Bubbles and Bubble Pressures in Antarctic Glacier Ice

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...