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Electrical Resistivity Measurements On The Ross Ice Shelf*

  • Charles R. Bentley (a1)

Abstract

Electrical resistivity measurements were made along two perpendicular profiles on the Ross Ice Shelf, Antarctica, in 1973–74. Apparent resistivities are generally well determined at electrode separations from 10 m out to 600 m, where the effect of the highly conducting sea-water beneath the shelf becomes strongly fell. Schlumberger and equatorial-dipole data are in excellent agreement on each profile; apparent resistivities on the two profiles, however, differ by about 12% at separations greater than about 30 m. This apparent anisotropy is attributed to a presumed inhomogeneity at a few tens of meters depth, rather than to true anisotropy in the bulk resistivity.

A computer program has been developed to calculate apparent resistivities on an ice shelf in which the density and temperature, and thus the resistivity, vary continuously with depth. Temperatures have been calculated according to the analysis of Crary (1961 [b]) for a steady-state ice shelf; densities have been calculated from seismic velocity data. Several different models of the dependence of resistivity on density have been tested—one appears to fit the observations very closely, but it must be accepted only with great caution because the assumptions on which it is based are violated in the ice shelf.

The activation energy and the rate of bottom melting or freezing upon which the temperature-depth variations depend have been treated as variable parameters in the modeling. The most satisfactory model corresponds to a melt/freeze rate close to zero, and an activation energy, 0.25 eV (24 kJ mol−1), in agreement with laboratory measurements on Antarctic ice samples, although less than that suggested by previous field measurements. However, since the actual temperatures in the ice shelf are unknown, models that combine a substantial melt rate with a higher activation energy, or a substantial freeze rate with a lower activation energy, cannot be ruled out at present. Future measurements in places where the temperature profile is known should resolve this uncertainty.

The actual resistivity in the solid ice at a depth of about 100 m (temperature about —23°C), lies within ±10% of 70000 Ω m, thus once again confirming the very low resistivities typical of polar glacial ice. The resistivity is, in fact, only about half that found near Roosevelt Island to the north and “Byrd” station to the east. That difference is believed to be real, but its cause is not known and probably will not be known until the basic cause for the generally low resistivity of polar ice is better understood.

Résumé

Des mesures de résistivité électrique ont été faites selon deux profils perpendiculaires dans le Ross Ice Shelf eu Antarctique, en 1973–74. Les résistivités apparentes sont, en général, bien déterminées pour des distances entre électrodes allant de 10 à 600 m. distance à laquelle l'influence de l'eau de mer conductrice sous la calotte devient très sensible,

Les données de l'appareil Schlumberger et du dipole equatorial concordent très bien dans chaque profil; les résistivités apparentes des deux profils cependant diffèrent d'environ 12% pour des distances entre électrodes supérieures à environ 30 m. Cette anisotropie apparente est attribuée à une inhomogénéilé présumée à quelques dizaines de mètres de profondeur plutôt qu'à une véritable anisotropie dans la résistivité de la masse.

Un programme sur ordinateur a été élaboré pour calculer les résistivités apparentes d'une calotte de glace dans laquelle densité et température, et donc la résistivité, varient de manière continue avec la profondeur. Les températures ont été calculées d'après l'analyse de Crary (1961 [b]) pour une calotte en état d'équilibre; les densités ont été calculées à partir des vitesses déterminées par la sismique.

On a essayé plusieurs modèles différents pour la loi qui fait dépendre la résistivité de la densité. L'un d'eux semble s'ajuster fort bien avec les observations mais on ne doit l'admettre qu'avec beaucoup de précautions parce que les hypothèses sur lesquelles il repose ne sont pas réalisées dans la plateforme.

L'énergie d'activation et les vitesses de fusion ou de regel à la base de la plateforme dont dépendent les variations de la température en fonction de la profondeur ont été traitées dans la modélisation comme des paramètres indépendants. Le modèle le plus satisfaisant correspond à une vitesse de fusion ou regel proche de zéro ct à une énergie d'activation de 0,25 eV (24 kJ mol−1), en conformité avec les mesures en laboratoires sur des échantilions de glace arctique, quoique moindre que celle suggérée par de précédentes mesures de terrain. Cependant puisque les températures réelles dans la calotte sont inconnues, les modèles qui prennent en compte une forte vitesse de fusion avec une plus forte énergie d’activation, ou une forte vitesse de regel avec une plus faible énergie d’activation, ne peuvent pas être rejetés pour le moment. Durant la saison 1976-77 les mesures de résistivité seront faites à proximité d’un sondage dans la calotte où les températures seront connues, ce qui nous donnera une meilleure connaissance de l’énergie d’activation et, par conséquent, de l’effet de la densité. Des mesures ultérieures en d’autres emplacements pourront alors fournir des températures avec une précision de un à deux degrés, et conduire, si la plateforme est en état d’équilibre, à une précision de peut-être ±0,1 m/an dans l’estimation des vitesses de fontes ct de regel à la base. Si la plateforme n’est pas en état d’équilibre, les mesures de résistivilé peuvent, espère-t-on, déboucher sur un modèle valable du changement en cours.

La résistivité réelle dans la glace solide à une profondeur d’environ 100 m (température de l’ordre de — 23°C) est, à 10% près de 70000 Ωm ce qui confirme à nouveau les très basses résistivités qui caractérisent la glace des glaciers polaires. La résistivité est, en fait, seulement la moitié de celle trouvée près de Roosevelt Island au Nord de la station “Byrd” à l’Est. On pense que cette différence est bien réelle mais son explication n’est pas connue et ne sera probablement pas connue tant que la raison profonde de la faiblesse de la résistivité de la glace polaire ne sera pas mieux comprise.

Zusammenfassung

Entlang zweier senkrecht zueinander verlaufenden Profile auf dem Ross Ice Shelf wurden im Sommer 1973-74 elektrische Widerstandsmessungen vorgenommen. Scheinbare Widerstände lassen sich im allgemeinen bei Elektrodenabständen von 10 m bis zu 600 m gut bestimmen; bei grösseren Auslagen macht sich der Einfluss des hoch leitfähigen Meereswassers unter dem Schelf stark bemerkbar. Daten von Schlumberger- und äquatorial-Dipolen stimmen bei jedem Profil ausgezeichnet überein; doch weichen die scheinbaren Widerstände um etwa 12% bei Auslagen von mehr als 30 m voneinander ab. Diese scheinbare Anisotropie ist eher der anzunehmenden Inhomogenität bis zu einer Tiefe von einigen Dekametern zuzuschreiben als einer wirklichen Anisotropie im Gesamtwiderstand.

Zur Berechnung des scheinbaren Widerstandes auf Schelfeisen wurde ein Computer-Programm entwickelt, in dem Dichte und Temperatur, und damit der Widerstand, kontinuierlich mit der Tiefe variieren. Die Temperaturen wurden entsprechend der Analyse von Crary (1961 [b]) für ein stationäres Schelfeis berechnet; die Dichten wurden aus seismischen Geschwindigkeitsdaten hergeleitet. Verschiedene Modelle für die Beziehung zwischen Widerstand und Dichte wurden geprüft, von denen eines sehr gut zu den Beobachtungen zu passen scheint; doch muss es mit allem Vorbehalt betrachtet werden, weil die Annahmen, auf denen es beruht, im Schelfeis nicht zutreffen.

Die Aktivationsenergie und das Ausmass des Schmelzern oder Anfrierens am Untergrund, wovon die änderung der Temperatur mit der Tiefe abhängt, wurden als variable Parameter in das Modell eingeführt. Das am meisten befriedigende Modell entspricht einer Abschmelz/Gefrierrate von nahezu Null und einer Aktivationsenergie von 0,25 eV (24 kJ mol−1), was mit Labormessungen an antarktischen Eisproben übereinstimmt, jedoch unterhalb der Annahmen aus früheren Feldmessungen liegt. Da jedoch die tatsächlichen Temperaturen im Schelfeis unbekannt sind, können Modelle, die eine beträchtliche Schmelzrate mit einer höheren Aktivationsenergie oder eine wesentliche Gefrierrate mit einer geringeren Aktivationsenergie kombinieren, derzeit nicht ausgeschlossen werden. Zukünftige Messungen an Stellen wo das Temperaturprofil bekannt ist sollten diese Ungewissheit lösen.

Der tatsächliche Widerstand im festen Eis bei einer Tiefe von etwa 100 m (Temperatur c. — 23°C) liegt mit einer Schwankungsbreite von 10% bei 70 000 Ω m, womit erneut die für polares Gletschereis typischen sehr niedrigen Widerstandswerte bestätigt werden. Der Widerstand ist tatsächlich nur etwa halb so gross als der nahe von Roosevelt Island nach Norden und bei der “Byrd”-Station nach Osten gemessene. Dieser Unterschied ist als reell zu betrachten, doch ist seine Ursache unbekannt und wird es vermutlich auch bleiben, bis der tiefere Grund für den generell niedrigen Widerstand von polarem Eis besser verstanden wird.

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University of Wisconsin. Geophysical and Polar Research Center Contribution No. 324.

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