On the Origin of Stratified Debris in Ice Cores from the Bottom of the Antarctic Ice Sheet

Abstract

Cores from the bottom 4.83 m of the Antarctic ice sheet at Byrd Station contain abundant stratified debris ranging from silt-sized particles to cobbles. The nature and disposition of the debris, together with measurements of the physical properties of the inclosing ice, indicate that this zone of dirt-laden ice originated by “freezing-in” at the base of the ice sheet. The transition from air-rich glacial ice to ice practically devoid of air coincided precisely with the first appearance of debris in the ice at 4.83 m above the bed. Stable-isotope studies made in conjunction with gas-content measurements also confirm the idea of incorporation of basal debris by adfreezing of melt water at the ice―rock interface. It is suggested that the absence of air from basal ice may well constitute the most diagnostic test for discriminating between debris incorporated in a melt―refreeze process and debris entrapped by purely mechanical means, e.g. shearing. We conclude from our observations on bottom cores from Byrd Station that “freezing-in” of basal debris is the major mechanism by which sediment is incorporated into polar ice sheets. Résumé Sur l’origine des sédiments stratifiés dans les carottes de glace provenant du fond de la calotte glaciaire Antarctique. Des carottes provenant des 4,83 derniers mètres avant le fond de la calotte Antarctique à la station Byrd contiennent une grande quantité de matériaux solides par couches stratifiées allant de la taille des grains de limon à celle de galets. La nature et la disposition de ces sédiments, ainsi que la mesure des propriétiés physiques de la glace qui les emballe, indiquent que cette zone de glace sale a pour origine le gel au fond à la base de la calotte. La transition entre la glace de glacier riche en air à la glace pratiquement dépourvue d’air coïncide précisément avec la première apparition de sédiment dans la glace à 4,83 m au dessus du lit. Les études d’isotope stables faites en liaison avec les mesures de teneur en gaz confirment l’idée d’une incorporation des débris du fond par regel de l’eau de fusion à l’interface glace–roche. On suggère que l’absence d’air dans la glace de fond peut bien constituer le meilleur test pour distinguer entre les sédiments incorporés dans un processus fusion-regel et ceux qui sont captés par des moyens purement mécaniques par exemple par cisaillement. Nous concluons de nos observations sur les carottes du fond issues de la station Byrd que le gel au fond des sédiments est le mécanisme principal d’incorporation des sédiments dans les calottes glaciaires polaires. Zusammenfassung Über den Ursprung geschichteten Schuttes in Eiskernen vom Untergrund des antarktischen Eisschildes. Kerne aus den untersten 4,83 m des antarktischen Eisschildes bei der Byrd-Station enthalten reichlichen, geschichteten Schutt von der Grösse verschlämmter Partikel bis zu der von Steinen. Die Art und Anordnung des Schuttes lassen zusammen mit Messungen der physikalischen Eigenschaften des einschliessenden Eises darauf schliessen, dass diese Zone verschmutzten Eises durch Einfrieren am Grunde des Eisschildes entstanden ist. Der Übergang von luftreichem zu praktisch luftleerem Eis fällt genau mit dem ersten Auftreten von Schutt im Eis, 4,83 m über dem Bett, zusammen. Studien mit stabilen Isotopen, die in Verbindung mit Gasgehaltsmessungen angestellt wurden bestätigen ebenfalls die Vorstellung von der Aufnahme des Untergrundschuttes durch Anfrieren von Schmelzwasser an der Grenzfläche zwischen Eis und Fels. Es wird vermutet, dass das Fehlen von Luft im Eis das sicherste Kriterium für die Unterscheidung zwischen Schutt, der durch einen Schmelz- und Regelationsprozess ins Eis gelangte, und solchem, der durch rein mechanische Vorgänge, z.B. Scherung, aufgenommen wurde, darstellt. Die Beobachtungen an Tiefkernen von der Byrd-Station lassen darauf schliessen, dass das Einfrieren von Schutt der wichtigste Mechanismus ist, durch den Sedimente in polare Eisschilde gelangen.