Sediment source-to-sink in a warming Arctic; thawing moraines, slope processes and river erosion in Longyeardalen, Svalbard

Abstract

Klimaendringer i Arktis endrer forutsetningene for sedimenttransport fra kilde til avsetning i Longyearbyen, Svalbard, og skaper potensielle problemer for infrastruktur og menneskesikkerhet. Sedimentkildene; isbreer, destabilisering av permafrost grunn og gravitasjonsprosesser er ofte lite dokumentert, og enda sjeldnere kvantifisert, noe denne studien ønsker å bedre. Studien er del av et langtidsprosjekt for monitorering av Longyearelva (RiS ID 11641) og er gjennomført i samarbeid med et tvillingstudie av Ottem (2022). Målene for oppgaven ble addressert ved bruk av detaljert kartlegging av den øvre delen av Longyeardalen ved bruk av drone, feltobservasjoner, volumutregninger av sediment, og datasøk etter eldre ortofoto. Dette var støttet av monitorering av vannføring, suspendert sedimentkonsentrasjon, og transport av bunnlast.

Denne studien har vist at primærkilder til sediment i Longyeardalen er Larsbreen og Longyearbreen og de tilhørende iskjernemorenene. Sekundærkilder til sediment som snøskred og steinsprang finnes på skråningene i dalen langs aktive elvekanaler. Erosion av elvebredde og slumping i morenene drevet av tining er viktige sedimentkilder mot slutten av smeltesesongen. Dette er grunnet tining av det aktive laget som destabiliserer grunnen og tilgjengeliggjør sediment for erosjon.

Daglige svingninger i suspendert sedimentkonsentrasjon var mest uregelmessige i midten av smeltesesongen, og høyest i sensesongen. Sedimenttransporten økte gjennom sesongen, og korrelasjon mellom sedimenttransport og vannføring avtok mot sensesongen. Dette indikerer at tining av det aktive laget er en viktig kontroll for sedimenttransport for både primær- og sekundærkilder, med økende påvirkning gjennom smeltesesongen.

Det totale volumet av sediment fjernet fra morenene gjennom slumping til og med 2021 var minst 2.8 ± 0.6 x10^6 m3. En akselerasjon i destabilisering i morenene ble funnet for de siste 10 årene. Dette er grunnet retrogressiv bevegelse av slumping i iskjernemorenene grunnet eksponering for varme og vann, og glasifluvial erosion. Det spekuleres i om akselerasjonen forsterkes i økt tykkelse av det aktive laget på grunn av klimaendringer.

Langtidsvirkningene av økt globaltemperatur på sedimenttransport er vanskelig å forutse. Det er noen indikasjoner på at sedimenttransporten i Longyeardalen kan øke. Dette begrunnes ved økende viktighet av sekundærkilder til sediment; elveerosjon og tinings-slumping i morenene. Elveerosjon øker ved tining av det aktive laget, noe som kan respondere betydelig til lufttemperaturøkning. Slumping utløst ved tining i morener er en uregelmessig, episodisk sedimentkilde med høy hydrologisk konnektivitet i Longyeardalen. Omfanget og hyppigheten avdisse kildene forventes å øke med temperatur og regn. Et skifte i sentrale sedimentkilder kan føre til mer uregelmessige, høye topper i sedimenttransport og økt transport i sensesongen. Dermed er det mulig at den totale sedimenttransporten kan øke til tross for tilbaketrekning av isbreene.

En fortsettelse av monitorering er nødvendig for å forstå mer om variasjon mellom år og langtidsvirkninger av klimaendringer på sedimenttransport og destabilisering i permafrost i Longyeardalen. Det vil være nyttig med undersøkelser av tykkelse på det aktive laget i dalen og dronekartlegging i kommende år. Denne studien har bidratt med kvantifisert informasjon om sedimentkilder i 2021, og bistår i økt forståelse av hvordan sedimenttransport fra kilde til avsetning i Longyeardalen reagerer på klimaendringer.

The climate change and rapid warming of the Arctic is changing the conditions for source-to-sink sediment transport in Longyearbyen, Svalbard, causing potential problems for infrastructure and human safety. The sediment sources; glaciers, permafrost degradation and gravitational processes are often not well understood, and even less quantified, something this study aims to remedy. The study is part of a long-term monitoring project of Longyearelva (RiS ID 11641) and is completed alongside a twin master study by Ottem (2022). The aims were addressed through detailed mapping of the upper part of Longyeardalen using drone mapping, field observations, sediment volume calculations, and data search of older orthophotos. This was supported by monitoring of discharge, suspended sediment concentration (SSC), and bedload transport.

This study shows that the primary sources of sediment in Longyeardalen are the Larsbreen and Longyearbreen glaciers and ice-cored moraine systems. Secondary sedimentary sources such as snow avalanches and rock glaciers are located along the slopes of the valley and adjacent to active channels. River bank erosion and thaw driven slumps in the moraine systems are important sources of sediment in the late melting season. This is due to active layer thaw destabilising the ground and releasing sediment for erosion.

Daily fluctuations in SSC were most irregular in the middle of the melting season, and largest in the late-season. Sediment transportation increased over the season and correlation of sediment transport with discharge decreased in the late-season. This suggests that active layer thaw is an important control on sediment transport from both primary and secondary sources, with increasing control over the season. The total volume of sediment that has been removed by slumping in the moraines by 2021 is at least 2.8 ± 0.6 x10^6 m3. An acceleration in degradation has occurred over the past 10 years. This is due to retrogressive behaviour of slumps in ice-cored moraines due to exposure to heat and water, and glaciofluvial erosion. It is speculated that acceleration is promoted by an increase in active layer thickness due to warming.

The long-term consequence of warming on sediment transport is difficult to discern. There is some indication that sediment transport in Longyeardalen may increase. This is due to the increasing importance of secondary sediment sources; river erosion and thaw-slumps in moraines. River erosion increases with active layer thaw, which is highly sensitive to warming. Thaw-induced slumping in moraines is an irregular, episodic sediment source with high hydrological connectivity in Longyeardalen. Magnitude and frequency of these sources is expected to increase with warming and rainfall. A shift in sediment source contribution could lead to more irregular, high peaks and increased late-season sediment transport. Thus, the total sediment transport may increase despite the retreat of the glaciers.

Continued monitoring is necessary to further understand the interannual variability and long-term climate change impacts on sediment transport and permafrost degradation in Longyeardalen. It would be beneficial with investigations of active layer thickness in the valley and drone mapping in future years. This study has provided quantified information on sediment sources and transport in 2021, and aids in the understanding of how the Longyeardalen source-to-sink system is responding to a warming climate.