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Improved ice quantification at alpine permafrost sites based on electrical and electromagnetic measurements of spectral induced polarization

Applicant Hauck Christian
Number 178823
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Unité de Géographie Département des Géosciences Université de Fribourg
Institution of higher education University of Fribourg - FR
Main discipline Geophysics
Start/End 01.08.2018 - 31.07.2021
Approved amount 349'588.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Geophysics
Hydrology, Limnology, Glaciology

Keywords (6)

electrical properties; transient electromagnetics; ice; spectral induced polarization; permafrost; Swiss Alps

Lay Summary (German)

Lead
Aufgrund des Klimawandels unterliegt Gebirgspermafrost gegenwärtig wesentlichen Veränderungen, und die Änderung der Bodentemperatur wird an vielen Standorten weltweit beobachtet. Jedoch nicht die Änderung des Bodeneisgehaltes, welcher für die Stabilität von Gebirgshängen von entscheidender Bedeutung ist. Das vorliegende Projekt entwickelt einen neuartigen Ansatz zur verbesserten Quantifizierung des Bodeneisgehaltes im alpinen Permafrost auf der Basis von elektrischen und elektromagnetischen Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP).
Lay summary

Da Permafrost und insbesondere der Eisgehalt im Untergrund weder visuell von der Oberfläche noch mittels Fernerkundungsverfahren zugänglich ist, werden zunehmend geophysikalische Methoden zu seiner Untersuchung genutzt. Insbesondere die elektrische Widerstandstomographie hat sich als geeignetes Verfahren zur Charakterisierung und Beobachtung von Permafrostvorkommen herausgestellt. Da der hierbei gemessene 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. Der Eisgehalt wird anschließend 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 sowie Bohrloch-Daten zur Kalibration und Validierung genutzt werden. Das neu zu entwickelnde petrophysikalische Modell wird anschließend 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.
Direct link to Lay Summary Last update: 21.05.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169499 Air circulation and energy fluxes in the coarse debris layer of high Alpine permafrost sites 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Mountain permafrost is currently undergoing substantial changes due to climate change, and consistent warming and thawing has been observed at many permafrost sites worldwide. As permafrost and especially its ground ice content can neither be assessed visually from the surface nor by standard remote sensing approaches, geophysical methods are increasingly being used to investigate the spatio-temporal permafrost evolution. Electrical resistivity tomography (ERT) has been proven a suitable tool to characterize and monitor the thermal state (frozen/unfrozen) of permafrost occurrences and its distribution. However, the inherent ambiguity in the interpretation of resistivity, associated with its dependency not only on ice/water content, but also on porosity, pore connectivity, mineralogy, water chemistry and temperature, makes a reliable quantification of ice content from ERT measurements alone hardly possible.Based on the known fact that ice exhibits a characteristic induced electrical polarization signature, we here propose a novel geophysical methodology for the improved imaging and quantification of ice content at alpine permafrost sites based on the measurement of both electrical conduction (resistivity) and induced polarization (IP). The spectral IP (SIP) signature of ice exhibits a maximum polarization between 100 Hz and 100 kHz, a frequency range which can be sensed by the SIP method (< 10 kHz) and the electromagnetic (EM) induction method (> 1 kHz). In recent years, the accuracy of SIP measurements and their analysis as well as the extraction of SIP responses from EM measurements have seen significant advances, which make the two methods a promising approach for determining subsurface ice content via the measurement of the ice IP response.We plan to develop a methodology based on combined SIP and time-domain EM (TEM) induction measurements for the quantitative imaging of ice content in alpine permafrost environments. The approach utilizes the high spatial resolution provided by SIP imaging. The potential information loss in SIP measurements towards pertinent higher frequencies will be compensated by the high-frequency IP information that is extracted from TEM measurements based on the imaged resistivity distribution. The recovered SIP signature will be described as a superposition of the background response and the characteristic ice response, and estimates of ice content will be inferred on the basis of a newly developed petrophysical model of the SIP response of (partially) frozen soils/rocks.The proposed new methodology for quantitative ice content imaging will be tested and demonstrated at selected sites in the Alps with typical alpine permafrost characteristics, where independent information for calibration and validation is available from previous geophysical investigations (ERT, refraction seismics) and monitoring data (surface, borehole). The involved petrophysical model will be validated by means of SIP laboratory measurements collected during controlled freeze-thaw cycles on soil/rock samples from the considered field sites, which will be independently analyzed for relevant model parameters (pore/grain size distribution, mineralogy, pore water chemistry).The project constitutes to our knowledge the first comprehensive test approach of the applicability of SIP/TEM surveys for ice content quantification in alpine permafrost terrain. Through the combination of field- and laboratory-based studies, and their application on various typologies of permafrost occurrences (with ice contents ranging from 0 to 100%), the project’s significance for cost-effective permafrost monitoring in the context of climate change may be high.
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