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Results of Measurements in the 309 Meter Bore Hole at Byrd Station, Antarctica

  • Anthony J. Gow (a1)

Abstract

Temperature, inclination, and closure have been measured in a 309 m. deep drill hole at Byrd Station, Antarctica. The results of five series of measurements taken yearly since February 1958 show that temperatures below 70 m. have remained constant since December 1958, that the closure rate has accelerated, and that the hole has undergone negligible inclination from the vertical. Anomalous temperatures in the upper levels of the drill hole are attributed to the steel casing that was permanently emplaced to a depth of 36 m. during drilling in 1957–58. A positive temperature gradient was observed in the casing, but negative gradients exist below the casing and a constant gradient profile is developed below 170 m. Both ice motion and climatic changes at Byrd Station are thought to have contributed to the formation of the observed negative temperature gradients. Insignificant bending of the drill hole would imply negligible differential motion in the upper 300 m. of the 2,400 m. thick ice sheet at Byrd Station. The rate of hole closure has accelerated throughout the 4 yr. period of observations, except at the bottom of the drill hole, where the most recent measurements (February 1962) show that some constraint is now developing. Deformation rates throughout the drill hole are not proportional to some constant power of the stress; instead the value of the power has been found to increase with both increasing stress and time of application of stress. This behavior is attributed to some process of continuous deformational recrystallization of ice in the walls of the drill hole. A recoring of the deformed drill hole to investigate such effects is advocated.

Résumé

La température, l’inclinaison et la vitesse de fermeture ont été mesurées dans un trou de forage de 300 m de profondeur à Byrd Station dans l’Antarctique. Les résultats de 5 séries de mesures prises chaque année depuis février 1958, montrent que les températures en-dessous de 70 m sont demeurées constantes depuis décembre 1958, que le taux de fermeture s’est accéléré et que le trou s’est incliné de façon négligeable par rapport à la verticale. Des températures anormales dans les niveaux supérieurs du trou sont attribuées au tubage qui a été mis en place de façon permanente à une profondeur de 36 m, durant le forage en 1957–58. Un gradient de température positif a été observé dans le tubage mais des gradients négatifs existent en-dessous et un profil à gradient Constant se développe à partir de 170 m. On pense que le mouvement de la glace et les variations climatiques à Byrd Station ont contribué à la formation des gradients de température négatifs observés. Une courbure insignifiante du trou indiquerait un mouvement différentiel négligeable dans les 300 m supérieurs, l’épaisseur de glace à Byrd Station étant de 2 400 m. Le taux de fermeture du trou s’est accéléré durant la période de 4 ans d’observation, à l’exception de la base du forage où les mesures les plus récentes (février 1962) montrent qu’une contrainte sc développe actuellement. Les taux de déformation le long du trou ne sont pas proportionnels à une puissance constante de la contrainte. Au lieu de cela, on a trouvé que la valeur de la puissance croissait à la fois avec une contrainte croissante et le temps d’application de cette contrainte. On attribue ce comportement à un processus de déformation continue par recristallisation de la glace sur les parois du trou. On préconise un nouveau forage du trou déformé pour étudier de tels effets.

Zusammenfassung

Temperatur, Neigung und Verengung eines 309 m tiefen Bohrloches in der Byrd Station, Antarktis, wurden gemessen. Die Ergebnisse von 5 Messerien, die jährlich seit Februar 1958 durchgeführt wurden, zeigen, dass die Temperaturen unterhalb 70 m seit Dezember 1958 konstant geblieben sind, dass die Geschwindigkeit der Verengung zunimmt, und dass das Loch nur eine vernachlässigbare Neigung gegenüber der Vertikalen erlitten hat. Anomale Temperaturen in den oberen Niveaus des Bohrlochs werden der Stahlverkleidung zugeschrieben, die während des Bohrens in den Jahren 1957–58 ständig bis zu einer Tiefe von 36 m angebracht war. Ein positiver Temperaturgradient wurde in den verkleideten Teil des Bohrlochs beobachtet, darunter jedoch existieren negative Gradienten, und ein konstantes Profil hat sich unterhalb 170 m entwickelt. Es wird angenommen, dass sowohl Eisbewegung als auch klimatische Anderungen an der Byrd Station zu der Bildung der beobachteten negativen Temperaturgradienten beigetragen haben. Die unbedeutende Verkrümmung des Bohrloches würde eine vernachlässigbare differentielle Bewegung in den oberen 300 m der 2400 m dicken Eisschicht in Byrd Station nahelegen. Die Geschwindigkeit der Verengung des Loches hat während der ganzen vierjährigen Beobachtungsperiode zugenommen, ausser am Boden des Bohrloches, wo die neuesten Messungen (Februar 1962) zeigen, dass sich dort jetzt eine gewisse Zwangsläufigkeit entwickelt. Die Deformationen entlang dem Bohrloch sind nicht proportional zu einer bestimmten Potenz der Spannung. Stattdessen wurde gefunden, dass der Exponent der Potenz sowohl mit wachsender Spannung als auch mit der Zeit seiner Einwirkung zunimmt. Dieses Verhalten wird einem gewissen Prozess von dauernder Deformations-Rekristallisation des Eises der Bohrlochwand zugeschrieben. Eine abermalige Bohrung des deformierten Bohrlochs zue Untersuchung solcher Effekte wird empfehlen.

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