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Advances in geophysical exploration of ice sheets and glaciers

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Charles R. Bentley*
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, Department of Geology and Geophysics, University of Wisconsin—Madison, Lewis G. Weeks Hall, 1215 W. Dayton Street, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
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Abstract

The techniques of geophysical exploration can be used in a number of ways to investigate the internal characteristics of ice bodies. The application of radio-echo sounding is discussed elsewhere by Robin (1975[a]) so is not considered here except for a few special cases. Anisotropy resulting from non-random ordering of crystal axes produces effects on seismic wave propagation speeds measurable by both refraction and reflection techniques. The effects on shear waves are particularly strong, so the recent development of an effective shear-wave generator should prove very useful. Marked effects on radio-wave polarizations have also been noted, but are not readily interpretable because the anisotropic dielectric characteristics of single-crystal ice in the radio-echo frequency range are not yet known. Elastic internal friction can be determined by careful measurements of seismic-wave amplitudes. Dielectric properties of the ice can be found from VLF propagation experiments and electrical logging in drill holes as well as from the radio-echo sounding techniques discussed by Robin (1975[a]). An activation energy can be estimated from d.c. resistivity measurements where the temperature profile is known. Recent developments have led to much improved methods of determining density-depth variations and long-term mean annual snow accumulation rates from seismic refraction shooting. Internal discontinuities which can be studied include a probable morainal layer detected by seismic reflections, a brine-soaked zone in shelf ice observed from radio-echo. sounding and electrical resistivity surveying, and inverted crevasses penetrating upward from the base of shelf ice, detected by radio echoes. Secular changes in gravity offer a sensitive means of determining long-term changes in surface elevation.

Résumé

Résumé

Les techniques de l’exploration géophysique peuvent être utilisées de nombreuses manières pour étudier les caractéristiques internes des masses de glace. On discute par ailleurs l’application du sondage par radio-écho (Robin, 1975[a]), aussi, ne prendrons-nous pas en considération rette méthode sauf pour quelques ras spéciaux. L’anisotropie résultant d’une distribution non-aléatoire des axes optiques des cristaux a des conséquences sur les vitesses de propagation des ondes sismiques, mesurables par des techniques de réflexions et de réfraction. Les effets sur les ondes de cisaillement sont particulièrement forts, de sorte que le développement récent d’un générateur d’ondes de cisaillement s’avère très utile. Des effets marqués sur la polarisation des ondes radio ont également été décelés, mais ne sont pas facilement interprétables parce que les caractéristiques diélectriques aniso-tropiques d’un monocristal de glace dans la gamme de fréquence utilisée en sondages radio-écho ne sont pas encore connues. La friction interne élastique peut être déterminée par des mesures soigneuses des amplitudes d’ondes sismiques. Les propriétés diélectriques de la glace peuvent être déduites d’expériences de propagation d’ondes VLF et de mesures électriques dans les puits de forages, aussi bien que des techniques de sondages par radio-écho exposés par Robin (1975[a]). Une énergie d’activation peut être estimée à partir de mesures de résistivité d.c. où le profil de température est connu. De récents développements ont conduit à des méthodes beaucoup plus élaborées pour déterminer les variations de densité en fonction de la profondeur et le taux annuel moyen d’accumulation de la neige sur une longue période à partir de tirs de sismique-réfrartion. Les discontinuités internes que l’on peut étudier comprennent un niveau morainique probable détecté par réflexion sismique, une zone de saumure fondante dans la banquise observée par sondage à radio-écho et par surveillance de résistivité électrique, des crevasses inversées pénétrant vers le haut depuis la base de la banquise détectées par radio-écho. Les changements séculaires de la gravité donnent un moyen sensible de déterminer les changements à long terme de l’altitude superficielle.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Verfahren der geophysikalischen Erforschung können auf verschiedene Weise zur Untersuchung der inneren Eigenschaften von Eiskörpern angewandt werden. Die Verwendung der Radar-Echolotung wird an anderer Stelle von Robin (1975[a]) diskutiert; sie bleibt deshalb hier ausser Betracht, mit Ausnahme einiger spezieller Fälle. Die Anisotropie, hervorgerufen durch eine nicht-zufällige Anordnung der Kristallachsen, beeinflusst die Fortpflanzungsgeschwindigkeit seismischer Wellen, die sowohl durch das Refraktions-wie das Reflexions-verfahren gemessen werden kann. Der Einfiuss auf Scherwellen ist besonders stark, weshalb die jüngste Entwicklung eines wirksamen Scherwellen-Generators sich als sehr nützlich herausstellen sollte. Erhebliche Einflüsse auf die Polarisation von Radar-Wellen wurden ebenfalls beobachtet, doch sind sie nicht leicht zu interpretieren, weil die anisotropen dielektischen Eigenschaften einkristalligen Eises im Frequenzbereich der Radar-Wellen noch nicht bekannt sind. Elastische innere Reibung kann durch sorgfältige Messungen der Amplituden seismischer Wellen bestimmt werden. Die dielektrischen Eigenschaften des Eises können sowohl durch Versuche zur Ausbreitung niedrigfrequenter Wellen und durch elektrische in Bohrlöchern wie durch Radar-Echolotung (siehe Robin 1975[a]) untersucht werden. Eine Aktivationsenergie lässt sich durch Messungen des Leitungswiderstandes abschätzen, wenn das Temperaiurprofil bekannt ist. Jüngere Entwicklungen haben zu stark verbesserten Methoden zur Bestimmung der Dichteänderungen mit der Tiefe und langzeitiger Mittelwerte der jährlichen Akkumulation aus seismischen Refraktionsverfahren geführt. Innere UnStetigkeiten, die sich deuten lassen, sind z.B. vermutliche Moränenschiehten, die sich aus seismischen Reflexionen ergeben, eine salzsoledurchsetzte Zone im Schelfeis, entdeckt durch Radar-Echolotungen und Messungen des elektrischen Leitungswiderstandes, sowie umgekehrte Spalten, die von der Unterseite des Schelfeiscs nach oben vordringen, entdeckt durch Radar-Lotungen. Säkulare Schwankungen der Schwerkraft bieten ein empfindliches Mittel zur Bestimmung von langzeitigen Änderungen in der Oberflächenhöhe.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1975
Figure 0

Fig. 1. Phase velocities (dashed lines) and wave velocities (solid lines) in a single crystal of ice at —10° C as a function of direction of propagation. V1: P wave; V2: extraordinary S wave; V3; ordinary S wave. Upper and lower horizontal lines represent S-wave and P-wave velocities, respectively, in isotropic, polycrystalline ice. From Bentley (1971[b]).

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Fig. 2. Examples of refraction and reflection shooting in anisotropic ice. (a) Curves of reduced travel time (i.e. travel time minus distance/V0, where V0 = 3 860 m/s for P waves and 1949 m/s for S waves) showing normal and high velocity P waves (open circles) and S waves (solid points), (b) P-wave velocities from wide-angle reflection shooting (open circles) with two possible model fits (solid lines), (c) S-wave velocities from converted P-S reflections. In (a) and (c) short vertical (horizontal) lines through points indicate horizontal longitudinal (transverse) motion. From Bentley (1971)[b]).

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Fig. 3. Section of refraction seismogram from “Byrd” station, Antarctica showing longitudinally (SV) and transversely (SH) polarized shear waves. Traces correspond to individual geophones spaced sequentially 30 m apart. Total travel time: about 6.6s; distance: 12.5 km; charge: 135 kg. Timing lines are 0.01 s apart. From Bentley (1964).

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Fig. 4. Difference between ice thicknesses on the Ross Ice Shelf measured by radio-echo sounding and by seismic sounding assuming velocities for isotropic ice. Straight line corresponds to a 5% underestimate in the P-wave velocity.

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Fig. 5. P-wave velocities measured by logging in the deep drill hole at “Byrd” station, Antarctica (solid line). From Bentley (1972).

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Fig. 6. Rayleigh-wave dispersion data and theoretical curves at two sites on the Ross he Shelf. From Robinson (1968).

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Fig. 7. Radio-echo amplitudes as a function of the direction between transmitting and receiving antennas at a site on the Skelton Glacier, Antarctica. From Clough (unpublished).

Figure 7

Fig. 8. Radio-echo amplitudes as a function of the direction between transmitting and receiving antennas ai a site a few kilometers down-stream from that of Figure 7. From Clough (unpublished).

Figure 8

Fig. 9. Radia-echo amplitudes as a function of the direction between transmitting and receiving antennas at a site on the Skelton Glacier, Antarctica. From Clough (unpublished).

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Fig. 10. Field determinations of internal friction as a function of temperature compared with curves from data in Kuroiwa (1964) Solid curves indicate measurements on laboratory ice with Cm as indicated; dashed curves indicate measurements on ice from an Antarctic iceberg (A), and from the Greenland ice sheet (G). Sources of data: large solid circle with error bar, refraction shooting in Antarctica (Bentley and Kohnen, in press); B & K, reflection shooting in Greenland (Brockamp and Kohnen, 1967); K, refraction shooting in Greenland (Kohnen, 1970); B, reflection shooting in west Antarctica (Bentley, 1971[c] reinterpreted); R, upper bar, reflection shooting in east Antarctica (Robin, 1958); R, lower box, Robin’s data reinterpreted. From Bentley and Kohnen (in press).

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Fig. 11. Dielectric properties of the Antarctic ice sheet in the VLF band. From Peden and others (1972).

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Fig. 12. Measured dielectric constant in the deep drill hole at “Byrd” station, Antarctica, at 1.25 kHz. From Rogers and Peden (1973).

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Fig. 13. Experimental radio-signal amplitudes on Athabasca Glacier compared with theoretical curves for and 3.2. Frequency x lass-tangent products for each set of curves from top to bottom before the first interference minimum are 0.4, n.fi, 0.8 and 1.0, respectively. From Hermance and Strangway (1971).

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Fig. 14. P-wave velocity gradient versus depth at Antarctic seismic stations. From Robertson and Bentley (1975).

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Fig. 15. Accumulation rate versus temperature-corrected depth at which the P-wave velocity readies 3 800 m/s, at sites in Greenland and Antarctica. From Kohnen (1971).

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Fig. 16. Accumulation rate versus temperature-corrected time intercept from refraction shunting in West Antarctica.

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Fig. 17. Seismograms showing reflections from the basal layer in the west Antarctic ice sheet (Re). Scale factors are factors by which Re amplitudes should be multiplied to reduce all records to a common hase. From Bentley (1971)[c]).

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Fig. 18. Radio echograms across the brine-layer boundary, McMurda Ice Shelf Reflection from the bottom of the ice is at about 1.1 μs; reflection from the top of the brine layer is at about 0.4 μs. From Clough (1973).