ליבת קרח היא עמוד אנכי שנקדח דרך קרחון ודוגם את השכבות שנוצרו דרך מחזור שנתי של שלג ושל שלג נמס. כאשר השלג מצטבר, כל שכבה נלחצת על גבי השכבות התחתונות, מה שהופך אותן לדחוסות יותר עד שהן הופכות לשכבת שלג ישנה, הנקראת פירן (Firn) . פירן אינו צפוף מספיק כדי למנוע בריחת אוויר; אך בצפיפות של בערך 830 ק"ג / מ' 3 הוא הופך לקרח, והאוויר שבפנים אטום, כך שבועות אוויר לוכדות את הרכב האטמוספירה בזמן שנוצר הקרח. העומק שבו תהליך זה קורה משתנה עם המיקום, אך בגרינלנד ובאנטארקטיקה הוא נע בין 64 מ' עד 115 מ'. מכיוון שקצב ירידת השלג משתנה מאתר לאתר, הגיל של הפירן כשהוא הופך לקרח מגוון מאוד. במחנה הפסגה (Summit Camp) בגרינלנד עומקו 77 מ' והקרח בן 230 שנה; בכיפה C באנטארקטיקה עומקו 95 מ' וגילו 2,500 שנה. ככל שנבנות שכבות נוספות, הלחץ עולה, ובסביבות 1,500 מ' מבנה הגביש של הקרח משתנה ממשושה לקובייתי, ומאפשר למולקולות אוויר לנוע אל גבישי הקוביות וליצור סריגים (Clathrate compound). הבועות נעלמות והקרח הופך לשקוף יותר.
שניים או שלושה מטרים של שלג עשויים להפוך לפחות מרגל (30 ס"מ בערך) של קרח. המשקל שלמעלה הופך שכבות קרח עמוקות יותר לדקות וזורמות החוצה. קרח הולך לאיבוד בקצוות של הקרחון והופך לקרחונים, או עובר התכה (המסה) בקיץ, והצורה הכללית של הקרחון אינה משתנה באופן ניכר עם הזמן. הזרימה החיצונית יכולה לעוות את השכבות, ולכן רצוי לקדוח ליבות קרח עמוקות במקומות שיש בהם מעט מאוד זרימה. ניתן לאתר מקומות אלה באמצעות מפות של קווי הזרימה.
זיהומים בקרח מספקים מידע על הסביבה ממועד יצירת המשקעים. אלה כוללים פיח, אפר וסוגי חלקיקים אחרים משריפות יערות והרי געש; איזוטופים, כגון בריליום-10, שנוצרו על ידי קרניים קוסמיות; מיקרומטאוריטים; ואבקה. השכבה הנמוכה ביותר של קרחון, המכונה קרח בסיסי, נוצרת לעיתים קרובות ממי נמס תת-קרחוניים שהוקפאו מחדש. עוביה יכול להיות עד 20 מ', ואף על פי שיש לה ערך מדעי (למשל, היא עשויה להכיל אוכלוסיות מיקרוביאליות תת-קרחוניות), לעיתים קרובות היא אינה שומרת מידע סטרטיגרפי (מידע מהימן על תכולת השכבות).
לעיתים קרובות נקדחות ליבות באזורים כמו אנטארקטיקה ומרכז גרינלנד שבהם הטמפרטורה כמעט אף פעם לא חמה מספיק כדי לגרום להתכה, אך השמש בקיץ עדיין יכולה לשנות את השלג. באזורים קוטביים, השמש נראית ביום ובלילה במהלך הקיץ המקומי - ולא נראית במשך כל החורף. עקב כך, היא עשויה לגרום להמראה של שלג ולהשאיר את הסנטימטרים העליונים פחות צפופים. כאשר השמש מתקרבת לנקודה הנמוכה ביותר שלה בשמיים, הטמפרטורה יורדת ונוצרת קרה על השכבה העליונה. הכפור נקבר מתחת לשלג של השנים הבאות ונדחס לשכבות קלות יותר משלג החורף. כתוצאה מכך ניתן לראות רצועות מתחלפות של קרח בהיר יותר וכהה יותר בליבת קרח.
הפקת ליבה.
ליבות קרח נאספות על ידי חיתוך סביב גליל קרח באופן שמאפשר את העלאתו אל פני השטח. ליבות מוקדמות נאספו לעיתים קרובות בעזרת מקדחי יד המשמשים עדיין ליצירת חורים קצרים. עיצוב מכונות לקידוח ליבת קרח נעשה בשנת 1932 והשתנה רק מעט מאז. המקדחה היא גליל עם סליל צלעות מתכת עוטף מבחוץ, שבקצהו התחתון להבי חיתוך. מקדחי יד ניתן לסובב על ידי ידית, וחלקם ניתן לחבר למקדחות חשמליות. בעזרת חצובה להנמכה ולהרמה של המקדח, ליבות עד 50 מטר עומק ניתנות לאחזור, אך המגבלה המעשית היא כ-30 מטר למקדחות המונעות על ידי מנוע, ופחות מכך למקדחות יד. לעומק רב יותר משתמשים במקדחות אלקטרומכניות או תרמיות.
מנגנון החיתוך של המקדחה נמצא בקצה התחתון של חבית המקדחה, הצינור שמקיף את הליבה כשהקידוח חותך כלפי מטה. את הגזרים (שבבי קרח שנחתכים על ידי המקדחה) יש למשוך במעלה החור ולהיפטר מהם כדי שלא יפחיתו את יעילות החיתוך של המקדחה. ניתן להסיר אותם על ידי דחיסתם לדפנות החור או לליבה, על ידי זרימת אוויר (קידוח יבש), או על ידי שימוש בנוזל קידוח (קידוח רטוב). קידוחים יבשים מוגבלים לעומק של כ-400 עומק, שכן מתחת לנקודה זו החור נסגר כשהקרח מתעוות ממשקלו של הקרח מעל.
נוזלי קידוח נבחרים לאיזון הלחץ כך שהחור יישאר יציב. על הנוזל להיות בעל צמיגות קינמטית נמוכה כדי להפחית את זמן ההוצאה וההחזרה (Tripping; הזמן שנדרש כדי למשוך את ציוד הקידוח מהחור ולהחזירו לתחתית החור). אחזור של כל קטע מהליבה מצריך הוצאה והחזרה, ולכן מהירות איטית יותר דרך נוזל הקידוח יכולה להוסיף זמן משמעותי לפרויקט - שנה או יותר לחור עמוק. הנוזל חייב לזהם את הקרח כמה שפחות; הוא חייב להיות בעל רעילות נמוכה, ליתר ביטחון וכדי למזער את ההשפעה על הסביבה; הוא חייב להיות זמין בעלות סבירה וקל יחסית להובלה. מבחינה היסטורית, היו שלושה סוגים עיקריים של נוזלים לקידוח קרח: נוזלים דו-רכיביים המבוססים על מוצרים דמויי נפט מעורבבים עם פלואורו-פחמנים להגברת הצפיפות; תרכובות אלכוהול, כולל תמיסות אתנול ואתילן גליקול מימיים; ואסטרים, כולל אנ-בוטיל אצטאט (n-butyl acetate). הוצעו נוזלים חדשים יותר, כולל נוזלים חדשים המבוססים על אסטר, שמני דימתיל סילוקסאן במשקל מולקולרי נמוך, אסטרים של חומצות שומן, ונוזלים על בסיס נפט מעורבבים עם כימיקלים מרחיבים בעזרת קצף (foam-expansion agents).
קידוחים סיבוביים הם שיטת הקידוח העיקרית למינרלים, שיטה ששימשה גם לקידוחי קרח. בשיטה זו נעשה שימוש ברצועה של צינור קידוח שמסתובב מלמעלה, ונוזל קידוח שנשאב במורד הצינור ושוב בחזרה למעלה סביבו. החיתוכים מוסרים מהנוזל בראש החור ואז הנוזל נשאב חזרה למטה. גישה זו דורשת זמני הובלת נוזל ארוכים, מכיוון שיש להניף את כל מיתר המקדחה אל מחוץ לחור, ולנתק כל אורך צינור בנפרד, ואז לחברם מחדש כאשר מכניסים את מיתר המקדחה. לצד הקשיים הלוגיסטיים הקשורים בהבאת ציוד כבד לשכבות קרח, הדבר הופך את קדיחת הסיבוב המסורתית ליעילה פחות. לעומת זאת, קידוחי כבלים מאפשרים הוצאת חבית הליבה ממכלול המקדחה כשהיא עדיין בתחתית הקידוח. חבית הליבה מונפת אל פני השטח, והליבה מוסרת; הקנה מורד שוב ומחובר מחדש למכלול המקדחה. חלופה נוספת היא אסדות קידוח גמישות, בהן מיתר הקידוח גמיש מספיק כדי להיות מפותל כאשר הוא נמצא על פני השטח. כך מתבטל הצורך לנתק ולחבר מחדש את הצינורות במהלך הורדה והעלאה של המקדחה.
ניתן לבטל את הצורך במיתר צינור קידוח המשתרע מפני השטח לתחתית הקידוח, על ידי תליית כל מכלול המקדחה במורד כבל המספק כוח למנוע במורד החור. מקדחות תלויות בכבלים יכולות לשמש לקדיחות רדודות ועמוקות; הן דורשות התקן נגד מומנט, כגון קפיצי עלים הנלחצים על הקידוח, כדי למנוע את סיבוב גוף המקדחה סביב ראש המקדחה בזמן שהראש חותך את הליבה. נוזל הקידוח בדרך כלל מתערבל כלפי מטה סביב החלק החיצוני של המקדחה ובחזרה בין הליבה לחבית הליבה; הגזרים מאוחסנים בגוף המקדחה, בתא מעל הליבה. כאשר משיבים את הליבה, מרוקן תא הגזרים לקראת ההורדה הבאה. מקדחות מסוימות תוכננו להחזרת ליבה שנייה מחוץ לליבה המרכזית, ובמקדחות אלה ניתן להשתמש בחלל בין שתי הליבות לסירקולציה. קידוחים על גבי כבלים הוכיחו את עצמם כעיצוב האמין ביותר לקידוחי קרח עמוקים.
ניתן להשתמש במקדחות תרמיות, החותכות קרח על ידי חימום חשמלי של ראש המקדחה, אך יש להן כמה חסרונות. חלקן תוכננו לעבודה בקרח קר; יש להן צריכת חשמל גבוהה והחום שהן מייצרות יכול לפגוע באיכות ליבת הקרח שנמשכה מתוך הקרח. מקדחות תרמיות מוקדמות, שתוכננו לשימוש ללא נוזל קידוחים, הוגבלו כתוצאה מכך ביכולתן לקדוח לעומק; גרסאות מאוחרות יותר שונו כדי לעבוד בחורים מלאי נוזלים אך כך הואט הקידוח, ובקידוחים אלה נותרו הבעיות של הדגמים הקודמים. בנוסף, מקדחות תרמיות הן בדרך כלל מגושמות ויכולות להיות לא פרקטיות לשימוש באזורים בהם יש קשיים לוגיסטיים. שינויים עדכניים יותר כוללים שימוש בנוזל נגד קיפאון, דבר המבטל את הצורך בחימום מכלול המקדחה וכך מפחית את צורכי אספקת הכוח למקדחה. מקדחות מים חמים משתמשות בסילוני מים חמים בראש המקדחה כדי להמיס את המים סביב הליבה. החסרונות הם שקשה לשלוט במדויק במידות הקידוח, לא ניתן לשמור על הליבה סטרילית בקלות והחום עלול לגרום להלם תרמי לליבה.
בעת קידוחים בקרח ממוזג, לקידוחים תרמיים יתרון על קידוחים אלקטרומכניים (EM): קרח שנמס בלחץ יכול לקפוא מחדש על מקדחות EM ולהפחית את יעילות החיתוך ויכול לסתום חלקים אחרים של המנגנון. מקדחות EM נוטות יותר לשבור ליבות קרח בהן הקרח נמצא בלחץ גבוה.
בעת קידוח חורים עמוקים, הדורשים נוזל קידוח, יש לעטוף את החור במעטפת צינורית, בבטנה גלילית, אחרת נוזל הקידוח ייספג בשלג ובשכבת הקרח (firn). המעטפת צריכה להגיע עד לשכבות הקרח הבלתי חדירות. להתקנת מעטפת ניתן להשתמש במקדח רדוד ליצירת חור פיילוט, אשר מורחב עד שהוא רחב מספיק כדי לקלוט את המעטפת; ניתן להשתמש גם במקדחה בקוטר גדול, המונעת את הצורך בחריצה. אלטרנטיבה למעטפת היא שימוש במים בקידוח כדי להרוות את השלג הנקבובי ושכבת הקרח (firn); בסופו של דבר המים הופכים לקרח.
יש ביקוש שונה לליבות קרח מעומקים שונים, דבר שעלול להוביל למחסור בליבות קרח מעומקים מסוימים. כדי להתמודד עם בעיה זו, מפותחת טכנולוגיה לקידוח ליבות משוכפלות: ליבות נוספות, שנשלפו בקידוח לדופן הקידוח, בעומקים שבהם יש עניין מיוחד. ליבות משוכפלות אוחזרו בהצלחה ב-WAIS Divide (במערב אנטארקטיקה) בעונת הקידוח 2012–2013, בארבעה עומקים שונים.
פרויקטים גדולים של ליבות.