Hostname: page-component-6766d58669-mzsfj Total loading time: 0 Render date: 2026-05-19T04:24:00.084Z Has data issue: false hasContentIssue false

The Effect of Non-Hydrostatic Stress on Intergranular Water Veins and Lenses in Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

J. F. Nye
Affiliation:
H. H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, England
S. Mae
Affiliation:
H. H. Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol, England
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Abstract

Polycrystalline ice at the melting point has been observed in the laboratory to contain veins of water at the places where three grains meet. Under uniaxial compression lenticular water inclusions appeared at grain boundaries perpendicular to the stress, while the nearby vein began to freeze. A similar effect occurred in tension on grain boundaries parallel to the stress. When the stress on the plane of the boundary was a pure shear stress, no effect was observed. The water lenses produced by stress increased in size and decreased in number after the stress was removed. The effect under compression is explained quantitatively by the combined effects of curvature and pressure on the melting point of an ice–water interface. The rate of formation of the lenses and of their coarsening is greatly reduced by the internal pressures set up in the lenses as a result of expansion on freezing and contraction on melting; transient creep to accommodate volume changes is an essential part of the process. The effect in a grain boundary under tension may arise from pressure caused by sliding on other grain boundaries; it was absent in a bicrystal.

It is concluded that internal melting and freezing at grain boundaries and veins will occur in temperate glacier ice, with some effect, not discussed here, on its permeability to water. Any pure solid at its melting point which has a dihedral angle for the liquid phase in contact with a grain boundary between 0° and 60° should show similar behaviour, in that non-hydrostatic stress should cause liquid to move away from triple junctions between grains and into grain boundaries. There may be implications for the Frank theory of the upwelling of melt fluid in the Earth’s upper mantle.

Résumé

Résumé

On a observé en laboratoire que la glace polycristalline au point de fusion contient des veines d’eau aux endroits où trois grains se rencontrent. Sous une compression uniaxiale, des inclusions aqueuses lenticulaires apparaissent aux limites entre les grains, perpendiculairement à la direction de l’effort, alors que les veines voisines commencent à regeler. Un effet analogue se produit sous un effort de traction le long des limites des grains parallèles à l’effort. Lorsque l’effort sur le plan de la région frontière entre grains est un cisaillement pur, on n’observe aucun effet. Les lentilles d’eau produites par un effort s’accroissent en dimension et diminuent en nombre lorsque l’effort cesse. L’effet sous compression s’explique quantitativement par les effets combinés de la courbure et de la pression au point de fusion à une interface glace–eau. La vitesse de formation des lentilles et de leur grossissement est fortement réduite par les pressions internes dans les lentilles qui résultent de l’augmentation de volume dû au regel et de la contraction lors de la fusion ; les frottements transitoires pour s’adapter aux changements de volume sont un élément essentiel du processus. L’effet de la traction dans une zone limitée entre grains peut provenir de la pression causée par le glissement sur d’autres zones limites de grain; cet effet est absent dans un bicristal.

On en conclut que des fusions et regels internes aux limites des grains et des veines se produisent dans la glace de glacier tempéré, avec quelques conséquences qui ne sont pas discutées ici, sur sa perméabilité à l’eau. Un solide pur à son point de fusion qui a un angle diedre pour la phase liquide en contact avec une de grain entre 0° et 60° devrait montrer un comportement analogue, en ce sens qu’un effort non hydrostatique devrait pousser le liquide à s’éloigner des zones triples de jonctions entre les grains pour s’introduire dans les zones limites entre deux grains. Il peut y avoir là des implications pour la théorie de Frank pour le jaillissement de matières en fusion dans la partie supérieure de la croûte terrestre.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Bei Laborbeobachtungen wurde festgestellt, dass polykristallines Eis am Schmelzpunkt an den Berührstellen zwischen je drei Körnern Wasseradern enthält. Bei einachsiger Kompression traten linsenförmige Wassereinschlüsse an den Korngrenzen rechtwinklig zur Spannungsrichtung auf, während die benachbarte Ader zu gefrieren begann. Ein ähnlicher Effekt trat bei Zug an den Korngrenzen parallel zur Spannungsrichtung auf. Bei reiner Scherspannung auf der Grenzfläche trat keinerlei Wirkung ein. Die durch Spannung erzeugten Wasserlinsen nahmen nach Spannungsentzug an Grösse zu und an Zahl ab. Die Wirkungen unter Kompression werden quantitativ durch gemeinsame Einflüsse der Krümmung und des Schmelzdruckes einer Eis-Wasser-Grenzfläche erklärt. Die Geschwindigkeit der Linsenbildung und ihrer Vergrösserung wird weitgehend durch innere Spannungen verringert, die in den Linsen durch Ausdehnung beim Gefrieren und Kontraktion beim Schmelzen auftreten; zeitweiliges Kriechen zur Anpassung an die Volumänderungen ist ein wesentlicher Bestandteil dieses Prozesses. Die Wirkung an die Korngrenze bei Zugspannung kann durch Druck entstehen, der durch Gleiten an anderen Korngrenzen hervorgerufen wird; bei Bikristallen trat sie nicht auf.

Es wird angenommen, dass internes Schmelzen und Gefrieren an den Korngrenzen und Adern in temperiertem Gletschereis vorkommt, wobei Auswirkungen, die hier nicht diskutiert werden, auf seine Wasserdurchlässigkeit bestehen. Jeder reine Körper, der einen spitzen Winkel zwischen 0° und 60° für die flüssige Phase in Kontakt mit einer Korngrenze aufweist, sollte am Schmelzpunkt ähnliches Verhalten zeigen; denn nicht-hydrostatischer Druck sollte Flüssigkeit veranlassen, sich von Tripelpunkten zwischen Körner weg und in Korngrenzen zu bewegen. Es könnten Verbindungen zur Frank’schen Theorie des Aufquellens von Schmelzflüssigkeit im oberen Erdmantel bestehen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1972
Figure 0

Fig. 1. Four-point bending apparatus. I: ice specimen, M: microscope, W: water bath.

Figure 1

Fig. 2a. Before indentation. The vein is the central vertical line.

Figure 2

Fig. 2b. 10 s after indentation. Water inclusions have appeared to the right of the vein.

Figure 3

Fig. 3. Three-point bending.

Figure 4

Fig. 4. Lenses form in grain boundaries (a) perpendicular to a compressive stress or (b) parallel to a tensile stress.

Figure 5

Fig. 5a. A tensile stress of 2.6 bar was applied for 40 min parallel to the central horizontal grain boundary. The photograph was taken 1 min later. Water lenses are seen just below the grain-boundary surface groove.

Figure 6

Fig. 5b. The same as Figure 5a. The tensile stress was replaced by an equal compressive stress applied for 10 min. Water lenses have appeared in the grain boundary on the left, perpendicular to the stress.

Figure 7

Fig. 6. A map of the water lenses in the grain boundary shown in the centre of Figure 7a. AA is the plane of focus for Figure 7a.

Figure 8

Fig. 7a. A compressive stress of 1.3 bar was applied for 100 s in the direction that appears vertical in the photograph. The photograph was taken a few seconds after removal of the load. Water lenses appear in the two roughly horizontal grain boundaries but not in the vertical one.

Figure 9

Fig. 7b. The same as Figure 7a after annealing without load for one hour.

Figure 10

Fig. 8. A water lens (a) near a vein and (b) near a surface groove. A, B and C denote ice grains.

Figure 11

Fig. 9. Model where longitudinal tension produces transverse compression.

Figure 12

Fig. 10. The same as Figure 9 but with a smaller grain size.

Figure 13

Fig. 11. The outcrop of a vein at the surface of a specimen. Three grain-boundary grooves radiate from it.

Figure 14

Fig. 12. The volume V1 of a water lens as a function of time t for various initial conditions with the pressure p within the lens held constant.