A Field Study of Brine Drainage and Oil Entrainment in First-Year Sea Ice

Abstract

From field observations this paper describes the growth and development of first-year sea ice and its interaction with petroleum. In particular, when sea ice initially forms, there is an upward salt transport so that the ice surface has a highly saline layer, regardless of whether the initial ice is frazil, columnar, or slush ice. When the ice warms in the spring, because of the eutectic condition, the surface salt liquifies and drains through the ice, leading to the formation of top-to-bottom brine channels and void spaces in the upper part of the ice. If oil is released beneath winter ice, then the oil becomes entrained in thin lenses within the ice. In the spring, this oil flows up to the surface through the newly-opened brine channels and distributes itself within the brine-channel feeder systems, on the ice surface, and in horizontal layers in the upper part of the ice. The paper shows that these layers probably form from the interaction of the brine drainage with the percolation of melt water from surface snow down into the ice and the rise of the oil from below. Finally in the summer, the oil on the surface leads to melt-pond formation. The solar energy absorbed by the oil on the surface of these melt ponds eventually causes the melt pond to melt through the ice, and the oil is again released into the ocean.A partir d’observations de terrain, cet article décrit la croissance et le développement de la glace de mer de première année et de ses interactions avec le pétrole. En particulier, lorsque la glace de mer commence à se former, il y a un transport de sel vers le haut de sorte que la surface de la glace possède un niveau de haute salinité, que la glace initiale soit du frésil de la glace columnaire ou du “slush”. Lorsque la glace se réchauffe au printemps, en raison du phénomène d’ eutexie, le sel de surface se liquéfie et s’écoule à travers la glace, conduisant à la formation de chenaux de saumure de haut en bas et d’espaces vides dans la partie supérieure de la glace. Si le pétrole est répandu sous la glace de l’hiver, il est entrainé en minces lentilles dans la glace. Au printemps, le pétrole reflue jusqu’à la surface par les chenaux de saumure qui viennent de s’ouvrir et se répartit lui-même dans le réseau des conduits de saumure, à la surface de la glace et dans les niveaux horizontaux de la partie supérieure de la glace. L’article montre que ces niveaux se forment probablement par l’interaction de l’écoulement de la saumure, de la percolation de l’eau de fusion de la neige de surface à travers la glace et la remontée du pétrole depuis le dessous. Finalement en été, le pétrole en surface conduit à la formation de bassins de fusion. L’énergie solaire absorbée par le pétrole à la surface de ces bassins de fusion peut éventuellement les conduire à se vidanger par fusion à travers la glace, et le pétrole est à nouveau répandu dans l’océan.Auf Grund von Feldbeobachtungen beschreibt dieser Beitrag das Wachstum und die Entwicklung einjährigen Meereies und dessen Wechselwirkung mit Erdöl. Wenn Meereis sich zu bilden beginnt, findet im einzelnen ein Aufwärtstransport von Salz statt, dem zufolge auf der Eisoberfläche eine stark salzhaltige Schicht entsteht, unabhängig davon, ob das Eis zuerst Locker-, Säulen- oder Matscheis ist. Bei der Erwärmung im Frühjahr verflüssigt sich das Oberflächensalz infolge seiner eutektischen Konsistenz und fliesst durch das Eis ab, was zur Bildung von Solekanälen durch die ganze Eistafel und von Hohlräumen im oberen Bereich des Eises führt. Wird Öl unter Wintereis abgelassen, dann wird das Öl in Form dünner Linsen vom Eis aufgenommen. Im Frühjahr fliesst dieses Öl durch die neu eröffneten Solekanäle zur Oberfläche empor und verteilt sich im Zubringersystem der Solekanäle an der Oberfläche und in horizontalen Schichten im Oberteil des Eises. Es wird gezeigt, dass sich diese Schichten vermutlich aus der Wechselwirkung des Soleabflusses mit dem Absickern von Schmelzwasser aus dem Oberflächenschnee in das Eis und dem Aufsteigen des Öls von unten bilden. Im Sommer führt schliesslich das Öl zur Bildung von Schmelzpfannen an der Oberfläche. Die von diesen Pfannen absorbierte Sonnenenergie verursacht gelegentlich ein Durchschmelzen der Pfannen durch die Eistafel, wodurch das Öl wieder dem Meer zugeführt wird.