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Investigation of Bottom Mass-Balance Rates by Electrical Resistivity Soundings on the Ross Ice Shelf, Antarctica*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Sion Shabtaie
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin—Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
Charles R. Bentley
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin—Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Electrical resistivity sounding, using the four-electrode Schlumberger array, has been carried out at 11 locations on the Ross Ice Shelf. The apparent resistivity curves generally show four characteristic zones. The first, at distances from 1 to 10 m, reflects the near-surface zone of seasonal temperature changes and inhomogeneities. The second zone, from 10 m to 100 m, reflects primarily the increasing density with depth in the upper 50 m of the ice shelf, modified, in some locations, by temperature variations. The third zone, from 100 m to a distance roughly equal to the ice thickness, is affected principally by the temperature gradient in the solid ice. In the fourth zone, at distances greater than approximately twice the ice thickness, the apparent resistivity usually decreases rapidly with distance, owing to the highly conductive sea-water beneath the ice shelf. At some stations associated with ice streams and outlet glaciers, however, an increase at large spacings indicates much more resistive basal ice.

Using data from seven locations on the grid eastern half of the shelf that do not show obvious evidence of a basal resistive zone, including temperatures to 100 m at two of the sites, the mass-balance rate at the bottom of the ice is estimated to be within a few tenths of a meter per year of zero at distances between 90 and 530 km from the ice front, assuming steady-state condition over most of the ice shelf. However, the assumption of steady-state is questionable at locations close to outlet glaciers, and must be treated with great caution. The temperature measurements at the two sites, along with previously observed temperatures at the RISP drill site, make it possible to estimate the activation energy in the solid ice. The models fitted to the observed values suggest an “apparent” activation energy in the solid ice closer to 0.15 eV (14 kJ mol−1) than to 0.25 eV (24 kJ mol−1). This difference is believed to be due to a decrease in the ionic impurity content with increasing depth in the ice by a factor of two or more.

Résumé

Résumé

Des sondages de résistivité électrique ont été effectués en 11 endroits du Ross Ice Shelf à l’aide d’un capteur Schlumberger à quatre électrodes. Les courbes de résistivité apparente présentent généralement quatre zones caractéristiques. La première à une distance de 1 à 10 m correspond à la zone superficielle de variation saisonnière de température et d’inhomogénéité. La seconde zone, de 10 à 100 m, correspond d’abord à la densité croissante avec la profondeur dans les 50 m supérieurs de la couverture de glace, modifiée, en quelques points, par des variations de température. La troisième zone, de 100 m à une distance sensiblement équivalente à l’épaisseur de la glace est surtout affectée par le gradient de température dans la glace solide. Dans la quatrième zone, à des distances supérieures à environ le double de l’épaisseur de la glace, la résistivité apparente décroît d’ordinaire rapidement avec la distance, en raison de la haute conductivité de l’eau de mer sous la glace. Dans quelques stations où existent des courants de glace et des langues glaciaires, cependant, un accroissement de résistivité à de grandes distances traduit la résistivité beaucoup plus fort de la glace basale.

En utilisant les données de sept points de forage sur la moitié Est du réseau sur la couverture de glace qui ne semble pas posséder de zone basale à forte résistivité, y compris les températures jusqu’à 100 m, en deux de ces points on a estimé le bilan de masse de la glace de fond à quelques dixièmes de mètres par an à des distances de zéro à 90 et 530 km du front de glace, dans l’hypothèse de conditions d’équilibre sur la plus grande partie de la calotte. Cependant, l’hypothèse d’un état d’équilibre pose des questions à proximité des embouchures des glaciers et doit être traitée avec de grandes précautions. Les mesures de température sur les deux sites, associées avec les observations passées de la température au forage RISP rendent possible l’estimation de l’énergie d’activation dans la glace solide. Les modèles ajustés sur les valeurs observées conduisent à une énergie “apparente” d’activation dans la glace solide plus proche de 0,15 eV (14 kJ mol−1) que de 0,25 eV (24 kJ mol−1). Cette différence est due, croit-on, à une diminution de la teneur en impuretés ioniques quand augmente la profondeur dans la glace par un facteur deux ou plus.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

An 11 Stellen des Ross Ice Shelf wurden elektrische Widerstandsmessungen mit der 4-Elektroden-Auslage nach Schlumberger vorgenommen. Die Kurven des scheinbaren Widerstandes zeigen im allgemeinen vier charakteristische Zonen an. Die erste zwischen 1 m und 10 m spiegelt die oberflächennahe Zone mit jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und Inhomogenitäten wider. Die zweite Zone zwischen 10 m und 100 m ist vor allem durch die Zunahme der Dichte mit der Tiefe in den oberen 50 m des Schelfeises gekennzeichnet, an einzelnen Stellen allerdings durch Temperaturschwankungen modifiziert. Die dritte Zone von 100 m bis etwa zur vollen Eisdicke ist im wesentlichen durch den Temperaturgradienten im festen Eis beeinflusst. In der vierten Zone, bei Entfernungen von mehr als etwa der zweifachen Eisdicke nimmt der scheinbare Widerstand gewöhnlich schenll mit der Entfernung ab, eine Folge der, stark leitfähigen Meerwassers unter dem Schelfeis. An einigen Stationen, die mit Eisstrӧmen und Ausflussgletschen in Verbindung stehen, deutet jedoch die Zunahme bei grossen Auslagen auf eine untere Eissicht mit weit höheren Widerstand hin.

Mit Hilfe von Daten an sieben Stellen auf der östlichen Hälfte des Schelfeises, die keine deutlichen Anzeichen erhöhten Widerstandes in der Tiefe zeigen, einschliesslich Temperaturen bis 100 m Tiefe an zwei der Stellen, wird die Massenbilanzrate an der Unterseite des Eises auf einige Dezimeter pro Jahr für Distanzen zwischen 90 und 530 km von der Eisfront abgeschätzt; dabei wird für den Grossteil des Schelfeises ein stationärer Zustand angenommen. Diese Annahme erscheint jedoch zumindest an Stellen nahe den Ausflussgletschern fragwürdig und muss mit Vorsicht behandelt werden. Die Temperaturmessungen an den beiden Stellen ermöglichen zusammen mit früher an der RISP-Bohrstelle beobachteten Temperaturen eine Abschätzung der Aktivationsenergie im festen Eis. Die den beobachteten Werten angepassten Modelle deuten darauf hin, dass die “effektive” Aktivationsenergie im festen Eis wesentlich näher bei 0,15 ev (14 kJ mol–1) als bei 0,25 eV (24 kJ mol–1) liegt. Es wird angenommen, dass diese Differenz durch die Abnahme des Gehalts an Ionen-Verunreinigungen mit zunehmender Eistiefe um einen Faktor von zwei oder mehr verursacht wird.

Information

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

Fig. 1.Map of the Ross Ice Shelf, showing the locations and orientations of the resistivity profiles (). Solid arrows indicate measured flow directions (Swithinbank, 1963; Dorrer and others, 1969; Thomas, 1976). Dashed arrows show inferred flow directions (Robin, 1975; Bentley and others, 1979). Grid North is towards the top of the figure.

Figure 1

Fig. 2.Sample plots of observed potential difference V versus current I at C-16. × and (first quadrant) denote current flow in the “positive” direction; × indicates one reading and two or more readings plotted at the same point on the graph. Dots (single readings) and circles (multiple readings) denote current flow in the negative direction (plotted in the third quadrant). Superscripts +, —, and ± on the symbol Ω denote slopes determined from first-quadrant data only, third-quadrant data only, and the average of the two , respectively. The subscript 0 indicates that the regression line was forced through the origin. The solid lines indicate regression lines with slopes as shown. The dashed lines are the extension of the Ω0– and the Ω0+ lines into the first and third quadrants, respectively, a (upper) is for a ═ 100 m, b ═ 20 m; b (lower) is for a ═ 900 m, b ═ 140 m.

Figure 2

Fig. 3.Electrical resistivity sounding curves obtained on the Ross Ice Shelf. Some of the curves are identified by station of observation (R.I., H-13, etc.). Each curve was fitted to the observed data by hand for illustration purposes.

Figure 3

Table 1.Summary ofRIGGSresistivity stations, and parameters used tocalculate the best model fit to the data for each station

Figure 4

Fig. 4.Plot of apparent resistivities for both profiles at station Q-13. The height of each symbol represents the standard deviation calculated from linear fits to plots like those in Figure 2. The solid curves are the calculated models described in the text, with E and H as shown.

Figure 5

Fig. 5.Calculated temperature-depth curves for station Q-13 corresponding to models shown in Figure 4. Solid dots indicate temperatures measured in the 100 m core hole at Q-13.

Figure 6

Fig. 6.Plot of apparent resistivity at station O-11. Solid curves are calculated models with parameters as shown.

Figure 7

Fig. 7.Plot of apparent resistivity at station M-14. Solid curves are calculated models with parameters as shown.

Figure 8

Fig. 8.Apparent resistivity data from station C-16. Apparent resistivities for each profile were obtained using the Ω0± values (see Fig. 2), and then combined as discussed in the text. Solid curves are calculated models with parameters as shown. The ρa points shown with light bars at separations of 900 m and 1000 m come from only one of the two profiles at C-16.

Figure 9

Fig. 9.Calculated temperature–depth curves for station C-16 corresponding to models shown in Figure 8. Solid dots indicate temperatures measured in the 100 m core hole at C-16.

Figure 10

Fig. 10.Apparent resistivity data from station C-16. This figure is the same as Figure 8 except that apparent resistivities for each profile were obtained using the Ω+values (see Fig. 2). The ρa points shown with light barsat separations of 800 m and 900 m come from only one of the two profiles at C-16.

Figure 11

Fig. 11.Plot of apparent resistivity at station O-19. Solid curves are calculated models with parameters c.s shown.

Figure 12

Fig. 12.An intensity-modulated continuous profile, carried out at M-14 using 35 MHz radar (antenna separation 30 m, attenuation 0 dB). 1 μs in travel time corresponds to about 85 m in ice thickness. The scale of distance along the profile is slightly non-linear. The weak, irregular reflection above the ice-water interface suggests possible saline ice at the bottom of the ice shelf.