Raum-Zeit Monitoring von Permafrost an der Zugspitze (Deutschland) mittels Seismischer Interferometrie und Wellenfeldgradienten

• Antragsteller: Dr. Fabian Lindner
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464282872

Permafrost beeinflusst die Stabilität von Felswänden entscheidend. Die global ansteigenden Temperaturen verursachen das langfristige Tauen von Permafrost, was zu gefährlichen Felsstürzen führen kann. Um drohende Gefahren zu erkennen, werden verschiedene Methoden zur Überwachung von Permafrost angewandt. Die gegenwärtig verwendeten Methoden sind typischerweise jedoch aufwändig, lassen Rückschlüsse nur über kleine räumliche Bereiche zu und/oder sind begrenzt in der zeitlichen Auflösung. Die Seismologie bietet hingegen eine hohe zeitliche Auflösung, da Bodenvibrationen kontinuierlich aufgezeichnet werden sowie räumliche Einblicke, da die seismischen Wellen den Untergrund durchlaufen. Diese Vorteile wurden bereits extensiv mittels seismischer Interferometrie ausgenutzt, um den Untergrund in vielerlei Hinsicht zu überwachen. Angewandt auf Permafrost, gibt es mit dieser Methode bisher jedoch erst wenige explorative Experimente.Dieses Projekt zielt darauf ab, Permafrost an der Zugspitze (Deutschland) mit seismischer Interferometrie zu überwachen und abzubilden. Permafrost hat einen starken Einfluss auf die seismischen Geschwindigkeiten im Untergrund. Dadurch erwarten wir räumliche Geschwindigkeitskontraste von gefrorenem zu nicht gefrorenem Gestein und zeitliche Geschwindigkeitsänderungen durch Tauen und erneutem Gefrieren. Wir werden drei kleine Netzwerke bestehend aus klassischen Seismometern am Gebirgskamm der Zugspitze mit Permafrost installieren. Die Netzwerke ermöglichen es, neben den klassischen Translationsbewegungen, Rotationsbewegungen des Bodens abzuleiten. Zusätzlich planen wir, periodisch (mindestens einmal pro Quartal) einen Rotationssensor in jedes der drei Netzwerke zu integrieren und Bodendeformationen mit hoher räumlicher Auflösung (alle paar Meter) entlang eines faseroptischen Kabels zu messen. Rotationen und Deformationen, die Wellenfeldgradienten, stellen neue Messgrößen und damit neue Möglichkeiten in der Seismologie dar.Wir planen, kontinuierliche Zeitreihen von seismischen Geschwindigkeitsänderungen im Gestein über mindestens zwei Jahre zu bestimmen. Zudem werden wir uns die hohe räumliche Auflösung der neuartigen Messung von Deformationen entlang des faseroptischen Kabels zunutze machen, um Geschwindigkeitsänderungen zu lokalisieren und die Ausdehnung von Permafrost abzubilden. Dabei werden die Wellenfeldgradienten helfen, die Permafrost Grenzflächen besser zu detektieren, da sie stärker von Grenzflächen beeinflusst werden als Translationsmessungen. Wir werden unser Feldexperiment eng mit numerischen Simulationen der Bodenbewegung koppeln, um die Vorteile der Wellenfeldgradienten optimal auszunutzen. Ziel ist es, die Permafrostdynamik (Tauen, erneutes Gefrieren und genereller Rückgang) mit verbessertem Raum-Zeit Monitoring offenzulegen. Dies wird dazu beitragen, Instabilitäten in Felswänden durch Permafrostrückgang besser zu detektieren und unser Verständnis von der Interaktion zwischen Atmosphäre und Erde zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen