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Radio-Frequency Interferometry—A new technique For studying glaciers

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

D. W. Strangway
Affiliation:
Geophysics Branch, Lyndon B. Johnson Space Center, Houston, Texas 77058, U.S.A.
Gene Simmons
Affiliation:
Department of Earth and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.
G. Latorraca
Affiliation:
Department of Earth and Planetary Sciences, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.
R. Watts
Affiliation:
Department of Physics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada and Lunar Science Institute, Houston, Texas 77058, U.S.A.
L. Bannister
Affiliation:
Laboratory of Space Experiments, Center for Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.
R. Baker
Affiliation:
Laboratory of Space Experiments, Center for Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.
J. D. Redman
Affiliation:
Department of Physics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada
J. R. Rossiter
Affiliation:
Department of Physics, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A new method of electromagnetic sounding in resistive electrical environments has been developed for use in lunar exploration. It is applicable to the study of terrestrial glaciers and ice sheets. A horizontal electric dipole antenna on the ground is used to transmit power at frequencies of 1, 2, 4, 8, 16 and 32 MHz. A set of orthogonal receiving coils is mounted on a vehicle which traverses away from the transmitter. Field strength is recorded as a function of distance. Waves which travel above the surface interfere with waves from the subsurface, generating interference patterns which can be used to determine the dielectric constant, the loss tangent, and depth to reflecting horizons.

The technique was tested on the Athabasca Glacier in western Canada. At 1, 2 and 4 MHz the ice was found to have a dielectric constant of about 3.3, a loss tangent (tan δ) which is roughly inversely proportional to frequency giving values of f tan δ in the range 0.25 to 0.35 (where f is in MHz). These values correspond well with the known properties of ice near 0° C, which is a temperature typical of temperate glaciers. It has been possible to determine the depth of the ice but results are not always consistent with previous seismic and gravity surveys and with drilling. At frequencies of 16 and 32 MHz, scattering is the dominant feature of the results. At 8 MHz there is a transition from clear-cut interference patterns to the scattering patterns. From these findings, we suggest that the Athabasca Glacier has a large number of dielectric scatterers with dimensions less than about 35 m, probably due in large part to crevasses.

Une nouvelle méthode de sondages électromagnétique à travers des milieux électriques résistants, a été imaginé à l'usage des explorations lunaires. Elle présente des possibilités d'application dans l'étude des glaciers terrestres et des calottes glaciaires. Une antenne électrique dipolaire horizontale sur le sol est utilisée pour transmettre de l'énergie sur des fréquences de 1, 2, 4, 8, 16 et 32 MHz. Un ensemble de bobines réceptrices disposées orthogonalement est monté sur un véhicule qui circule à distance de l'émetteur. L'intensité du champ est mesurée en fonction de la distance, Les ondes qui se propagent au-dessus de la surface se combinent avec celles venues de dessous la surface, engendrant des interférences dont on peut se servir pour calculer la constante diélectrique, la perte en tangente et la profondeur des horizons réflecteurs.

On a essayé cette technique dans le glacier de l'Athabasca dans l'Ouest Canadien, A1, 2 et 4 MHz, on a trouvé pour la glace une constante diélectrique de 3,3, une perte de tangente (tg δ) qui est grossièrement inversement proportionnelle à la fréquence, donnant des valeurs de f tg δ de l'ordre de 0,25 à 0,35 (où f est en MHz). Ces valeurs correspondent bien avec 1rs propriétés connues de la glace au voisinage de o° C, température typique des glaciers tempérés. On a pu déterminer l'épaisseur de la glace mais les résultats ne concordent pas toujours avec les anciennes mesures sismiques et gravitaires, ni avec les fordages. Pour les fréquences de 16 et 32 MHz, la dispersion est le trait dominant des résultats, A 8 MHz, il y a une transition entre un net phénomène d'interférence et la dispersion. A partir de ces constations, nous suggerons que le glacier l'Athabasca possède un grand nombre de dispersants diélectriques mesurant moins d'environ 35 m, probablement en raison, pour une large part, de la présence de crevasses.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Für den Gebrauch bei der Erforschung des Mondes wurde eine neue Methode der elektromagnetischen Lotung durch widerstandsfähige Oberflächenschichten entwickelt. Es besteht die Möglichkeit, damit terrestrische Gletscher und Eisschilde zu untersuchen. Eine horizontale elektrische Dipolantenne am Boden wird dazu benutzt, um Energie in den Frequenzen von 1, 2, 4, 8, 16 und 32 MHz auszusenden. Ein Satz von orthogonalen Empfangsspulen ist auf einem sich vom Sender wegbewegenden Fahrzeug befestigt. Die Feldstärke wird als Funktion der Entfernung aufgezeichnet. Die Wellen, die sich auf der Oberfläche und in den darunter liegenden Schichten ausbreitet, erzeugt Interferenzmuster, die zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante, der Verlusttangente und der Tiefe beliebiger Reflexionshorizonte verwendet werden können.

Die Methode wurde am Athabasca Glacier in Westkanada erprobt. Bei 1, 2 und 4 MHz wurde für das Eh eine Dielektrizitätskonstante von c. 3,3 und eine Verlusttangente gefunden, die angenähert umgekehrt proportional zur Frequenz ist und Werte von f tan δ im Bereich von 0,35 bis 0,35 (wobei f in MHz angegeben ist) ergibt. Diese Werte stimmen gut mil den bekannten Eigenschaften von Eis nahe 0° C, der charakteristischen Temperatur temperierter Gletscher, überein. Es ist möglich, die Eisdicke zu bestimmen, aber die Ergebnisse stehen nicht immer in Einklang mit früheren Bohrungen sowie seismischen und gravimetrischen Messungen. Bei Frequenzen von 16 und 32 MHz sind Streuungen das Hauptcharakteristikum der Ergebnisse; bei 8 MHz liegt ein Übergang von wohldefinierten Interferenzmustern zu Streumustern. Auf Grund dieser Ergebnisse schliessen wir darauf, dass im Athabasca Glacier eine grosse Anzahl von Streuobjekten vorhanden ist, deren Dimensionen unter c. 35 m liegen und die vermutlich zum grossen Teil Gletscherspalten zuzuschreiben sind.

Information

Type
Instruments and Methods
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1974
Figure 0

Fig. 1a. (a) The three waves used in radio-frequency interferometry. The surface wave travels above the surface of the dielectric, the subsurface wave travels immediately below the surface in the dielectric. These two waves travel at different velocities and their beat frequency is a function of the dielectric constant. The third wave, designated reflected wave here, travels downward and into the dielectric and is reflected front some horizon at depth.

Figure 1

Fig. 1b. (b) Relation of receiver components to transmitting antenna. The superscript B on the field components designates that measurements are taken broadside to the dipole. The superscript E indicates that the field components are measured with respect to the endfire antenna. The subscripts p, φ and z are those used in a right-handed cylindrical coordinate system. The transmitting antennas are actually coincident and there is only one set of receiving antennas. Each antenna is activated by the transmitter/receiver in the sequence shown in Figure 2.

Figure 2

Fig. 2. Timing diagram showing sequence of transmitted signals and calibration data. N and E refer to alternate transmitting antennas; x, y, z refer to alternate receiving antennas; C refers to calibration with g referring to noise background with no transmitter on, and n and referring to noise from two known diode sources at the receiver input; S refers to transmitted synchronization signal and R to received synchronization signal.

Figure 3

Fig. 3. Map of Athabasca Glacier showing locations of drill holes and radio-interferometry transmitter sites.

Figure 4

Fig. 4. Typical set of data for maximum-amplitude components HeB and HzB from the broadside antenna. Frequencies 1, 2 and 4 MHz are shown. Upper curves are theoretical curves for the parameters given m Table 1 [Run 26].

Figure 5

Table I. Interpretation of HPB and HpB Data. Site 3S: Run 26 Dielectric constant for all fits = 3.3

Figure 6

Table II. Precision of Individual Fit

Figure 7

Fig. 5. Typical set of data at 4 MHz for the HZB component, with theoretical curves for three different depths. The theoretical curves are offset for clarity of presentation. The best fit is at 2.425 wavelengths (182 m) [Run 26].

Figure 8

Fig. 6. Interference curve from crevasse in scale model. When scaled to 8 MHz, crevasse is 30 m X 30 m X 3 m in size, 5 wavelengths from the transmitter. High interference frequency is apparent on the transmitter side of the crevasse and slight field-strength diminution on the opposite side.

Figure 9

Fig. 7. Possible location of crevasse in field data.

Figure 10

Table III. Depth Determinations (Average 1, 2, 4 MHz. Hp AND Hz)