Kombinierte Anwendung von seismischer Refraktionstomographie und spezifischer elektrischer Widerstandstomographie bei Untersuchungen im alpinen Permafrost

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Gegenüberstellung geophysikalischer Verfahren zur Beurteilung vereister Permafrostmilieus in alpinen Regionen. Im Vordergrund stehen dabei Korrelationen zwischen der refraktionsseismischen Tomographie (SRT) und der spezifischen elektrischen Widerstandstomographie (ERT). Es soll gezeigt werden, dass sich sowohl die spezifischen Widerstände als auch die p-Wellengeschwindigkeiten bei einem variierenden Vereisungsgrad entsprechend der damit verbundenen Veränderungen der Materialeigenschaften verhalten und gemeinsam hohe oder niedrige Werte liefern. Vergleiche zwischen der Multiple-Gradient- und der Dipol-Dipol-Konfiguration sollen zudem veranschaulichen, welche dieser Elektrodenanordnungen ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis bietet und sich für Gegenüberstellungen in dieser Domäne besser eignet. Als Grundlage dienen Datensätze, die im Oktober 2018, Juli und Oktober 2019im Gipfelbereich des Hohen Sonnblicks (Sbg., Österreich) sowie im August 2019 am Schilthorn (Berner Voralpen, Schweiz) gesammelt wurden. Die gewählten Zeitpunkte der Datenakquisition am Hohen Sonnblick ermöglichen einen jahreszeitenabhängigen Vergleich während der Tau- sowie der Gefrierperiode. Die ERT-Messkampagnen von Oktober 2018 und 2019 erlauben darüber hinaus einen Vergleich der geoelektrischen Daten über zwei aufeinanderfolgende Jahre. Die Gegenüberstellungen der eingesetzten Methoden sollen Aufschluss über die zeitliche Veränderung der Auftauschicht sowie die Lokalisierung der Permafrosttafel des jeweiligen Messgebietes geben. Für beide Messgebiete existieren Studien, die Informationen über den Bodenaufbau und empirische Kenngrößen liefern. Das gewählte Messgebiet am Schilthorn ist jedoch vor allem im unteren Bereich noch weitgehend unerforscht. In beiden Messgebieten ermöglichen nahegelegene Bohrlöcher einen direkten Vergleich der geophysikalischen Ergebnisse mit den Bodentemperaturen. Darüber hinaus wurde die Methode der Induzierten Polarisation (IP) mit einbezogen, die sich für diese Art der Anwendung noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Die Polarisationseigenschaften des Bodens geben zusätzliche Hinweise auf mögliche Grundeisvorkommen.Die Gegenüberstellungen der Inversionsergebnisse zeigen mehr oder weniger stark auftretende Übereinstimmungen. So zeichnen sich besonders beim zweiten Profil des Schilthorns konsistente Ergebnisse ab. Eishaltiger Permafrost kann hier mit Werten zwischen 1.5 - 3.9 kohmm und 2.5 - 5 kms−1 deklariert werden, was mit empirischen Werten gut übereinstimmt. Am Hohen Sonnblick korrelieren die Methoden ebenfalls. Allerdings konnten in diesem Messgebiet die Auswertungen aufgrund des unterschiedlichen Datenrauschens nicht mit einheitlichen Parametern invertiert werden, was partiell zu Schwierigkeiten bei der Analyse der Methodenvergleiche führte. Es können Werte von 20 - 300 kohmm und 2 - 5.5 kms−1 für eishaltigen Permafrost definiert werden.

Within the scope of this diploma thesis, the geophysical methods of Seismic Refraction Tomography (SRT) and Electrical Resistivity Tomography (ERT) are compared. The focus is on the determination of correlations between these two methods used for measurements of icy permafrost soils in alpine regions. Both the resistivity and the p-wave velocity should give high or low values, depending on the actual ice content. Comparisons between the multiple-gradient and the dipole-dipole configuration should also illustrate which of those electrode arrays achieves a higher signal-to-noise ratio and which one is better suited for comparisons between ERT and SRT. Data sets were collected in October 2018, July and October 2019 at Hoher Sonnblick (Sbg., Austria) and in August 2019 at Schilthorn (Bernese Pre-Alps, Switzerland). There are studies for both sites that provide information about the soil structure and empirical parameters. However, especially the lower area of Schilthorn is still largely unexplored. The chosen dates for data acquisition at Hoher Sonnblick afford a season-dependent comparison during the thawing and the freezing periods. The ERT measurement campaign of October 2018 also allows a comparison of the geoelectrical data over two consecutive years. The comparison of the methods used should provide information about the seasonal changes in the active layer and the localization of the permafrost table. In both measurement areas, borehole temperatures facilitate the interpretation of the geophysical results. Furthermore, the Induced Polarization method (IP) is included, which is in an early stage of development for these applications. The polarization properties of the soilprovide additional information about possible ground ice occurrences.Consistent results can be seen especially in the second profile of the Schilthorn. In this area ice-rich permafrost can be declared at values between 1.5 - 3.9 kohmm and 2.5 - 5 kms−1, which agrees well with empirical values. The methods also show correlations at Hoher Sonnblick. However, at Hoher Sonnblick, the evaluations could not be inverted with equal parameters due to the different data noise, which sometimes led to difficulties in the analysis of the method comparisons. Values of 20 - 300 kohmm and 2 - 5.5 kms−1 for ice-containing permafrost can be defined.