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Seismic Refraction and Reflection Measurements at “Byrd” Station, Antarctica*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Heinz Kohnen
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin, Middleton, Wisconsin 53562, U.S.A.
Charles R. Bentley
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin, Middleton, Wisconsin 53562, U.S.A.
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Abstract

Seismic refraction and reflection shooting was carried out along three profiles about 10 km long, angled 60° to one another, near “Byrd” station, Antarctica, during the 1970–71 field season. No dependence of velocity upon azimuth was found, but velocities at 200 or 300 m depth were slightly greater than at a site 30 km away where measurements were made in 1958. The difference can probably be attributed to different ice fabrics arising from a 50% difference in snow accumulation rates at the two sites. The velocity depth and density–velocity functions at the two sites are also significantly different, but close agreement was found at each site between the depths to significant changes in the velocity gradient and the depths of fundamental change in the densification process. Such agreement may permit density–depth curves, and consequently accumulation rates, to be measured by seismic refraction shooting alone.

The reflection shooting on a common reflection-point profile led to a good determination of mean velocity through the ice as a function of angle of incidence. The results agree closely with similar measurements at the 1958 site, and with an anisotropic model based on glaciological and sonic logging observations in the deep drill hole. The mean vertical velocity of 3.90–3.93 km/s through the solid ice is about 2% higher than has commonly been used for determinations of ice thickness from seismic reflection shooting.

Résumé

Résumé

Des tirs pour mesures sismiques par réfraction et réflexion ont été pratiqués le long de trois profils d’environ 10 km de long faisont un angle de 60° l’un avec l’autre, près de la station de “Byrd” dans l’Antarctique, pendant la campagne 1970–71. On n’a pas trouvé de relation entre la vitesse et l’orientation, mais les vitesses à 200 ou 300 m de profondeur étaient légèrement plus grandes qu’en un site distant de 30 km où des mesures avaient été faites en 1958. La différence peut probablement être attribuée à une différence dans la formation de la glace résultant d’une différence de 50% dans les vitesses d’accumulation de la neige dans les deux sites. Les fonctions vitesse-profondeur et densité-vitesse aux deux endroits sont significativement différentes, mais une bonne correspondance a été trouvée dans les deux sites entre les profondeurs où se produisent des changements significatifs du gradient de vitesse, et les profondeurs où il y a changement fondamental dans les processus de densification. Une telle correspondance peut permettre de mesurer par la seule méthode des tirs sismiques à la réfraction, les courbes densité-profondeur, et, par conséquent, la vitesse d’accumulation.

Les tirs à la réflexion sur un profil commun de point de réflexion, conduisent à une bonne détermination de la vitesse moyenne à travers la glace, en fonction de l’angle d’incidence. Les résultats concordent bien avec des mesures similaires sur le site de 1958, et avec un modèle anisotropique basé sur des observations glaciologiques et par sondages ioniques dans un forage profond. La vitesse moyenne verticale de 3,90 à 3,93 km/s à travers la glace solide est d’environ 2% supérieure à celle communément utilisée pour les déterminations d’épaisseur de glace à partir de tirs sismiques à la réflexion.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Während der Sommersaison 1970–71 wurden refraktions- und reflexionsseismische Untersuchungen auf drei Profilen nahe der “Byrd” Station in der Antarktis durchgeführt. Die Profile waren etwa 10 km lang und unter 60° zu einander orientiert. Die seismischen Geswindigkeitcn zeigten keine Abhängigkeit vom Azimuth, waren jedoch in 200–300 m Tiefe geringfügig höher als in entsprechender Tiefe auf einem etwa 30 km entfernten Profil, wo 1958 seismische Messungen durchgeführt wurden. Dieser Unterschied kann wahrscheinlich auf geringfügige Verschiedenheiten im Kristallgefüge zurückgeführt werden, die möglicherweise durch den Unterschied von 50% in der Akkumulationsrate an den beiden Stationen verursacht sind. Die Geschwindigkeits-Tiefen- und die Geschwindigkeits-Dichte-Funktionen an beiden Stationen sind ebenfalls signifikant voneinander verschieden. Gute Übereinstimmung wurde jedoch jeweils zwischen den Tiefen markanter Änderungen im Geschwindigkeitsgradienten und den Tiefen bedeutender Änderungen im Verdichtungsvorgang gefunden. Diese Übereinstimmung mag die Bestimmung des Dichte-Tiefenverlaufs und damit der Akkumulationsrate allein aus refraktionsseismischen Messungen erlauben.

Die Reflexionsuntersuchungen auf einem “Common-Reflection-Point”-Profil führten zü einer züverlälligen Bestimmüng der Durchschnittsgeschwindigkeiten im Eis als Funktion des Einfallswinkels. Die Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit ähnlichen Messungen an der Station von 1958 und einem Anisotropiemodell, abgeleitet aüs glaziologischen Messungen und dem Sonic Log in der Tiefbohrung. Die mittlere Vertikal-Geschwindigkeit von 3,90–3,93 km/s durch das Eis ist ungefähr 2% höher als die Geschwindigkeiten, die gewöhnlich für die Tiefenberechnungen aus Reflexionsuntersuchungen herangezogen werden.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1973
Figure 0

Fig. 1. P-wave and S-wave cross-spread velocities versus distance, new “Byrd”.

Figure 1

Table I. Seismic Velocities at New and Old “Byrd” Stations. For Old “Byrd” (Vs)max is from Bentley (1971), and (Vp)max from Data in Bentley (1972).(Vp)Max Differs Slightly from the Regression Line Fit in the Latter Reference Because of the Limited Distance Range Used Here

Figure 2

Fig. 2. P-wave and S-wave velocity versus distance, new “Byrd”—detail of first kilometer. Velocities are from integration of the travel–time curves.

Figure 3

Fig. 3. P-wave and S-wave velocities and densities versus depth.

Figure 4

Fig. 4. Velocity gradient (dVp/dz) and density gradient (dρ/dz) versus depth.

Figure 5

Table II. Parameters of the Velocity–Depth Function Vp(Z). The Standard Deviations in B Refer to Depths Z = 30 M and Z = 100 M for the Upper and Lower Sections, Respectively, I.E. to Depths Located Centrally Within the Ranges of Applicability of Equation (1), Rather Than to Z = 0

Figure 6

Fig. 5. Densities versus P-wave velocity, linear plot.

Figure 7

Fig. 6. Densities less than 0.5 Mg/m3 versus P-wave velocities, semi-log plot.

Figure 8

Fig. 7 . Young’s modulus, E, the shear modulus, μ, and Poisson’s ratio, σ, versus depth.

Figure 9

Fig. 8. T2X2 plot of wide-angle reflections.

Figure 10

Fig. 9. Average velocity Vp versus angle of incidence ip.