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Advancement of the capacitive resistivity method to estimate ice content in permafrost.

Subject Area Geophysics
Physical Geography
Term from 2012 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213214736
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Der Eisgehalt in gefrorenem Untergrund ist ein wichtiger Parameter in der Permafrostforschung. Er beeinflusst maßgeblich das Schadensrisiko für Infrastruktur bei auftauendem Boden, und ist eine wichtige Größe in der numerischen Simulation, die zur Vorhersage der Entwicklung von durch Klimawandel bedrohten Permafrostböden verwendet wird. Gleichzeitig ist der Eisgehalt schwierig zu messen, da z.B. Bohrkerne logistisch sehr aufwändig sind und nur punktuelle Informationen liefern. Geophysikalische Verfahren, den Eisgehalt im Untergrund abzuschätzen, beruhen in der Regel auf einer Kombination mehrerer Methoden, z.B. Geoelektrik und Seismik, da die ermittelten Parameter nicht eindeutig vom Eisgehalt abhängen. Eine Methode, mit der sich der Eisgehalt potenziell ohne Kombination mit anderen abschätzen lässt, ist die kapazitive Geoelektrik. Sie funktioniert ähnlich der konventionellen Gleichstromgeoelektrik, mit dem Unterschied, dass ein hochfrequenter Wechselstrom mit Frequenzen bis einige 100 kHz verwendet wird, welcher eine berührungslose Ankopplung an den Untergrund ermöglicht. Durch den breiten Frequenzbereich kann damit die frequenzabhängige elektrische Permittivität ermittlt werden. Da die Permittivität von Wassereis im Bereich um 1 kHz ein eindeutiges charakteristisches Verhalten aufweist, ist die kapazitive Geoelektrik prinzipiell geeignet, den Eisgehalt im Untergrund zu bestimmen. In diesem Projekt wurde die Methode der kapazitiven Geoelektrik auf verschiedenen Ebenen weiterentwickelt, und es wurde gezeigt, dass die Eisgehaltsbestimmung im Feldeinsatz unter realen Bedingungen möglich ist. In enger Zusammenarbeit mit einem Gerätehersteller wurde ein Instrument konzipiert, welches Störungen durch elektromagnetische Kopplungen so weit vermeidet, dass auch bei den hohen Frequenzen die Ermittlung der Untergrundeigenschaften möglich ist. Es wurde ein zweidimensionales Inversionsverfahren für die Auswertung der Daten der kapazitiven Geoelektrik angepasst, welches die Ermittlung der räumlichen Verteilung der Permittivität des Untergrundes ermöglicht. Schließlich wurde ein neues Verfahren entwickelt, um aus dem Inversionsergebnis den Eisgehalt des Untergrundes abzuschätzen. Das Verfahren wurde in mehreren Einsätzen weltweit erprobt und auf verschiedene Strukturen, vom gefrorenen See, alpinen Gletschern, Blockgletschern und Schnee, bis zu gefrorenem Boden in arktischem Permafrost, angewandt. Es wurde nachgewiesen, dass die Abschätzung des Eisgehaltes möglich ist und realistische, plausible Werte liefert. Damit steht nun eine neue geophysikalische Methode zur Verfügung, die wertvolle Informationen zu verschiedenen Fragestellungen der Permafrostforschung zur Verfügung stellt.

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