaires.

1996 :           

Le lac Vostok s'est révélé être l'une des plus grandes étendues d'eau douce au monde.

1996 :           

Deuxième classification, comprenant 77 lacs antarctiques infraglaciaires.

1998 :           

La prospection de la région du Dôme C par l'Italie a révélé 14 nouveaux lacs infraglaciaires.

1999 :           

Le SCAR forme le groupe de spécialistes sur les environnements lacustres infraglaciaires antarctiques (SALE).

2002 :           

La Fédération de Russie diffuse la première évaluation d'impact sur l'environnement (EIE) pour la pénétration du lac Vostok.

2003 :           

Le 6e réunion du Comité pour la protection de l'environnement (CPE) discute du projet d'EIE émis par la Fédération de Russie et informe la 26e Réunion consultative du Traité sur l'Antarctique (RCTA) de ses conclusions.

2003 :           

Le Groupe de spécialistes SALE devient un programme de recherche formel du SCAR.

2005 :           

Troisième classification, comprenant 145 lacs antarctiques infraglaciaires.

2006 :           

Découverte des écoulements et des flux internes des lacs infraglaciaires.

2010 :           

La Fédération de Russie diffuse la version finale de son EIE pour la pénétration du lac Vostok.

2010 :           

Le Royaume-Uni diffuse un projet d'EIE pour l'exploration et l'échantillonnage du lac Ellsworth.

2011 :           

La 14e réunion du CPE discute du projet d'EIE du Royaume-Uni (pour l'accès au lac Ellsworth) et informe la 34e RCTA de ses conclusions.

2011 :           

Le Royaume-Uni diffuse la version finale de son EIE pour la pénétration du lac Ellsworth.

2011 :           

Le SCAR rédige et publie son Code de conduite pour l’exploration et la recherche dans des environnements aquatiques sous-glaciaires.

2011 :           

Quatrième classification, comprenant 381 lacs antarctiques infraglaciaires.

2012 :           

L'Expédition antarctique russe accède au lac Vostok et y prélève un échantillon d'eau le 5 février 2012.

2012 :           

La mission organisée par le Royaume-Uni pour accéder au lac Ellsworth est interrompue à cause de problèmes techniques.

2013 :           

Le programme antarctique des États-Unis accède au lac Whillans et prélève un échantillon, démontrant la présence de microorganismes stables dans la glace basale.

2016 :           

Cinquième classification, comprenant 402 lacs antarctiques infraglaciaires.

2017 :           

La RCTA 40 adopte le Code de conduite du SCAR pour l’exploration et la recherche dans des environnements aquatiques sous-glaciaires via la Résolution 2 (2017).

2018 :           

Le programme antarctique des États-Unis accède au lac Mercer et prélève 60 litres d'eau et environ ~1,7 m de carotte de sédiments du lit du lac.