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Isotopic Fractionation at the Base of Polar and Sub-Polar Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

G.S. Boulton
Affiliation:
School of Environmental Sciences, University of East Anglia, Norwich NR4 7TJ, England, and Fysisch Geografisch en Bodemkundig Laboratorium, University of Amsterdam, Amsterdam, Holland
U. Spring
Affiliation:
Electrowatt, CH-8022 Zürich, Switzerland
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

The melting of ice and the subsequent production of regelation ice from the melt water in a large-scale closed system beneath sub-polar and polar glaciers produces progressive fractionation between the melt water and the regelation ice derived from it. A theory is developed which predicts the change of isotopic composition in regelation ice in a subglacial zone of freezing and in the water from which it is derived. The theory is tested against data from the Byrd Station bore hole in West Antarctica, and applied to explain features of the isotopic composition in several other glaciers where thick sequences of regelation ice have formed.

The principal conclusions are:

1. Basal isotopic profiles can be used to reconstruct important features of a glacier’s hydrological system.

2. Isotopic profiles in basal regelation ice do not simply reflect isotopic characteristics of ancient atmospheres but also, by using the theory, some of the isotopic characteristics of the normal glacier ice which was destroyed by melting and subsequently produced regelation ice can be reconstructed. Basal regelation ice at Byrd Station reflects an original ice source isotopically colder than the overlying normal ice, and may have formed during the penultimate glacial period, equivalent to stage 6 of the oceanic record.

3. The subglacially derived debris typically found in basal regelation ice gives a complex strain response to a changing pattern of stresses produced by flow over an irregular subjacent bed. Thus, complex tectonic structures in this ice produce highly variable isotopic profiles. However, its gross isotopic characteristics can still be used to reconstruct some of its history. A sharp change in isotopic values tends to occur at the upper limit of basal regelation ice, the nature of which depends on the style and thickness of tectonic disturbance.

4. Isotopic profiles in basal ice can be used to distinguish normal glacier ice from regelation ice, and give strong support to the view that regelation is the major process by which debris is incorporated into the base of a glacier.

Résumé

Résumé

L’alternance de fonte et regel à grande échelle à la base de glaciers polaires et sub-polaires produit un fractionnement progressif entre l’eau de fusion et la glace regelée qui suit. Une théorie est développée pour prévoir le changement de la composition isotopique lors du regel dans une zone sous glaciaire. La théorie est testée sur les données du forage Byrd, Antarctique de l’ouest, et appliquée pour expliquer des caractéristiques de la composition isotopique dans plusieurs autres glaciers où d’épaisses séquences de glace de regel se sont formées.

Les conclusions principales sont:

1. Des profils isotopiques à la base peuvent être utilisés pour reconstituer les caractéristiques importantes d’un système hydrologique glaciaire.

2. Des profils isotopiques sur des glaces de regel à la base ne reflètent pas de façon simple les caractéristiques des atmosphères passées mais, à l’aide de la théorie, une partie des carctéristiques isotopiques de la glace normale avant destruction par fonte et regel peut être reconstituée. La glace formée par regel à la base à la station Byrd reflète une origine particulière plus froide que la glace normale qui la recouvre et peut avoir été formée au cours de l’avant dernière période glaciaire, correspondant au stade 6 de l’enregistrement océanique.

3. Les débris sous-glaciaires typiques trouvés dans la glace de regel produisent une réponse complexe en déformation à un état de contrainte produit par l’écoulement sur un lit irrégulier. C’est pourquoi les structures tectoniques complexes de cette glace conduisent à des profils isotopiques hautement variables. Néanmoins ses caractéristiques globales peuvent encore être utilisées pour reconstituer une partie de son histoire. Un changement brusque des valeurs isotopiques se produit à la limite supérieure de la glace basale de regel, dont la nature dépend du genre et de l’épaisseur de la perturbation tectonique.

4. Des profils isotopiques de glace basale peuvent être utilisés pour distinguer la glace normale de celle de regel et apporter un support solide au point de vue selon lequel le regel est la mode majeur d’incorporation de débris à la base d’un glacier.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Schmelzen von Eis und das darauffolgende Wiedergefrieren des Schmelzwassers in einem grossräumigen, geschlossenen System unter subpolaren und polaren Gletschern erzeugt eine fortschreitende Fraktionierung zwischen dem Schmelzwasser und dem daraus wiedergefrorenen Eis. Es wird eine Theorie aufgestellt, die den Wandel der Isotopenzusammensetzung des wiedergefrorenen Eises in einer subglazialen Gefrierzone und des davon herstammenden Wassers vorhersagt. Die Theorie wird mit Daten aus dem Bohrloch der Byrd-Station in West-Antarktika geprüft und zur Erklärung von Erscheinungen in der Isotopenzusammensetzung bei einigen anderen Gletschern mit dicken Lagen wiedergefrorenen Eises herangezogen.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind:

1. Isotopenprofile am Untergrund können zur Rekonstruktion wichtiger Erscheinungen im hydrologischen System eines Gletschers benutzt werden.

2. Isotopenprofile in wiedergefrorenem Eis am Untergrund spiegeln nicht einfach die Isotopencharakteristiken früherer Atmosphären wider; aus der Theorie folgt vielmehr, dass einige der Isotopencharakteristiken des normalen Gletschereises, das durch Schmelzen aufgelöst wurde und sich in der Folge zu wiedergefrorenem Eis umwandelte, rekonstruiert werden können. Wieder-gefrorenes Eis am Untergrund der Byrd-Station spiegelt eine ursprüngliche Eisquelle wider, die isotopisch kälter als das darüberliegende normale Eis ist und sich während der vorletzten Vereisungsperiode, entsprechend dem Stadium 6 der ozeanischen Reihe, gebildet haben mag.

3. Der vom Untergrund stammende Schutt, der für wiedergefrorenes Eis typisch ist, reagiert mit komplexen Deformationen auf ein wechselndes Spannungsfeld, das durch den Fluss über ein unregelmässiges Gletscherbett erzeugt wird. Deshalb haben komplexe tektonische Strukturen in diesem Eis ausserordentlich vielfältige Isotopenprofile zur Folge. Doch können die Isotopencharakteristiken dieses Eises im grossen immer noch teilweise zur Rekonstruktion seiner Vorgeschichte herangezogen werden. Häufig tritt ein scharfer Sprung in den Isotopen-werten an der Obergrenze des wiedergefrorenen Eises am Untergrund auf, dessen Natur von der Art und Dicke der tektonischen Störungen abhängt.

4. Höhenprofile im Eis am Untergrund können zur Unterscheidung zwisçhen normalem Gletschereis und wiedergefrorenem Eis dienen; sie sind ein starker Rückhalt für die Ansicht, dass Regelation der Hauptprozess bei der Aufnahme von Schutt am Untergrund eines Gletschers ist.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1986
Figure 0

Fig. 1 An idealized ice sheet showing a complete sequence of possible basal mass-balance (melting or freezing-on) states. Beneath a given glacier we might find zones AB or BC Only, or AB‒BC, AB‒CD, BC‒CD, BC‒DE, or a repetitive sequence if the bed is highly irregular (see Fig. 4).

Figure 1

Fig. 2 Progressive fractionation of δ18O and δD in subglacial water (Rx) and the overlying ice formed from it (Rice) when an initial subglacial water discharge (Q0) of isotopic composition (R0) from a zone of melting (Fig. 1, BC) is progressively frozen to the glacier sole in the succeeding zone (Fig. 1, CD) so that subglacial discharge (Qx⁄Q0) diminishes.

Figure 2

Fig. 3 Oxygen-isotope profile of the core taken from the Byrd Station bore hole, West Antarctica (data from Gow and others (1979), and Epstein and others (1970)). (a) Isotopic composition of basal ice.(b) Isotopic composition for the whole depth of the ice sheet. (c) Isotopic composition against time, and with a correlation with the deep ocean isotopic stages. The ice deposited during stage 6 and part of stage 5e, the penultimate glacial and last interglacial stages, is suggested to have been destroyed by melting and re-formed as regelation ice.

Figure 3

Fig. 4 A vertical section along a transect through Byrd Station, West Antarctica, showing patterns of basal melting, water flow, and regelation based on the modelling by Budd and others (1970). (a) Flow lines along the transect and the location of the Byrd Station bore hole. (b) The sequence of zones of melting, freezing-on, and frozen zones, and the rates of melting and freezing. (c) Water discharges in zones of melting and freezing-on. (d) Flow lines in relation to the bed. Flow lines descend to the bed in zones of melting (basal ablation) and rise from it in zones of freezing-on (basal accumulation). Regelation ice is stippled.

Figure 4

Fig. 5 Predicted oxygen-isotope fractionation patterns in freezing-on zone c along the Byrd Station transect. (a) Reduction in subglacial water discharge. (b) Progressive oxygen-isotope fractionation in newly formed regelation ice and the remaining subglacial water discharge. (c) The build-up of basal regelation ice. (d) Predicted deviation of δ18O values from the values in parent ice in vertical profiles in basal regelation ice and relative values in subglacial water at different points along the transect (340, 360, 380, and 395 km). This assumes a simple laminar pattern of basal ice flow.

Figure 5

Fig. 6 The effect of complex patterns of basal flow on isotopic profiles. (b)‒(d) show observed patterns of folding and faulting, often beneath a planar décollement surface, and the changes they might produce in an originally simple isotopic pattern. (a) Isotopic pattern in basal regelation ice in which simple laminar flow has occurred (cf. Fig. 5d). (b) Pattern of basal folding beneath a sharp décollement in SØrbreen, Spitsbergen. (c) Basal folding and faulting in Aavatsmarkbreen, Spitsbergen. (d) Multiple folding in the basal ice of Lower Wright Glacier, Antarctica. Numbers identify different folded strata. The effect of this folding on an assumed initial isotopic profile such as that in (a) is shown. The direction of displacement of the isotopic profile at the top of regelation ice (shaded) depends on whether the top of the regelation ice coincides with the décollement (position R1), or whether it lies above the décollement (position R2). Vertical dashed lines show the positions of hypothetical isotopic profiles in the folded ice.

Figure 6

Fig. 7 Basal isotopic profiles from Camp Century and Dye 3 on the Greenland ice sheet (from Dansgaard and others 1982; the basal value at Camp Century is a personal communication from Dansgaard, 1982). Horizontal dashed lines show the upper limit of basally derived debris.

Figure 7

Fig. 8 Isotopic profiles in the basal part of Matanuska Glacier (from Lawson and Kulla, 1978). The data from the few transects reported by them are related to datum points at the boundary of diffused and dispersed ice facies, and the top of the stratified ice facies (debris-rich regelation ice).

Figure 8

Fig. 9 a and b. Postulated zones of melting and refreezing produced when crevasses allow melt water to penetrate to the bed of otherwise cold glaciers.