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Chemical Fractionation of Brine in the McMurdo Ice Shelf, Antarctica

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

James H. Cragin
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
Anthony J. Gow
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
Austin Kovacs
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

During the austral summers of 1976–77 and 1978–79, several ice cores were taken from the McMurdo Ice Shelf brine zone to investigate its thermal, physical, and chemical properties. This brine zone consists of a series of superimposed brine layers (waves) that originate at the seaward edge of the ice shelf and migrate at various rates, depending on their age and position in the ice shelf. The brine in these layers becomes increasingly concentrated as the waves migrate inland through the permeable ice-shelf firn. Chemical analyses of brine samples from the youngest (uppermost) brine wave show that, except for the advancing front, it contains sea salts in normal sea-water proportions. Further inland, deeper and older brine layers, though highly saline (S > 200°/00), are severely depleted in SO4 2-, with the SO4 2-/Na+ ratio being an order of magnitude less than that of normal sea-water. Consideration of the solubility of alternative salts, together with analyses of Na+, K+, Ca2+, Mg2+, SO4 2-, and Cl- concentrations, shows that the sulfate depletion is probably due to selective precipitation of mirabilite, Na2SO4·10H2O. The location of the inland boundary of brine penetration is closely related to the depth at which the brine encounters the firn/ice transition. However, a small but measureable migration of brine is still occurring in otherwise impermeable ice; this is attributed to eutectic dissolution of the ice by concentrated brine as it moves into deeper and warmer parts of the McMurdo Ice Shelf.

Résumé

Résumé

Au cours des étés austraux 1976–77 et 1978–79 plusieurs carottes ont été extraites de la zone de saumure du McMurdo Ice Shelf pour la détermination de ses propriétés thermiques, physiques et chimiques. Cette zone de saumure est constituée de séries de couches superposées de saumure (vagues) qui prennent naissance à la frontière marine du Shelf et migrent à des vitesses différentes, suivant leur áge et leur position sur le shelf. La saumure dans ces couches augmente en concentration à mesure que les vagues progressent vers l’intérieur à travers le névé perméable du Shelf. Des analyses chimiques d’échantillons de saumure pris dans les vagues les plus récentes (partie supérieure) montrent que, à l’exception du front de progression, elle contient des sels marins dans les proportions normales de l’eau de mer. Plus loin à l’intérieur, dans des couches de saumure plus profondes et plus anciennes, malgré leur forte salinité (S> 200°/00) elles sont fortement appauvries en SO4 2-, avec une proportion SO4 2-/Na+ d’un ordre de grandeur inférieur à celui habituel dans l’eau de mer. En prenant en compte la solubilité d’autres sels, ainsi que l’analyse des concentrations de Na+, K+, Ca2+, Mg2+ SO4 2- et Cl- on montre que l’appauvrissement en sulfate et probablement dû à une précipitation sélective de mirabilite, Na2,SO4·10H2O. La frontière intérieure de pénétration de la saumure est en étroite relation avec la profondeur à laquelle la saumure rencontre la transition névé/glace. Cependant, une faible mais mesurable migration de saumure intervient encore même dans la glace imperméable; cela est attribué à la dissolution eutectique de la glace par la saumure concentrée à mesure qu’elle progresse dans les parties plus profondes et plus chaudes du McMurdo Ice Shelf.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Während der Südsommer 1976–77 und 1978–79 wurden einige Bohrkerne aus der Solezone des McMurdo Ice Shelf gezogen, um dessen thermische, physikalische und chemische Eigenschaften untersuchen zu können. Die Solezone besteht aus einer Serie von aufgelagerten Soleschichten (Wellen), die am seeseitigen Rand des Schelfeises ihren Ausgang nehmen und in Abhängigkeit von ihrem Alter und von ihrer Lage im Schelfeis mit verschiedenen Geschwindigkeiten wandern. Die Solekonzentration in diesen Schichten nimmt bei der Wanderung der Wellen landeinwärts durch den durchlässigen Firn des Schelfeises zu. Chemische Analysen von Soleproben aus der jüngsten (obersten) Solewelle zeigen, dass sie, mit Ausnahme der vorrückenden Front, Meeressalz von normalen Meerwasserproportionen enthält. Weiter landein haben tiefere und ältere Soleschichten, obwohl sie hohen Salzgehalt (S > 200°/00) aufweisen, einen stark verringerten SO4 2- – Gehalt, wobei das SO4 2- – Na+ – Verhältnis eine Grössenordnung kleiner als bei normalem Meerwasser ist. Die Betrachtung der Löslichkeit von alternativen Salzen zeigt zusammen mit Analysen der Na+–, K+–, Ca2+–, Mg2+–, SO4 2-– und Cl-– Konzentration, dass die Sulfatabnahme vermutlich auf den selektiven Niederschalg von Na2SO4·10H2O zurückzuführen ist. Die Lage der Grenze der Soledurchdringung landeinwärts hängt eng mit der Tiefe zusammen, in der die Sole auf den Übergang von Firn in Eis trifft. Dort tritt eine geringe, aber messbare Wanderung von Sole auch im sonst undurchlässigen Eis auf; dies wird auf die eutektische Zerstörung des Eises durch konzentrierte Sole bei der Bewegung in tiefere und wärmere Teile des McMurdo Ice Shelf zurückgeführt.

Information

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

Fig. 1. Sketch map of the McMurdo Ice Shelf area showing the main profile line and core-drilling locations.

Figure 1

Table I. Comparison of Sulfate Determined by Turbidimetric (Barium Sulfate) and Colorimetric (Barium Chloranilate) Techniques. Samples are from the 77 High and 77 Low Step Cores

Figure 2

Table II. Sample Depths, Melt-Water Salinities, Chemical Concentrations, and SO4/Na Ratios for all Brine-Infiltrated Ice-Core Samples from the McMurdo Ice Shelf, Antarctica

Figure 3

Table III. Concentrations of K, Ca, Mg, AND Cl in Selected Brine Samples, and Corresponding Ionic Ratios

Figure 4

Fig. 2. Cross-section of the McMurdo Ice Shelf showing the lop of the brine zone and core-drilling locations. The 10 January 1977 and 24 November 1978 positions of the 4.4 m brine step and a series of steps near the inland boundary of brine penetration are also shown.

Figure 5

Fig. 3. Graphic record of radio-echo data showing the 4.4 m high brine step in the McMurdo Ice Shelf as it appeared in January 1977. Locations of the 77 High Step and 77 Low Step drill holes are also indicated. Distance between drill holes is approximately 60 m.

Figure 6

Fig. 4. Schematic of the ice-shelf break-out process showing a new brine wave migrating inland over the old brine layer.