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Ice-Sheet Flow Properties Derived from Bore-Hole Shear Measurements Combined With Ice-Core Studies

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

D. S. Russell-head
Affiliation:
School of Earth Sciences, University of Melbourne, Parkville, Victoria 3052, Australia
W. F. Budd
Affiliation:
Antarctic Division, Department of Science, 568 St Kilda Road, Melbourne, Victoria 3004, Australia
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A 345 m deep bore hole in ice about 385 m thick, near the edge of Law Dome, Antarctica, was drilled in 1974 about 3 km up-stream from the site of a previous bore hole, nearly reaching the bed, obtained in 1969. The core from this new bore hole has been studied comprehensively, particularly with regard to the ice-crystal orientation fabrics. Samples of the ice core were subjected to simple shear at temperatures and deviatoric stresses which match the in situ conditions of the ice sheet.

Similar studies of randomly-oriented laboratory-made polycrystalline ice were undertaken. Long-term tests, lasting for up to two years, were required to determine minimum strain-rates. The flow law for the anisotropic ice was thus determined as a function of that for the isotropic ice together with a measure of c-axis fabric strength perpendicular to the shear plane.

Core studies indicate that the upper part of the ice sheet has a polycrystalline structure appropriate to the surface longitudinal stress. Deeper in the core a strong concentration of near-vertical c-axes develops. Ice having very large crystals with multiple maxima fabrics was found in the lower quarter of the ice thickness.

Shear measurements in the bore hole indicate the existence of high strain-rates in the zone of vertical c-axes, and of lower shear-rates below that level. The low values of shear-rates in the basal region cannot be explained in terms of crystallographic changes alone, and therefore it is inferred that the shear stress decreases in this layer–a result which also provides a possible explanation for the development of the observed basal crystal structure.

Résumé

Résumé

Un forage profond de 345 m dans une glace épaisse d’environ 385 m vers la limite du Law Dome en Antarctique a été creusé en 1974 à environ 3 km à l’amont de l’emplacement d’un précédent forage, atteignant presque le lit rocheux, réalisé en 1969. On a étudié à fond la carotte issue de ce nouveau forage en particulier sous l’angle de l’orientation des axes des cristaux de glace. Des échantillons de carottes de glace ont été soumises à des cisaillements simples à des températures et avec des déviateurs de contraintes qui reproduisent les conditions in situ de la calotte glaciaire.

On a entrepris des études semblables sur de la glace polycristalline à orientation quelconque fabriquée en laboratoire Les essais à long terme s’étendant sur plus de deux ans, étaient nécessaires pour déterminer les vitesses de déformation minimum. La loi d’écoulement pour une glace anisotrope a alors été déterminée comme une fonction de celle s’appliquant à la glace isotrope associée à une mesure de l’abondance des cristaux à axes-c perpendiculaires au plan de cisaillement.

Les études de carottes indiquent que la partie supérieure des calottes glaciaires ont une structure polycristalline adaptée aux efforts longitudinaux en surface. Plus profond dans la carotte une forte concentration d’axes-c presque verticaux se manifeste. De la glace à très grands cristaux et de multiples maximums d’orientations d’axes a été trouvé dans le dernier quart de l’épaisseur de la glace.

Les mesures de cisaillement dans le forage sont l’indice de l’existence d’une forte vitesse de déformation dans la zone à axe-c verticaux et d’un plus faible cisaillement sous ce niveau. Les faibles valeurs des vitesses de cisaillement dans la région du fond ne peuvent s’expliquer seulement par des changements cristallographiques et on en déduit donc que le cisaillement diminue à ce niveau – un résultat qui procure également une explication probable pour le développement de la structure cristalline observée à la base.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Nahe dem Seheitel des Law Dome, Antarktis, wurde 1974 ein 345 m tiefes Bohrloch ins etwa 385 m dicke Eis niedergebracht, ca. 3 km stromaufwärts von der Stelle eines Bohrloches aus dem Jahr 1969, das beinahe das Felsbett erreichte. Der Kern dieses neuen Bohrloches wurde eingehend untersucht, besonders im Hinblick auf das Gefüge der Kristallorientierung. Proben des Eiskernes wurden einfacher Scherung unterworfen, bei Temperaturen und Auslenkspannungen, die den in situ-Bedingungen des Eisschildes entsprachen.

Ähnliche Untersurhungen wurden an zufällig orientiertem, künstlichem polykristallinem Eis angestellt. Zur Bestimmung der minimalen Verformungsraten waren Langzeittests bis zu zwei Jahren Dauer erforderlich. Das Fliessgesetz für anisutropes Eis wurde so als Funktion dieses Gesetzes für isotropes Eis zusammen mit einem Mass für die Fertigkeit des c- Achsengefüges senkrecht zur Scherebene bestimmt.

Kernstudien zeigen, dass der obere Teil des Eissehildes eine polykristalline struktur besitzt, die der Längsspannung an der Oberfläche entspricht. Tiefer unten entwickelt sich im Kern eine starke Konzentration beinaher vertikaler c-Achsen. Im untersten Viertel des Eiskerns wurde Eis von grosser Komgrösse und einem Gefüge mit mehreren Maximen gefunden.

Schermessungen im Bohrloch deuten auf das Vorhandensein hoher Verformungsraten in der Zone vertikaler c- Achsen und geringerer Scherraten unter diesem Niveau. Diese geringen Scherungswerte können nicht durch kristallographische Veränderungen allein erklärt werden; es wird daher angenommen, dass der Scherdruck in dieser Schicht abnimmt, – ein Ergebnis, das auch eine mögliche Erklärung für die Bildung der beobachteten Kristallstruktur am Untergrund liefert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. 1. A section through Law Dome from the summit to Cape Folger is shown with the locations and depths of bore holes and cores obtained to date. Examples of modelled particle paths and ages, derived from the present accumulation and velocities with a simple flow regime, are also shown.

Figure 1

Fig. 2. The flow law for the isotropic laboratory-made polycrystalline ice is shown as derived from minimum creep-rates at temperatures from –0.850c to –20°C. The vertical lines on the points represent estimated error bars.

Figure 2

Fig. 3. Result of some creep experiments for shear on ice core for 0.5 bar at –2°C, showing the long times required for minimum or steady-state strain-rates. The depths at which the cores were obtained are shown. The solid horizontal line represents the corresponding value obtained for isotropic ice.

Figure 3

Fig. 4. The general distribution of crystal c-axis orientation fabrics (lower-hemisphere plot) for horizontal sections through the ice core are shown with the depths indicated, together with the fabric for laboratory-made isotropic ice. The fabrics depict the transition from vertical compression with longitudinal extension at the surface, to increasing horizontal shear, then to the large-crystal ice with multiple maxima at the base. The arrow indicates the general direction of flow.

Figure 4

Fig. 5. Various properties of the ice sheet at SGF are shown as a function of depth:(a)mean crystal size in the core;(b)mean bubble elongation;(c)relative oxygen-isotope concentrations, from Budd and Morgan (1977);(d)enhancement factor from shear experiments;(e)fabric strength measured as median ø(½), and first quartile ø(¼), vertically;(f)bore-hole temperature profile (solid line) with extrapolation to pressure melting at the base (dashed line).

Figure 5

Fig. 6. The enhancement factor obtained for the ice-core strain-rates in horizontal shear relative to that of the randomly oriented ice is shown as a function of the first quartile of verticality as measured from the orientation fabrics. For isotropic ice the first quartile would be 41. 4°. Actual values between 43° and 36° were obtained for the laboratory ice (O and + ). The dots are for measurements on the same sample whereas the stars are for interpolated neighbouring values.

Figure 6

Fig. 7. aHorizontal shear-rote as a function of depth :(i)measured shear in bore hole;(ii)extrapolation to the bed;(iii)shear-rates for isotropic ice;(iv)shear-rates for core ice.bHorizontal velocity profile with depth: full line–as measured in bore hole; dashed lines–possible extrapolations with depth.