Verbesserte Quantifizierung von Eis an alpinen Permafroststandorten basierend auf elektrischen und elektromagnetischen Messungen der spektralen induzierten Polarisation

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Kemna
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403089687

Aufgrund des Klimawandels unterliegt Gebirgspermafrost gegenwärtig wesentlichen Veränderungen, und Erwärmung und Auftauen wird an vielen Standorten weltweit beobachtet. Da Permafrost und insbesondere der Eisgehalt im Untergrund weder visuell von der Oberfläche noch mittels Fernerkundungsverfahren zugänglich ist, werden zunehmend geophysikalische Methoden zur Untersuchung der raumzeitlichen Dynamik von Permafrost genutzt. Insbesondere die elektrische Widerstandstomographie hat sich als geeignetes Verfahren zur Charakterisierung und Beobachtung von Permafrostvorkommen herausgestellt. Da der spezifische Widerstand von Gesteinen neben dem Eis-/Wassergehalt auch von anderen petrophysikalischen Eigenschaften abhängt, ist es jedoch nur schwer möglich, aus Widerstandsmessungen zuverlässig Eisgehalte zu quantifizieren.Die Tatsache ausnutzend, dass Eis eine charakteristische elektrische Polarisationssignatur aufweist, schlagen wir eine neue geophysikalische Methodik zur Bestimmung des Eisgehalts und seiner Verteilung im Untergrund alpiner Permafroststandorte basierend auf der räumlich aufgelösten Messung der spektralen induzierten Polarisation (SIP) vor. Entsprechend dem Frequenzbereich, in dem Eis eine maximale Polarisation zeigt (100 Hz bis 100 kHz), sollen direkte SIP-Messungen mit indirekten SIP-Messungen mittels der elektromagnetischen Zeitbereichs-Induktionsmethode (TEM) ergänzt werden, um einen möglichen Informationsmangel in den direkten SIP-Messungen bei höheren Frequenzen zu kompensieren. Das SIP-Spektrum wird dabei als Überlagerung eines Hintergrundsignals und der charakteristischen Signatur von Eis beschrieben, und der Eisgehalt wird auf Basis eines neu entwickelten petrophysikalischen Modells der SIP-Eigenschaften (teil)gefrorener Gesteine bestimmt.Die vorgeschlagene neue Methodik zur quantitativen, räumlich aufgelösten Bestimmung des Eisgehalts wird an ausgewählten Standorten in den Alpen mit typischen alpinen Permafrostmerkmalen erprobt, wobei unabhängige Informationen aus früheren geophysikalischen Untersuchungen und vorhandenen Monitoring-Daten zur Kalibration und Validierung genutzt werden. Das eingebundene petrophysikalische Modell wird mittels SIP-Labormessungen an Gesteinsproben von den betrachteten Feldstandorten im Zuge kontrollierter Einfrier-Auftau-Experimente validiert, wobei modellrelevante Eigenschaften der Proben unabhängig analysiert werden.Unseres Wissens stellt das Vorhaben die erste umfassende Studie zur Bestimmung des Eisgehalts im Untergrund alpiner Permafrostgebiete basierend auf kombinierten SIP/TEM-Messungen dar. Während die Laborstudien und die petrophysikalische Modellentwicklung zu einem verbesserten grundlegenden Verständnis der elektrischen Eigenschaften (teil)gefrorener poröser Medien beitragen, besitzen die Feldstudien durch die Betrachtung unterschiedlicher Typen alpiner Permafrostvorkommen eine hohe Relevanz mit Blick auf ein effektives Permafrost-Monitoring im Kontext der globalen Erwärmung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Schweiz
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Hauck
• Kooperationspartner: Professor Dr. Adrián Flores Orozco