Alpine glaciers erode large quantities of subglacial sediment as they slide over their beds. The export of this sediment to downstream environments is a major control on landscape evolution, ecosystem dynamics, water quality, hydropower infrastructure and land use. Alpine glaciers are widely considered to be exceptionally efficient at evacuating subglacial sediment, primarily via meltwater channels established during the glacier melt season. Consequently, measurements of sediment yields in proglacial rivers are often used as a proxy for glacial erosion rates, assuming minimal subglacial sediment storage. However, substantial inter-annual variability in sediment export has been recorded even among morphologically similar glaciers and the underlying glacio-hydrological processes and sediment transport dynamics remain only partly understood because they are almost impossible to observe directly. Coarser components of transported sediment are very difficult to measure, even in fluvial settings more generally. The relative importance of coarse or bedload sediment transport is not known even though it may exert a potentially significant control on subglacial hydraulics and ice dynamics. An incomplete understanding of sediment export complicates the assessment of how accurately proglacial sediment yields reflect erosion rates and introduces uncertainty into predictions of future sediment export rates, which are expected to change in warming climate with committed glacier mass loss.
The central aim of this thesis is to provide the first continuous measurements of both bedload and suspended load exported subglacially by meltwater flow from an Alpine glacier, utilising sediment transport data collected over three extensive field campaigns at the Otemma Glacier in western Switzerland. A focus is placed on the acquisition and analysis of sediment flux datasets distinguished by their temporal extent, lack of influence from proglacial processes, and detailed partitioning between suspended and bedload sediment. Innovative seismological methods were employed to measure bedload flux, in conjunction with particle tracking techniques for monitoring the subglacial transport of individual bedload particles. The thesis comprises three scientific manuscripts. The first manuscript introduces a novel methodology for tracking individual bedload sediment particles, tagged with active radio transmitters, through subglacial channels beneath shallow, temperate glacier ice. This approach is applied in the second manuscript to evaluate bedload mobility within the snout-marginal zone of the Otemma Glacier. Here, it was hypothesised that a broad, non-pressurised subglacial channel might cause the attenuation of coarse sediment transport. Tracking 325 coarse bedload particles from July to October 2021 revealed that overall particle mobility was limited despite high sediment export rates; 41% of the particles did not move, and just 18% were evacuated from the glacier. The results indicate that coarse bedload sediment evacuation was inefficient, displaying transport dynamics more consistent with rivers than pressurised subglacial conduits. The third manuscript investigates the patterns of subglacial sediment export at the Otemma Glacier across three melt seasons (2020, 2021, and 2022), examining how suspended and bedload sediment flux responded to changes in the subglacial meltwater drainage system. The study highlights significant inter-annual variability in sediment export that was not fully explained by meltwater discharge alone. It reveals the importance of bedload in total annual sediment yields (up to one third) and infers that the headward development of channelised subglacial drainage led to increased sediment export.
By synthesising this research, the thesis emphasises the spatial and temporal complexities of subglacial sediment production, entrainment, and evacuation. It advocates for integrating seismological bedload measurements in future sediment export studies and the inclusion of both suspended and bedload sediment transport dynamics in numerical models of erosion and export. The observations of marked inter-annual variation in export and inefficient bedload transport in the glacier snout margin suggest that subglacial sediment storage may be significant, with the thesis therefore calling for a more nuanced approach to estimating glacial erosion rates using proglacial sediment yields. The developed methods could also allow for a much deeper understanding of subglacial sediment export upstream of the snout margin of Alpine glaciers and this must remain an important objective for future research.
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Les glaciers alpins érodent de grandes quantités de sédiments sous-glaciaires lorsqu'ils glissent sur leurs lits. L'exportation de ces sédiments vers les environnements en aval exerce un contrôle majeur sur l'évolution du paysage, la dynamique des écosystèmes, la qualité de l'eau, l'infrastructure hydroélectrique et l'utilisation des terres. On considère généralement que les glaciers alpins sont exceptionnellement efficaces pour évacuer les sédiments sous-glaciaires, principalement par le biais de canaux d'eau de fonte établis pendant la saison de fonte des glaciers. Par conséquent, les mesures des rendements en sédiments dans les rivières proglaciaires sont souvent utilisées comme une approximation des taux d'érosion glaciaire, en supposant un stockage minimal des sédiments sous-glaciaires. Cependant, une variabilité interannuelle substantielle dans l'exportation des sédiments a été enregistrée même parmi les glaciers morphologiquement similaireset les processus glacio-hydrologiques sous-jacents et la dynamique du transport des sédiments ne sont que partiellement comprisparce qu'ils sont presque impossibles à observer directement. Les composants les plus grossiers des sédiments transportés sont très difficiles à mesurer, même dans les milieux fluviaux en général. L'importance relative du transport de sédiments grossiers ou de charriage n'est pas connue, même s'il peut exercer un contrôle potentiellement important sur l'hydraulique sous-glaciaire et la dynamique de la glace. Une compréhension incomplète de l'exportation de sédiments complique l'évaluation de la précision avec laquelle les rendements en sédiments proglaciaires reflètent les taux d'érosion et introduit une incertitude dans les prévisions des futurs taux d'exportation de sédiments, qui devraient changer dans un climat en réchauffement avec une perte de masse engagée des glaciers.
L'objectif principal de cette thèse est de fournir les premières mesures continues de la charge de lit et de la charge en suspension exportées sous le glacier par l'écoulement des eaux de fonte d'un glacier alpin, en utilisant les données de transport de sédiments collectées au cours de trois campagnes de terrain étendues au glacier d'Otemma, dans l'ouest de la Suisse. L'accent est mis sur l'acquisition et l'analyse d'ensembles de données sur les flux de sédiments qui se distinguent par leur étendue temporelle, l'absence d'influence des processus proglaciaires et la répartition détaillée entre les sédiments en suspension et les sédiments de charriage. Des méthodes sismologiques innovantes ont été employées pour mesurer le flux de charriage, en conjonction avec des techniques de suivi des particules pour surveiller le transport sous-glaciaire de particules individuelles de charriage. La thèse comprend trois manuscrits scientifiques. Le premier manuscritintroduit une nouvelle méthodologie pour suivre les particules individuelles de sédiments de charge de lit, marquées avec des émetteurs radio actifs, à travers les canaux sous-glaciaires sous la glace des glaciers tempérés peu profonds. Cette approche est appliquée à l'échelle dans le deuxième manuscrit pour évaluer la mobilité du charriage dans la zone marginale du museau du glacier d'Otemma. Ici, l'hypothèse a été émise qu'un large canal sous-glaciaire non pressurisépourrait causer l'atténuation du transport de sédiments grossiers. Le suivi de 325 particules de charriage grossier de juillet à octobre 2021 a révélé que la mobilité globale des particules était limitée malgré des taux
d'exportation de sédiments élevés; 41% des particules ne se sont pas déplacées et seulement 18% ont été évacuées du glacier. Les résultats indiquent que l'évacuation des sédiments grossiers a été inefficace, affichant une dynamique de transport plus cohérente avec les rivières qu'avec les conduits sous-glaciaires pressurisés. Le troisième manuscrit étudie les modèles d'exportation de sédiments sous-glaciaires au glacier d'Otemma au cours de trois saisons de fonte (2020, 2021 et 2022), en examinant comment les flux de sédiments en suspension et de charge de lit ont répondu aux changements dans le système de drainage de l'eau de fonte sous-glaciaire. L'étude met en évidence une variabilité interannuelle significative dans l'exportation de sédiments qui n'a pas été entièrement expliquée par le seul écoulement des eaux de fonte. Elle révèle l'importance de la charge de lit dans les rendements sédimentaires annuels totaux (jusqu'à un tiers) et en déduit que le développement vers l'amont du drainage sous-glaciaire canalisé a conduit à une augmentation de l'exportation de sédiments.
En synthétisant ces recherches, la thèse met l'accent sur les complexités spatiales et temporelles de la production, de l'entraînement et de l'évacuation des sédiments sous-glaciaires. Elle préconise l'intégration de mesures sismologiques de la charge de lit dans les futures études d'exportation de sédiments et l'inclusion de la dynamique du transport des sédiments en suspension et de la charge de lit dans les modèles numériques d'érosion et d'exportation. Les observations de variations interannuelles marquées dans l'exportation et le transport inefficace de la charge de lit dans la marge du museau du glacier suggèrent que le stockage de sédiments sous-glaciaires peut être significatif, la thèse appelant donc à une approche plus nuancée de l'estimation des taux d'érosion glaciaire en utilisant les rendements en sédiments proglaciaires. Les méthodes développées pourraient également permettre une compréhension beaucoup plus approfondie de l'exportation de sédiments sous-glaciaires en amont de la marge du museau des glaciers alpins.