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Relationship Between Bore-Hole Closure and Crystal Fabrics in Antarctic Ice Core from Cape Folger

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Richard J. Thwaites
Affiliation:
School of Earth Sciences, University of Melbourne, Parkville, Victoria 3052, Australia
Christopher J. L. Wilson
Affiliation:
Antarctic Division, Department of Science, Kingston, Tasmania 7150, Australia
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Two holes were drilled to depths greater than 300m in the Antarctic ice sheet, near Cape Folger on the Law Dome. The holes underwent considerable closure below 250m with localized strain-rates as high as 1 to 1.5×10−6 s−1. The closure observed in holes was non-uniform and occurred in zones 0.5 to 3 m wide. These Zones parallel the flow plane in the ice mass and are associated with a distinct domainal structure. High-closure zones are characterized by interlocking and irregular-shaped ice grains with many sub-horizontal c-axes and only occasional c-axis clusters at a high angle to the flow plane. Low-closure zones contain tabular grains with the long dimension parallel to the flow plane, abundant deformation features and a predominance of c-axes oriented at a high angle to the flow plane. The relationship between closure rate and c-axis fabric is attributed to marked plastic flow by intracrystalline slip on the basal plane to produce higher closure in areas where there is a greater variation in c-axis orientation. This deformation is attributable to overburden pressure and hence is related to depth, and is independent of shear within the main body of the ice mass.

Résumé

Résumé

On a exécuté deux forages à des profondeurs supérieures à 300 m dans la calotte antarctique près de Cape Folger sur le Law Dome. Les trous se sont refermés très rapidement en-dessous de 250 m avec des vitesses pouvant atteindre localement 1,5× 10−6s−1. La fermeture observée dans les trous n’est pas uniforme et s’observe dans des couches de 0,5 à 3 m d’épaisseur. Ces zones sont parallèles au plan d’écoulement dans la masse glaciaire et sont associées à un type particulier de structure. Les zones à fermeture rapide sont caractérisées par des grains de glace entremêlés et de formes irrégulières avec beaucoup d’axes-c subhorizontaux et seulement de rares grappes de cristaux à axes-c formant un angle important avec le plan de l’écoulement. Les zones à fermeture lente contiennent des grains tabulaires avec la grande dimension parallèle au plan de l’écoulement, beaucoup de figures de déformation et une prédominance d’axes-c formant un angle élevé avec le plan d’écoulement. La relation entre la vitesse de fermeture et l’orientation des axes-c est attribuée à l’écoulement plastique sensible par glissements intercristallins sur le plan de base qui produit une fermeture plus rapide dans les régions où il y a une plus grande variation dans l’orientation des axes-c. Cette déformation peut être attribuée aux pressions d’enfouissement et donc mise en relation avec la profondeur, elle est indépendante du cisaillement à l’intérieur de la masse de glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Nahe bei Cape Folger auf dem Law Dome wurden zwei Bohrungen in Tiefen von mehr als 300m in den antarktischen Eisschild abgeteuft. Die Bohrlöcher schlossen sich unterhalb von 250 m beträchtlich mit festgestellten Spannungsraten bis zu 1–1,5×10–6s–1. Die in den Bohrlöchern beobachtete Schliessung erfolgte unregelmässig und trat in Zonen von 0,5–3 m Länge auf. Diese Zonen verlaufen parallel zu den Fliessflächen in der Eismasse und sind mit einer bestimmten ortstypischen Struktur verknüpft. Zonen schneller Schliessung sind durch ineinandergreifende und unregelmässig geformte Eiskӧrner mit vielen subhorizontalen c-Achsen und nur gelegentlich auftretenden c-Achsen-Häufungen unter grossem Winkel gegen die Fliessfläche gekennzeichnet. Zonen geringer Schliessung enthalten tafelförmige Körner mit Längsachsen parallel zur Fliessfläche, unzähligen Deformationserscheinungen und einer vorherrschenden c-Achsen-Orientierung mit grossem Winkel gegen die Fliessfläche. Die Beziehung zwischen der Schliessungsrate und dem c-Achsen-Gefüge wird darauf zurückgeführt, dass deutlich plastisches Fliessen infolge intrakristallinen Gleitens an der Basisebene eine schnellere Schliessung dort verursacht, wo eine grössere Streuung in der c-Achsen-Orientierung besteht. Diese Deformation lässt sich dem Überlagerungsdruck zuordnen und hängt deshalb von der Tiefe ab; sie ist unabhängig von der Scherspanuung im Gesamtkörper der Eismasse.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1. Locality diagram of BHC 1 and BHC 2 on the Law Dome, Antarctica.

Figure 1

Fig. 2. Schematic profile illustrating the relationship of BHC 1 and BHC 2 to bedrock topography and showing areas of high bore-hole closure (stippled) and the general variation of c-axis preferred orientation through the ice sheet. (80) – number of c-axes measured.

Figure 2

Fig. 3. Diameter of BHC 1 from 278 to 300 m illustrating the change in hole diameter from Calliper Run a (t = 0 h) to Calliper Run b (t = 37.25 h). Selected representative lower hemisphere fabric diagrams with corresponding depths are shown, with a total plot of all the c-axes measured between 278 m and 300 m (80) - number of c-axes measured. - asterisk indicates more than one section from this depth was used to obtain c-axis data. Bubble elongation is east-west and direction of flow is indicated by arrow.

Figure 3

Fig. 4. Diameter of BHC 2 from 287 to 328 m illustrating the change in hole diameter from Calliper Run a (t = o h) to Calliper Run b (t = 49.25 h). Fabric diagrams corresponding to areas of higher or intermediate closure within the interval 289 to 302 m are arranged on the left. Fabric diagrams on the right (285.3 to 298. 1) correspond to areas of lower closure. The fabric diagrams at 305.3, 315 and 326.3 m occur outside the zone of bore-hole closure. For explanation of fabric diagrams see Figure 2.

Figure 4

Fig. 5. lce-grain structures, with bar scale shown. The sections from high and intermediate closure zones are on the left. (a) horizontal section in BHC 1 at 282.1 m, (b) horizontal section in BHC 1 at 278.9 m, (c) horizontal section in BHC 2 at 297.7 m, (d) horizontal section in BHC 2 at 289.0 m, (e) horizontal section in BHC 1 at 298.3 m with corresponding vertical section (g), (f) horizontal section in BHC 1 at 290.0 m with corresponding vertical section (h).

Figure 5

Fig. 6. Summary of c-axis patterns within the high closure interval, 289–302 m in BHC 2. (a) zones of high closure, (b) zones of low closure, (c) total c-axes measured between 289–302 m, which includes data collected between the high and low closure zones. The total plots are aligned with reference to the bubble elongation and the known elongation of a scribe mark on the ice core.

Figure 6

Fig. 7. Micrographs of deformation features in vertical thin sections of ice from 282.1 m in BHC 1. (a) Deformation lamellae (A) in four separate grains. (b) Deformation lamellae (A) and parallel microfractures (B) perpendicular to bubble trace (C) along a deformation band boundary parallel to the trace of the c-axis. Sub-horizontal bubble traces (D) are rehealed expansion cracks. (c) The blocky extinction pattern produced by the deformation lamellae (A) and parallel microfaults (B) with grain misorientations across deformation band boundaries.