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Radio-Echo Sounding: Reflections From Internal Layers In Ice Sheets*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

John W. Clough*
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, University of Wisconsin, Lewis G. Weeks Hall, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
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Abstract

The origin and nature of radio-echo internal reflections is the subject of much debate. Calculations of single- and multiple-layer reflection coefficients for dielectric changes in the ice sheet indicate that the observed reflection strength may result from reflections from many thin layers but the zone of thin layers may best be approximated by replacing the zone with a single thicker layer with average dielectric properties. Calculation of reflections from density changes, dust and dirt bands and anisotropy of ϵ indicate density variations as the most likely cause of the internal layering in the uppermost kilometer of ice sheets. Comparison of the depth of internal reflections at “Byrd” station, Antarctica, with the physical properties of the ice measured in a deep core hole at that location support this conclusion.

Résumé

Résumé

L’origine et la nature des réflexions internes de l’écho radio sont le sujet de nombreux débats. Les calculs de coefficients de réflexion d’un niveau unique ou de niveaux multiples de changement diélectriques dans la calotte glaciaire montrent que l’intensité des réflexions observées peut résulter de réflexions sur un grand nombre de couches minces mais que la zone de ces couches minces peut être simulée au mieux en remplacant cette zone par un seul niveau plus épais avec des propriétés diélectriques moyennes. Le calcul des réflexions provenant des changements de densité, de lits de poussière nu de boue et d’anisoiropie de ϵ indique que les variations de densité sont la cause la plus probable de la stratification interne dans le kilomètre supérieur des calottes glaciaires. La comparaison de la profondeur des réflexions internes à la Station “Byrd” dans l’Antarctique avec les propriétés physiques de la glace mesurée par un carottage profond dans les mêmes parages confirme ces conclusions.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der Ursprung und Charakter inneren Reflexionen beim Radar-Echo wird häufig diskutiert. Berechnungen der Reflexionskoeffizienten für dielektrische Schwankungen in der Eisdecke bei einfacher und mehrfacher Schichtung zeigen, dass die beobachtete Reflexionsstärke durch Reflexionen an vielen dünnen Schichten erzeugt werden kann, dass aber die Zone dünner Schichten am besten durch Ersatz der Zone mit einer einzelnen dickeren Schicht von mittleren dielektrischen Eigenschaften anzunähern ist. Die Berechnung der Reflexion an Dichtesprüngen, Staub- und Schmutzbändern und die Anisotropie von ϵ erweisen Dichteschwankungen als die wahrscheinlichste Ursache für die innere Schichtung in dem obersten Kilometer von Eisdecken. Ein Vergleich zwischen der Tiefe innerer Reflexionen an der “Byrd” Station, Antarktika, milden physikalischen Eigenschaften des Eises, gemessen in einem tiefen Bohrloch an dieser Stelle, stützt diesen Schluss.

Information

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

Fig. 1. The magnitude of the reflection coefficient for a single layer and uniform multiple layers plotted as a function of layer thickness with Δ n = 0.01. For uniform multiple layers the thickness and spacing = 0.01λ The total thickness represents the distance from the top of the first layer to the. bottom of the last layer in an increasingly thick zone of layers.

Figure 1

Fig. 2. The reflection coefficient for thin layers with variable thickness and spacing ≪.λ The variation in the average value (dashed line) is due to the random variation in thickness and spacing between 0.1 and 10 cm. The rapid oscillations arise from the multiples of λ/4 for the total zonal thickness. Pw/2 = 20 m.

Figure 2

Fig. 3. Reflection coefficients for layers with thickness and spacing uniformly distributed about 3 cm with a standard deviation of 1 cm.

Figure 3

Fig. 4. Comparison of reflector depth (thin horizontal lines) with physical properties of the ice at “Byrd” station, Antarctica. The first column shows measured density variations (Δ p) (from A. J. Gow, personal communication in in(1968). The open triangles have values of 0.003 or less (R p < —80 dB). Column two shows the distribution of dust bands (solid line) and ash bands (heavy line segments) (from Cow and Williamson, 1971). Variations in seismic velocity (Bentley, 1972) are indicated in column three. The depth of the reflector at c. 1 300 m was picked with less precision from a flight profile of Robin and others (1970).