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Crystal-orientation fabric variations on the cm-scale in cold Alpine ice: Interaction with paleo-climate proxies under deformation and implications for the interpretation of seismic velocities

Kerch, Johanna Katharina

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Download (55MB) | Lizenz: Creative Commons LizenzvertragCrystal-orientation fabric variations on the cm-scale in cold Alpine ice: Interaction with paleo-climate proxies under deformation and implications for the interpretation of seismic velocities by Kerch, Johanna Katharina underlies the terms of Creative Commons Attribution 3.0 Germany

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Abstract

The macroscopic flow of a glacier is substantially influenced by the plastic anisotropy of individual ice crystals on the microscale. A preferred crystal orientation develops with depth in a glacier and is subjected to the influence of the temperature, deformation and recrystallisation regime as well as the climate-dependent impurity load in the ice. Detailed knowledge about the crystal anisotropy in a glacier is thus required to better constrain the response of ice sheets in a changing climate. While the gradual change in anisotropy on a large scale of tens to hundreds of metres can mostly be explained, this is not the case for changes in anisotropic fabric on a shorter scale of centimetres to decimetres. This work aims to improve the understanding of how and why the anisotropic crystal-orientation fabric (COF) changes on a short scale in a glacier. Fabric data from an ice core, drilled at the high-altitude Alpine site Colle Gnifetti, were measured in continuously sampled sections, covering 10 % of the entire core length. The distribution of crystal axes was analysed in high-resolution together with impurity data from meltwater analysis. It is found that the fabric anisotropy exhibits a strong variability on the short scale in all depths of the ice core with extreme eigenvalue differences within one metre of ∼ 0.2, often associated with small- or large-grained layers. The clear connection between the grain size variation and the impurity content leads to the conclusion that the influence of impurities on short-scale fabric variations is partially conveyed by the impurity-controlled grain size in combination with the local deformation regime. To further connect ice-core fabric data and COF measurements using seismics, a framework for the exact calculation of seismic phase velocities based on the asymmetric fabric distributions obtained from ice cores is developed and evaluated in two case studies.

Translation of abstract (German)

Das Fließverhalten eines Gletschers wird maßgeblich durch die plastische Anisotropie der einzelnen Eiskristalle bestimmt. Mit zunehmender Tiefe in einem Gletscher richten sich die anisotropen Kristalle in Abhängigkeit von Temperatur-, Deformations- und Rekristallisationsregime sowie den klimaabhängigen Verunreinigungen, die ins Eis eingetragen werden, aus. Um die Reaktion der Eisschilde auf ein sich veränderndes Klima besser verstehen zu können, bedarf es daher genauer Kenntnisse über die Kristallanisotropie. Die graduelle Veränderung der Anisotropie, wenn man sie in großen Abständen betrachtet, kann weitgehend erklärt werden, aber auf kurzen Distanzen ist dies nicht der Fall. Diese Arbeit soll dazu beitragen, zu verstehen, wie und warum die Anisotropie im Gletscher auf kurzen Distanzen variiert. An einem Eiskern vom hochalpinen Gletscher Colle Gnifetti wurden COF-Daten entlang kontinuierlicher Bereiche erhoben, insgesamt über 10 % der Kernlänge. Die Verteilung der Kristallachsen wurde hochaufgelöst und im Vergleich mit Spurenstoffdaten aus der Schmelzanalyse analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine starke Variabilität der Anisotropie auf kurzen Distanzen mit Eigenwertdifferenzen von etwa 0.2 innerhalb eines Meters, oftmals im Einklang mit fein- oder grobkörnigen Schichten. Der eindeutige Zusammenhang zwischen der Korngröße und der Spurenstoffkonzentration führt zu dem Schluss, dass die kurzskaligen COF-Variationen indirekt über die Korngröße durch die Verunreinigungen beeinflusst sein können, bei gleichzeitiger Abhängigkeit von der lokalen Deformation. Für die Verknüpfung von COF-Daten aus Eiskern- und seismischen Messungen wurde eine Methode zur exakten Berechnung von seismischen Phasengeschwindigkeiten anhand von asymmetrischen Kristallachsenverteilungen aus Eiskernmessungen entwickelt und in zwei Fallstudien angewendet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Eisen, Prof. Dr. Olaf
Date of thesis defense: 28 November 2016
Date Deposited: 02 Jan 2017 14:48
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
550 Earth sciences
Uncontrolled Keywords: Crystal-orientation fabric; Colle Gnifetti; Second-order orientation tensor eigenvalues; short-scale variations; elasticity tensor of polycrystalline ice; polarisation microscopy
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