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Bubbles and Bubble Pressures in Antarctic Glacier Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Anthony J. Gow*
Affiliation:
Research Division, Snow and Ice Branch, U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire 03755, U.S.A.
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Abstract

Application of the gas law to fourth-place density measurements of ice samples from two deep drill holes at “Byrd” station and “Little America V”, Antarctica, shows that virtually all density increase beyond the pore close-off density (0.830 g cm−3) can be attributed to compression of the entrapped bubbles of air. Data from “Byrd” station also indicate that the lag between overburden pressure and bubble pressure, initially 4–5 kg cm−2 at pore close-off, diminishes to less than 1.0 kg cm−2 at about 200 m depth. By substituting the overburden pressure for the bubble pressure in the pressure-density relationship based on the gas law, one can determine ice densities below 200 m more accurately than they can be measured per se on cores, because of the relaxation that occurs in samples recovered from high confining pressures. This relaxation, resulting in a progressive increase in the bulk volume of the ice with time, is generally attributed to decompression of the entrapped air bubbles following removal of the ice from high confining pressures. However. calculations of the stress in ice due to bubble pressure, together with measurements of bubble sizes in cores from various depths at “Byrd” station, both tend to indicate that there has been negligible decompression of the inclosed bubbles. It is suggested that most of this relaxation may be due to the formation of micro-cracks in the ice. Anomalous bubble pressure–density relations at “Little America V” tend to confirm abundant petrographic evidence of the existence of considerable deformation in the upper part of the Ross Ice Shelf.

Studies of crystal–bubble relations at “Byrd” station revealed that the concentration of bubbles in ice remains remarkably constant at approximately 220 bubbles/cm3. Bubbles and crystals were found to be present in approximately equal numbers at pore close-off at 64 m depth, at which level the average bubble diameter was 0·95 mm, decreasing to 0.49 mm at 116 m and to 0·33 mm at 279 m. Despite a ten-fold increase in the size of crystals between 64 and 279 m, the bubbles showed no tendency to migrate to grain boundaries during recrystallization of the ice. The observation that most of the bubbles had assumed substantially spherical shapes by 120 m depth points to essentially hydrostatic conditions in the upper layers of the ice sheet at “Byrd” station.

Des bulles ed la pression des bulles dans la glace des glaciaires Antarctiques. L′application de la loi des gaz à la mesure jusqu′à la quatrième décimale de la densité de échantillons de glace prélevés dans des trous de forage profond effectués à la station “Byrd” et à “Little America V” dans l′Antarctique, montre que les augmentations de densité au delà de la densité de fermeture des pores (0,830 g cm−3) peuvent pratiquement toutes être attribuées à la compression des bulles d′air enfermées dans la glace. Des données obtenues à la station “Byrd” indiquent également que le retard entre la pression de surcharge et la pression des bulles, qui est à l′origine de 4 à 5 kg cm−2 à la fermeture des pores, diminue jusqu′à moins de 1 kg cm−2’ à une profondeur d′environ 200 m. La substitution de la pression des bulles par la pression de surcharge dans la relation pression-densité basée sur la loi des gaz permet de déterminer les densités de glace au delà de 200 m avec plus de précision que ne le permettrait une mesure à vue sur des échantillons prélevés à cause de la relaxation qui se produit dans des échantillons tirés des situations où ils sont soumis à des pressions élevées. Cette relaxation, qui provoque une augmentation progressive du volume total de la glace avec le temps, est généralement attribuée à la décompression des bulles d′air enfermées dans la glace après retrait de l′échantillons des conditions de pression élevées auxquelles il était soumis. Toutefois, des calculs des tensions présentes dans la glace et dues à la pression des bulles, ainsi que des mesures de dimensions des bulles dans des échantillons de glace prélevés à différentes profondeurs à la station “Byrd”, indiquent que la décompression à laquelle sont soumises les bulles est négligeable. Les résultats indiquent que la relaxation peut être causé par la formation de fentes microscopiques dans la glace. Des relations anormales entre la pression des bulles et la densité obtenues à “Little America V” confirment les indications petrographiques abondantes tendant à prouver l′existence de déformations considérables dans la partie supérieure du Ross Ice Shelf.

L′étude des relations bulles–cristaux à la station “Byrd” révèle que la concentration de bulles dans la glace reste remarquablement constante à environ 220 bulles par cm3. Des bulles et des cristaux ont été trouvés en nombre à peu près égal à des pressions de fermeture des pores à une profondeur de 64 m, profondeur à laquelle le diamètre moyen des bulles était de 0,95 mm, et diminuait jusqu′à 0,49 mm à 116 m et 0,33 mm à 279 m. Malgré le décuplement de la taille des cristaux entre 64 et 279 m, les bulles ne montrèrent aucune tendance à la migration vers les limites des grains durant la recristallisation de la glace. L′observation que la majeure partie des bulles avaient acquis des formes essentiellement sphériques à partir de 120 m de profondeur montre l′existence de phénomènes surtout hydrostatiques dans les niveaux supérieurs de la nappe de glace à la station “Byrd”.

Zusammenfassng

Zusammenfassng

Blasen und Blasendruck in antarktischen Gletschereis. Die Anwendung des Gasgesetzes auf viertstellige Dichtemessungen in Eisproben, aus zwei Tiefbohrlöchern im Gebiet der ‘Byrd” Station und bei “Little America V”, Antarktika zeigt, dass praktisch alle Steigerungen der Dichtezunahme über die Porenschliessdichte (0,80 g cm−3) hinaus auf die Kompression der eingeschlossenen Luftblasen zurückgeführt werden kann. Aus den von der “Byrd” Station gewonnenen Daten geht ebenfalls hervor, dass sich der Minderbetrag zwischen Überlagerungsdruck und Blasendruck, der anfangs 4–5 kg cm−2 bei Porenschliessung beträgt, auf weniger als 1,0 kg cm−2’ in etwa 200 m Tiefe verringert. Ersetzt man in der auf dem Gasgesetz basierenden Druck-Dichte-Beziehung den Blasendruck durch den Uberlagerungsdruck, so kann man Eisdichten unterhalb einer Tiefe von 200 in mit grösserer Genauigkeit bestimmen als durch Messung an den Bohrkernen selbst, und zwar wegen der EntspannunF, die in Proben eintritt, die hohen Einschliessungsdrücken entnommen werden. Diese Entspannung, die sich in einer progressiven Zunahme des Eisvolumens der Zeit äussert, wird im allgemeinen auf die Dekompression der eingeschlossenen Luftblassen nach der Entnahme des Eises aus hohen Einschliessungsdrücken zurückgeführt. Berechnungen der durch den Blasendruck im Eis erzeugten Spannungen sowie in Verbindung damit durchgeführte Messungen der Blasengrösse in Bohrkernen aus verschiedenen Tiefen im Gebiet der “Byrd” Station scheinen jedoch darauf hinzudeuten, dass die Dekompression in den eingeschlossenen Luftblasen nur unbedeutend ist. Es wird vermutet, dass diese Entspannung in erster Linie auf der Bildung von Mikrorissen im Eis beruht. Anomale Blasendruck-Dichte-Beziehungen im Gebiet von “Little America V” scheinen die in reichen Masse vorhandenen petrographischen Beweise für das Vorhandensein einer beträchtlichen Deformation im oberen Teil des Rosseisschelfes zu bestätigen.

Auf der “Byrd” Station durchgeführte Untersuchungen der Kristall-Blasen-Beziehungen haben ergeben, dass die Konzentration der Blasen im Eis mit 220 Blasen pro cm3 bemerkenswert konstant bleibt. Blasen und Kristalle wurden in etwa gleicher Anzahl bei Porenschliessdruck in 64 m Tiefe festgestellt; auf diesem Niveau betrug der mittlere Blasendurchmesser 0,95 mm, der sich in 116 m Tiefe auf 0,49 mm und in 279 m Tiefe auf 0,33 mm verringerte. Trotz einer zehnfachen Vergrösserung der Kristalle zwischen 64 und 279 m zeigten die Blasen keine Tendenz, während der Rekristallisation des Eises zu den Korngrenzen zu wandern. Die Beobachtung, dass die meisten Blasen bei 120 m Tiefe fast Kugelgestalt angenommen hatten, deutet auf im wesentlichen hydrostatische Verhältnisse in den oberen Schichten der Eisdecke im Gebiet der “Byrd” Station hin.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1968
Figure 0

Table I. Bubble-Pressure–Density Relationships in Ice Cores from “Byrd” Station, Antarctica. Bubble–pressure Calculations Based on Pore Close-off Density γc = 0.825 g cm −3

Figure 1

Fig. 1. Bubble pressure versus absolute-load pressure at “Byrd” station, Antarctica. The broken line represents the probable trend in in situ ice below 200 m. Divergence at a σ+Pc>14−16 kg cm−2 due to expanded (relaxed) condition of samples

Figure 2

Fig. 2. Bubble-pressure lag (ΔP) versus absolute-load pressure at “Byrd” station. Data from Figure 1

Figure 3

Fig. 3. Bubble pressure versus load pressure at “Site 2”, Greenland (from Langway, 1958). Broken line represents probable trend in situ ice below 200 m

Figure 4

Table II. Bubble-Pressure–Load-Pressure Relations in Ice Cores from “Site. 2”, Greenland. Data from Landway (1958, 1962) and Bader (1965)

Figure 5

Fig. 4. Bubble pressure versus absolute-load pressure at “Little America V”, Ross Ice Shelf, Antarctica

Figure 6

Fig. 5. Bubble—crystal relations in ice from “Byrd” station. Bubbles are the small gray and black inclusions located within crystals and at the intersections of crystals. The grid spacing is 1 cm.a. 70 m depth; b. 116 m depth; c. 163 m depth; d. 305 m depth

Figure 7

Fig. 6. Bubble—crystal relations in ice from “Little America V”. Note the orientated elongate bubbles at 116 depth. The grid spacing is 1 cm.a. 52 m depth; b. 116 m depth; c. 240 m depth

Figure 8

Table III. Bubble Dimensions in Glacier Ice from “Byrd” Station, Antarctica

Figure 9

Table IV. Bubble Volume-Pressure Relationships in Glacier Ice from “Byrd” Station, Antarctica

Figure 10

Fig. 7. Schematic diagram of two pressurized bubbles of radius r in glacier ice. Distance between bubble centers is 2R

Figure 11

Table V. Estimate of Maximum Allowable Pressure (P) in Bubbles in Glacier Ice at “Byrd” Station. Pressures Calculated According to the Relation P = 20[(R/r)2−1]. See Text for Derivation