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The Relationship of Ultrasonic Velocities to c-axis Fabrics and Relaxation Characteristics of Ice Cores from Byrd Station, Antarctica

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

A. J. Gow
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
H. Kohnen
Affiliation:
Institut für Geophysik, Gievenbecker Weg 61, 44 Münster/Westf., West Germany
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Deep cores from Byrd Station were used to calibrate an ultrasonic technique of evaluating crystal anisotropy in the Antarctic ice sheet. Velocities measured parallel (V p ↓) and perpendicular (V p →) to the vertical axis of the cores yielded data in excellent agreement with the observed c-axis fabric profile and with the in-situ P-wave velocity profile measured parallel to the bore-hole axis by Bentley. Velocity differences ΔV (ΔV = V p ↓ – V p→) in excess of 140 m s−1 for cores from below 1300 m attest to the tight clustering of c-axes of crystals about the vertical, especially in the zone 1 300-1800 m. A small but significant decline in V p ↓ with ageing of the core, as deduced from Bentley’s down-hole data, is attributed to the formation of oriented cracks that occur in the ice cores as they relax from environmental stresses. This investigation of cores from the 2164 m thick ice sheet at Byrd Station establishes the ultrasonic technique as a viable method of monitoring relaxation characteristics of drilled cores and for determining the gross trends of c-axis orientation in ice sheets. The Byrd Station data, in conjunction with Barkov’s investigation of deep cores from Vostok, East Antarctica, also indicate that crystal anisotropy in the Antarctic ice sheet is dominated by a clustering of c-axes about a vertical symmetry axis.

Résumé

Résumé

On a utilisé des carottes de glace profonde issues de la station Byrd pour essayer une technique ultra-sonique d’estimation de l’anisotropie des cristaux dans la calotte glaciaire antarctique. Les vitesses mesurées paralléles (V p ↓) et perpendiculaires (V p→) à l’axe vertical des carottes ont donné des résultats en excellent accord avec les profils de disposition cristalline des c-axes et avec le profil de vitesse in situ des ondes P mesuré parallélement à l’axe du trou de forage par Bentley. Des différences de vitesses ΔV (Δ V = V p ↓ — V p→) dépassant 140 m s−1 pour des échantillons provenant d’en dessous de 1300 m confirment le groupement serré des axes-c des cristaux autour de la verticalc, spécialement dans la zone des 1 300-1800 m. Une légére mais significative diminution de V p ↓ avec l’âge de l’échantillon, déduite des résultats de forages de Bentley est attribuée à la formation de fissures orientées dans les échantillons de glace lorsqu’elles échappent aux contraintes de leur milieu d’origine. Cette exploration de carottes provenant d’une calotte de 2164 m d’épaisseur à la station Byrd montre que la technique des ultra-sons est une méthode convenable pour repérer les caractéristiques de la relaxation des carottes de forage et pour déterminer les tendances principales de l’orientation des axes-c dans les calottes glaciaires. Les résultats obtenus à la station Byrd, comparés avec les recherches de Barkov sur des carottes profondes provenant de Vostok, Est Antarctique, indiquent également que l’anisotropie dans la structure de la glace de la calotte antarctique est diminuée par un regroupement des axes-c autour d’un axe de symétrie vertical.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für die Kalibricrung einer Ultraschalltechnik zur Feststellung der Kristall-Anisotropie im antarktischen Eisschild wurden tiefreichende Bohrkerne von der Byrd-Station herangezogen. Geschwindigkeitsmessungen parallel (V p ↓) und senkrecht (V p →) zur Längsachse der Kerne lieferten Daten, die ausgezeichnet mit dem beobachteten Profil des c-Achsen-Gefüges und mit dem Profil der Geschwindigkeit der P-Welle, in situ parallel zur Bohrlochachse gemessen von Bentley, überein-stimmen. Geschwindigkeitsunterschiede ΔV (ΔV = V p ↓ — V p ↓) von mehr als 140 m s−1 für Kerne aus einer Tiefe über 1300 m bestätigen die dichte Häufung der c-Achsen der Kristalle um das Lot, besonders in der Zone von 1300 m bis 1800 m. Eine kleine aber signifikante Abnahme von V p ↓ mit der Alterung des Kerns, wie sie gegenüber Bentley’s Bohrlochdaten festzustellen ist, wird der Bildung orientierter Risse zugeschrieben, die in den Eiskernen bei der Entspannung vom Umgebungsdruck auftreten. Diese Unter-suchung von Kernen aus dem 2164 m dicken Eisschild an der Byrd-Station erweist die Ultraschalltechnik als gangbare Methode zur Ermittlung der Relaxationscharakteristiken von Bohrkernen und zur Bestimmung der überschlägigen Tendenz der c-Achsen-Orientierung in Eisschilden. Die Daten an der Byrd-Station zeigen, zusammen mit Barkov’s Untersuchung tiefreichender Bohrkerne von Vostok, Ost-Antarktis, ausserdem, dass Kristall-Anisotropie im antarktischen Eisschild in erster Linie auf eine Häufung der c-Achsen um eine vertikale Symmetrieachse zurückzuführen ist.

Information

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

Fig. 1.Fig. 1 (left), c-axis fabrics, Byrd Station, Antarctica. Data from horizontal core sections. Contour range from ½% to 5% per 1% area for fabrics near top of the ice column to 25% per 1% area in deep ice fabrics. Symbols a-g are keyed to Figure 3.

Figure 1

Fig. 2.Axial (Vp t) and diametral (Vp→) ultrasonic P-wave-velocity profiles for ice coresfrom Byrd Station deep drill hole. Bentley (1972) velocity profile was obtained from measurements along bore-hole axis. Note that Vp t is parallel to the bore-hole axis.

Figure 2

Fig. 3.Relationship of velocity difference (∆V) and fabric parameter (α) versus ice depth at Byrd Station. See text for explanation of a—g Symbols a-g refer to locations of c-axis fabric plots shown in Figure 1.