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Discontinuous Flow, Ice Texture, and Dirt Content in the Basal Layers of the Devon Island Ice Cap

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

R. M. Koerner
Affiliation:
Polar Continental Shelf Project, Department of Energy, Mines and Resources, Ottawa, Ontario KIA OE4, Canada
D. A. Fisher
Affiliation:
Polar Continental Shelf Project, Department of Energy, Mines and Resources, Ottawa, Ontario KIA OE4, Canada
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Abstract

Surface-to-bedrock cores obtained with a CRREL thermal drill were taken in 1972 and 1973 from the top of the Devon Island ice cap. There are very pronounced variations in oxygen isotope, micro-particle concentration, and ice texture in the lowermost 5 m of the core. There is a section of isotopically cold, very fine bubbly ice with high micro-particle concentrations between 2.6 and 4.4 m above the bed, considered to represent the Last Ice Age. There is coarse, isotopically warm, clean ice above and below this. For 1.2 m above the bed, the ice is finer again with high micro-particle concentrations but it shows very low bubble concentration and is isotopically the warmest in the core. While the broad variations are common to both cores, in detail there are significant variations despite the fact that the cores were taken only 27 m apart. The variations, when analysed statistically, show that at least 25–30% of the originally continuous profile is missing from each core. Faulting within the near-bedrock ice may be responsible for some of the effect but bubble fabric also gives evidence for irregular non-laminar flow. Because of the strong relationship between crystal size and micro-particle concentrations in the Devon Island cores, it is suggested that the fine-grained nature of dirty layers in the Antarctic and Greenland ice sheets is due to the effect of the dirt inclusions and not of shearing. Steep isotopic gradients in the Devon Island cores are shown to be evidence for possible shearing, which does not effect any change in the crystal texture. Clear ice near the bed is considered a tectonic feature, but the lack of effect on its bed by the ice cap confirms the non-erosional nature of an ice cap frozen to its bed.

In terms of paleoclimatic history, it means that, because of bedrock effects, ice caps of intermediate depth (i.e. <400 m) can give continuous information only over the last approximate 5 000 years. Between 5 000 and 10 000 B.P. the time series becomes slightly discontinuous and beyond 10 000 B.P. so discontinuous as to allow only broad climatic inferences to be drawn.

Résumé

Résumé

On a prélevé avec une sonde thermique CRREL des carottes continues surface―bedrock en 1972 et 1973 depuis le sommet de la calotte glaciaire de l’ Île Devon. Il y a des variations très prononcées en isotopes de l’ oxygène, en concentration en micro-particules et en texture de la glace dans les cinq derniers mètres au bas de la carotte. Il y a une section d’une glace isotopiquement froide, très finement bulleuse, riche en micro-particules entre 2,6 et 4,4 m au dessus du lit, que l’on considère comme représentant le Dernier Age Glaciaire. Au dessus et en dessous, on trouve une glace propre, à gros grains, isotopiquement chaude. Sur 1,2 m au dessus du lit, la glace est de nouveau à grains plus fins avec une forte concentration en bulles et est, isotopiquement la glace la plus chaude de la carotte. Bien que de fortes variations soient courantes dans les deux carottes, il y a dans les détails des variations significatives entre les deux carottes en dépit du fait qu’elles ont été prélevées à seulement 27 m l’une de l’autre. Les variations ont été analysées statistiquement, elles montrent qu’au moins 25 à 30% du profil continu originel manque dans chaque carotte. Des défauts dans la glace voisine du bedrock peuvent être responsables de certains de ces effets mais la production de bulles montre aussi des preuves d’un écoulement irrégulier non laminaire. En raison de l’étroite relation entre la taille des cristaux et la concentration en microparticules dans les carottes de l’Île Devon, on suggère que la structure à grains fins des niveaux salés dans les Calottes Antarctique et Groënlandaise est due à l’effet des inclusions d’impuretés et non au cisaillement. On montre que de forts gradients isolopiques dans les échantillons de l’Île Devon sont des signes d’un possible cisaillement, qui n’affecte en rien la texture cristalline. La glace claire près du lit est ronsidérée comme un caractère tectonique mais l’absence d’action de la calotte sur son lit confirme la nature non érodante d’une calotte de glace froide sur son lit.

En terme d’histoire des paléoclimats, ceci signifie que, à cause des effets de lit, les calottes de glace d’épaisseur intermédiaire (c’est-à-dire inférieure à 400 m) ne peuvent donner d’informations continues que sur environ les 5 000 dernières années. Entre 5 000 et 10 000 ans avant nos jours, la série temporelle devient peu à peu discontinue et au delà de 10 000 ans si discontinue qu’elle ne permet plus que des conclusions à très grands traits sur les climats.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Am Scheitel der Devon Island-Eiskappe wurden 1972 und 1973 mit einem thermischen CRREL-Bohrer Kerne von der Oberfläche bis zum Felsbett gewonnen. In den 5 untersten Metern des Kernes treten sehr deutliche Schwankungen der Sauerstoff-Isotope, der Konzentration an Mikropartikeln und der Eistextur auf. Zwischen 2,6 und 4,4 m über dem Bett liegt eine Zone isotopisch kalten, sehr feinen, blasenreichen Eises mit hoher Konzentration an Mikropartikeln, die als Repräsentant der letzten Eiszeit anzusehen ist. Darüber und darunter findet sich grobes, isotopisch warmes, sauberes Eis. Ab 1,2 m über dem Bett ist das Eis noch feiner mit hoher Konzentration an Mikropartikeln, aber es enthält nur wenige Blasen und ist das isotopisch wärmste des ganzen Kernes. Während die grösseren Schwankungen beiden Kernen gemeinsam sind, weisen sie im Detail doch signifikante Unterschiede auf, obwohl sie nur 27 m auseinander liegen. Analysiert man die Schwankungen statistisch, so findet man, dass zumindest 25–30% des ursprünglich kontinuierlichen Profils in beiden Kernen fehlen. Faltungen im untergrundsnahen Eis mögen teilweise für diesen Effekt verantwortlich sein, aber auch das Blasengefüge gibt Hinweise auf unregel-mässiges, nicht-laminares Fliessen. Im Hinblick auf die strenge Beziehung zwischen Kristallgrösse und Konzentration an Mikropartikeln in den Kernen von Devon Island wild angenommen, dass die feinkörnige Natur von Schmutzschichten in den Eisschilden Grönlands und der Antarktis eine Folge der Schmutzeinschlüsse und nicht der Scherung ist. Steile isotopengradienten in den Devon Island-Kernen können als Beweis für mögliche Scherung gelten, die jedoch keine Änderung in der Kristalltextur bewirkt. Klares Eis nahe am Untergrund wird als tektonische Erscheinung betrachtet, doch bestätigt der Mangel an Wirkungen der Eiskappe auf ihr Bett den nicht-erosiven Charakter einer angefrorenen Eiskappe.

Hinsichtlich der paläoklimatischen Vorgeschichte lässt sich feststellen, dass Eiskappen mittlerer Dicke (d.h. 400 m) infolge von Untergrundseffekten nur über etwa 5000 Jahre kontinuierliche Informationen liefern können. Zwischen 5000 und 10000 Jahren vor der Gegenwart wird die Zeitreihe leicht diskontinuierlich und früher als 10000 Jahre zurück so unregelmässig, dass nur allgemeine klimatische Schlüsse gezogen werden können.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1979
Figure 0

Fig. I. Ice-tkickness profile up the flow line from the Devon Island ice-cap cores. As the surface elevations change smoothly by only 38 m, this profile very closely approximates the bedrock profile.

Figure 1

Table I

Figure 2

Fig. 2. Crystal-size, micro-particle concentration, and δ18O profiles for the lowermost 7 m of: a. Devon Island 1972 core D72; b. Devon Island 1973 core D73, which were taken 27 m apart at the top of the Devon Island ice cap. The crystal-size and micro-particle concentration are plotted on a log scale. Errors in sample position are ± 3 cm. The gap in D72 particulate and crystal data is due to the loss of a 15 cm core piece. It is possible that the 8 cm plotted below this missing piece should in fact be above it.

Figure 3

Fig. 3. Bubble textures and fractures in core D72 at 3.5 m above the bed (left-hand photograph) and 8.0 m above the bed. The 3.5 m above-bed picture shows the dense bubble texture of “cold” Wisconsinan ice. The 8.0 m above-bed picture shows the fracturing typical of most of the lower half of the 298.9 m core in addition to bubble stretching and variable layer thickness (section A) at this depth. The sections are shown in their true orientation.

Figure 4

Fig. 4. Ice crystal-size variations 4.1–4.2 m above the bed. Note the fine-grained layer at A and the fine-grained section below B. Stringers (see text) appear in the middle of the photograph and again on the right-hand side below B. The slide is shown in its true orientation.

Figure 5

Fig. 5. Tracing of an ice thin section showing the discontinuity between fine ice of Wisconsinan age (above arrows) and coarse ice of pre-Wisconsinan age in D72. The discontinuity is 2.6 m above the bed.

Figure 6

Fig. 6. Photograph taken of bedrock at the base of a 337 m hole drilled on the Agassiz Ice Cap, northern Ellesmere Island in May 1977. The bore-hole diameter is 16 cm.