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Sub-sea permafrost regime at Prudhoe Bay, Alaska, U.S.A

Published online by Cambridge University Press:  19 January 2018

T. E. Osterkamp
Affiliation:
Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska 99701, U.S.A
W. D. Harrison
Affiliation:
Geophysical Institute, University of Alaska, Fairbanks, Alaska 99701, U.S.A
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Abstract

A sub-sea permafrost drilling program was conducted near Prudhoe Bay, Alaska. Sub-sea permafrost was found at all offshore drill sites and was characterized as being ice bonded or unbonded. The unbonded sub-sea permafrost occurred in a thin layer at the sea bed; the near-shore thickness of this layer appears to be controlled by the bathymetry. The mean annual sea-bed temperatures were about —3.4°C at 203 m offshore, — 1.1°C at 481 m offshore and —0.7°C at 3370 m offshore. The thermal diffusivity was about 21 m2 a-1 for unbonded sandy gravel with silt. The sub-sea permafrost soils were sandy gravel with some silt overlain by a thin layer of silty sand which increased in thickness from a few meters near shore to about 14 m at 3370 m offshore. A few small ice lenses were found in a hole 195 m offshore but no massive ice was observed. Pore-water salt concentrations at the sea bed were 3-4 times that of normal sea-water where ice was frozen to the sea bed and 1–2 times that of normal sea-water otherwise. Preliminary laboratory experiments showed that the saturated hydraulic conductivity of the unbonded sub-sea permafrost was about 10–6–10–7 m s–1. The permeability of the subterranean permafrost was zero.

Résumé

Résumé

Régilm de permafrost sous-marin á Prudhoe Bay, Alaska, U.S.A. Un programme de forage dans le permafrost sous-marin á été exécuté près de Prudhoe Bay en Alaska. Des permafrosts sous-marin ont été trouvé á tous les sites de forages au large et on les caractérisait comme étant Iiaisonnés ou non liaisonnés par de la glace. Le permafrost sous-marin non liaisonné se produisait en une mince couche au niveau du fond de la mer; l'épaisseur, près des côtes, de ce niveau semble contrôlé par la bathymétrie. Les températures moy ennes annuelles du fond de la mer étaient d'environ — 3,4°C à 203 m du rivage, —1,1 °C à 481 m du rivage et —0,7°C à 370 m vers le large. La diffusivité thermique était d'environ 21 m2 a–1 pour un gravier sablonneux non liaisonné avec du limon. Les sols de permafrost sous-marin étaient en gravier sablonneux avec un peu de limon surmonté par un mince niveau de sable limoneux qui croît en épaisseur depuis quelques mètres près de la côte jusqu'à environ 14 m à 3 370 m au large. Quelques petites lentilles de glace ont été trouvées dans un forage de 195 m de la côte, mais on n'a pas trouvé de glace en quantité massive sous la mer. Les concentrations en sel des pores dans le fond de la mer étaient 3 ou 4 fois plus élevées que celles de l’eau de mer normale où la glace était fixée sur le fond de la mer et une à deux fois celle de l'eau de mer normale ailleurs. Des expériences préliminaires de laboratoire ont montré que la conductivité hydraulique saturée du permafrost sous-marin non liaisonné était d'environ 10–6 à 10–7m s–1. La perméabilité du permafrost souterrain était nulle.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Hallshalt des Permafrostes am Meeresboden der Prudhoe Bay, Alaska, U.S.A. Nahe der Prudhoe Bay in Alaska wurde ein Bohrprogramm für unterseeisehe Permafrost durchgeführt. Untersceischer Permafrost wurde an alien Bohrstellen vor der Küste gefunden; er liess sich als gefunden order nicht gebunden an Eis charakterisieren. Der ungebundene Permafrost unter wasser trat als dünne Schicht am Meeresboden auf; die Dicke dieser Schicht nahe der Küste scheint von der Tiefenlage abzuhängen. Die mittleren Jahrestemperaturen des Meeresbodens betrugen etwa — 3,4°C bei 203 m Küstenabstand, — 1,1°C bei 481 m Küstenabstand und –0,7°C bei 3 370 m Küstenabstand. Die thermische Diffusion war für ungebun-denen sandigcn Kies mit Schlamm etwa 21 m2 pro Jahr. Die Permafrostböden unter Wasscr bestanden aus sandigem Kies mit einigem Schlamm, Überlagert von einer dünnen Schicht schlammigen Sandes, deren Dieke von wenigen Metern in Küstennahe auf etwa 14 m in 3 370 m Küstenabstand zunahm. In einem Loch bei 195 m Küstenabstand wurden einige kleine Eislinsen gefunden, doch fand sich weiter draussen kein zusammcnhängendes Eis. Die Salzkonzentration im Porenwasser am Meeresgrund war 3- bis 4-mal grösser als sonst in normalem Meerwasser. Vorläufige Laborversuche ergaben, dass die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungebundenen unterseeischen Permafrostes ungefähr 10–6 bis 10–7ms–1 beträgt. Die Durchlässigkeit des unterirdisehen Permafrostes war Null.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
Figure 0

Fig. 1.Map showing the location of the drilling line on the north-west comer of Prudhoe Bay.

Figure 1

Table I.Summary of drilling and sampling information

Figure 2

Fig. 2.Profile of the near-shore sub-sea permafrost regime. Sub-sea soils to the right and above the dashed line are unbonded and soils to the left of it are ice-bonded.

Figure 3

Fig. 3.Measured electrical conductivity profile of the pore water in soil samples from hole 481. The values are normalized to 25°C. The point at the bonded sub-sea permafrost boundary was calculated from the temperature data. Normal sea-water is about 5.3 (Ω m)-1.

Figure 4

Fig. 4.Extrapolated equilibrium temperatures on 12 June 1975 for hole 190 and logged temperatures on 29 May 1975 for hole 203. These data were put on the same figure because the holes were separated by only 13 m in an area of nearly constant water depth.

Figure 5

Fig. 5.Extrapolated equilibrium temperatures and normalized logged temperatures for hole 48l on l3 June 1975.

Figure 6

Table II.Moisture contents and relative saturations for some Shelby tube samples

Figure 7

Table III.Results from the analysis of major ions in three sub-sea permafrost samples with related information

Figure 8

Fig. 6.Extrapolated equilibrium temperatures on 14 June 1975 and logged temperatures on 28 May 1975 for hole 3370.

Figure 9

Fig. 7.System of coordinates in the snow cover x, y, z and associated velocities u, v, w and stresses σx, σy, σz.