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Ice Fabrics in a Vertical Flow Plane, Barnes Ice Cap, Canada

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Roger Leb. Hooke
Affiliation:
Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota 55455, U.S.A.
Peter J. Hudleston
Affiliation:
Department of Geology and Geophysics, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota 55455, U.S.A.
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Abstract

At a depth of about 75 m in the lower part of the accumulation area of the Barnes Ice Cap there is a change from fine-grained ice with a weakly-oriented c-axis fabric to coarser ice with a broad single-maximum fabric. At a depth of about 150 m the single maximum becomes elongate perpendicular to the direction of bubble elongation, and then splits into two distinct maxima making an angle of about 40–45° with respect to one another. At greater depths a third and finally a fourth maximum appear, forming the well known diamond pattern. Mean crystal size does not seem to increase in the transitions from one to two and thence to three maxima, but it may become more uniform. Crystal size does increase in the transition from three to four maxima, however. At the base of the glacier there is a 10–20 m thick layer of unusually-bubbly, fine-grained white ice with a strong single-maximum fabric.

The depths to the transitions increase up-glacier and in place of the single-maximum fabric a small-circle pattern is found. Down-glacier the depths to the transitions decrease, systematically eliminating the higher zones. Thus in the lower part of the ablation area, ice with a four-maximum fabric appears at the surface.

The independent variables governing these fabric transitions appear to be temperature T, stress τ, and cumulative strain ³ oc. In a tentative stability diagram showing the fields in which given fabrics are stable in Tτ³ oc space, multiple-maximum fabrics occur at high temperatures (> —10°C) and at moderate to high stresses, weakly-oriented fabrics at low stresses or low cumulative strains, broad single-maximum fabrics at moderate stresses or moderate cumulative strains, and strong single-maximum fabrics at high stresses or large cumulative strains.

Résumé

Résumé

A une profondeur d’environ 75 m dans la partie inférieure de la zone d’accumulation du Barnes Ice Cap, on constate un changement de la glace à grains fins avec une orientation faible des axes-c vers une glace plus grossière avec une cristallisation à un seul large maximum. A une profondeur d’environ 150 m, le maximum unique devient allongé perpendiculairement à la direction de l’allongement des bulles, et se divise en deux maximums distincts faisant entre eux un angle d’environ 40 à 45°. A des profondeurs plus grandes, un troisième et finalement un quatrième maximum apparaît formant la structure bien connue en losange. La taille des cristaux s’accroît cependant encore dans la transition de trois à quatre maximums. A la base du glacier, il y a un niveau de 10 à 20 m d’épaisseur de glace blanche exceptionnellement bulleuse, à grains fins avec une structure à un seul maximum très marqué.

Les profondeurs pour atteindre les transitions décrites croissent en remontant vers le haut du glacier et, à la place de la structure à un seul maximum, on trouve une petite structure circulaire. Vers le bas du glacier les profondeurs jusqu’aux zones de transition décroissent, les zones les plus hautes étant systématiquement éliminées. C’est ainsi que dans la partie inférieure de la zone d’ablation, la glace à quatre maximums apparaît en surface.

Les variables indépendantes réglant ces transitions entre structures semblent être la température T, la contrainte τ et la déformation cumulée ³ oc. Dans un essai de diagramme de stabilité montrant les domaines dans lesquels une structure donnée est stable dans un espace en T, τ et ³ oc, des structures à maximums multiples apparaissent à hautes températures (> — 10°C) et pour des efforts modérés à forts, une structure faible pour des efforts faibles ou de faibles déformations cumulées, des structures à large maximum unique pour des efforts modérés ou des déformations cumulées modérées, et une structure à maximum unique très marqué pour des efforts importants ou de grandes déformations cumulées.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In einer Tiefe von etwa 75 m tritt im unteren Teil des Akkumulationsgebietes des Barnes Ice Cap ein Wechsel von feinkörnigem Eis mit einheitlicher Orientierung der c-Achsen zu gröberem Eis mit einem breiten Einzel-Maximum-Gefüge ein. In einer Tiefe von etwa 150 m dehnt sich das Einzel-Maximum senkrecht zur Richtung der Blasendehnung und spaltet sich dann in zwei getrennte Maxima auf, die einen Winkel von etwa 40–45° einschliessen. In grösseren Tiefen erscheint ein drittes und schliesslich ein viertes Maximum, das wohlbekannte Diamant-Muster bildend. Die mittlere Kristallgrösse scheint beim Übergang von einem zu zwei und dann zu drei Maxima nicht zuzunehmen, doch dürfte sie einheitlicher werden. Beim Übergang von drei zu vier Maxima hingegen wächst die Kristallgrösse. Am Grunde des Gletschers tritt eine 10–20 m dicke Schicht ungewöhnlich blasenreichen, feinkörnigen weissen Eises mit einem deutlichen Einzel-Maximum-Gefüge auf.

Die Tiefe der Übergangszonen nimmt gletscheraufwärts zu; anstelle des Einzel-Maximum-Gefüges erscheint ein Muster kleiner Kreise. Gletscherabwärts nimmt die Übergangstiefe ab, wobei die höheren Zonen systematisch verschwinden. So erscheint im unteren Teil der Ablationszone Eis mit einem Vier-Maxima-Gefüge an der Oberfläche.

Die unabhängigen Variablen, welche diese Gefügeübergänge steuern, scheinen die Temperatur T, der Druck τ und die kumulative Spannung ³ oc zu sein. In einem versuchsweise konstruierten Stabilitätsdiagramm, das die Felder aufzeigt, in denen gegebene Gefüge im Tτ³ oc-Raum stabil sind, treten Gefüge mit mehrfachen Maxima bei hohen Temperaturen und bei mässigen bis hohen Drucken, einheitliche Gefüge bei niedrigen Drucken oder niedriger kumulativer Spannung, breite Einzel-Maximum-Gefüge bei mässigen Drucken oder kumulativen Spannungen und deutliche Einzel-Maximum-Gefüge bei hohen Drucken oder grossen kumulativen Spannungen auf.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1. Map of the south dome of Barnes Ice Cap showing bore-hole locations.

Figure 1

Fig. 2. Fabric diagrams and line drawings of crystal boundaries from cores from holes T061, T081, and T0975, and structural cross-section showing hole and core locations.

Figure 2

Fig. 2. Fabric diagrams and line drawings of crystal boundaries from cores from holes T061, T081, and T0975, and structural cross-section showing hole and core locations.

Figure 3

Fig. 3. Fabric diagrams and line drawings of crystal boundaries from cores from hole T020. For explanation see Figure 2b.

Figure 4

Fig. 4. Fabric diagrams and line drawings of crystal boundaries showing changes with distance along particle paths. For explanation see Figure 2b.

Figure 5

Fig. 5. Photograph of thin section from T081, 144m. Crossed nicols. Grid spacing is 10 mm. Black cells may all be one crystal.

Figure 6

Fig. 6. Sketch of a typical crystal in ice with a multiple-maximum fabric. Based on thin sections. Drawn by R. Venkatakrishnan.

Figure 7

Fig. 7. Weighted mean cell area in bore holes and surface samples.

Figure 8

Fig. 8. (a) Cumulative strain parameters in the bore hole T020. (b) Strain-rate parameters in T020. If simple shear alone were acting θS would be given by points on the line θSSS. (c) Parameters used to describe cumulative strain. The reference line is horizontal and the arrow is in the direction of flow. Similar quantities can be defined for strain-rate.

Figure 9

Fig. 9. (a) Cumulative strain parameters in bore hole T081. (b) Strain-rate parameters for T081. Symbols same as in Figure 8.

Figure 10

Table I. Strain values at transitions from one fabric pattern to another

Figure 11

Fig. 10. Stability diagram for various fabrics developed in simple shear in T–τ space with ³oc indicated numerically where known. Points with ³oc < 1.5 are for transition from weakly-oriented to lower single-maximum fabrics. Points with ³oc > 2 are for transition from lower single-maximum to multiple-maximum fabrics. Lines are projected onto plane of diagram from third dimension, ³oc. Thus ³oc varies along lines.

Figure 12

Fig. 11. Schematic stability diagram for various fabrics developed in simple shear in Tτ³oc space. Scales on axes are approximate. Drawn by R. Venkatakrishnan.