Modelling transient electromagnetic (TEM) responses in rock glaciers : a comparative analysis of literature-based models with application to the äußeres Hochebenkar rock glacier

Abstract

Blockgletscher in den Alpen sind zunehmend von der fortschreitenden Degradation des Permafrosts betroffen und ihre Instabilität bringt wachsende Risiken für lokale Gemeinschaften und deren Infrastruktur mit sich. Daher ist die Untersuchung ihrer inneren Struktur von entscheidender Bedeutung. Die Transiente Elektromagnetische Methode (TEM) ermöglicht eine effiziente Datenerfassung in unwegsamem Gelände, wurde jedoch im Vergleich zu elektrischen und seismischen Verfahren bislang nur selten in alpinen Blockgletschern angewendet. Ein besseres Verständnis der Parameter, die das Verhalten der TEM Daten in Blockgletschern steuern, kann die geophysikalische Dateninterpretation verbessern und das Potenzial von TEM als Methode evaluieren. Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Schichtmächtigkeit und des spezifischen elektrischen Widerstandes auf das Verhalten der modellierten TEM Daten bei Verwendung eines drei- (aktive Schicht, gefrorener Körper, Untergrundgestein) und vierlagigen (mit einerleitfähigen Sub-Permafrost-Schicht) Schichtmodells. Dazu wurde ein kombinierter Ansatz, der die Vorwärtsmodellierung literaturbasierter Daten mit der Analyse von Felddaten des Äußeren Hochebenkar Blockgletschers (Ötztal, Österreich) integriert, umgesetzt. Aus den diagnostischen Merkmalen der numerischen Experimente wurde ein Regelwerk entwickelt, das charakteristische Muster in TEM Daten von Blockgletschern beschreibt und zur Kategorisierung literaturbasierter Vorwärtsmodelle dient. Auf Grundlage der Schichtdetektierbarkeit wurden die Modelle in drei Kategorien eingeteilt, die a) vollständig, b) teilweise und c) nicht detektierbare Schichtsysteme darstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kontrast des spezifischen elektrischen Widerstandes zwischen benachbarten Schichten sowie die Schichtmächtigkeit die dominierenden Faktoren sind, die das Verhaltender TEM Daten beeinflussen. Beide Parameter können den Einfluss des jeweils anderen teilweise ausgleichen. Kritische Schwellenwerte, unter denen die Detektierbarkeit einzelner Schichten unter typischen Blockgletscherbedingungen erwartet werden kann, wurden definiert. Eine Klassifizierung des Äußeren Hochebenkar Blockgletschers (HEK) ist aufgrund mehrerer einschränkender Faktoren nicht möglich. Dazu zählen Störeinflüsse infolge der Abschaltphase des Stroms und Einflüsse induzierter Polarisation (IP). IP Effekte verursachen signifikante Veränderungen in den TEM Daten, welche mit einer klassischen Modellierung des spezifischen elektrischen Widerstands nicht dargestellt werden können. Um die interne Struktur des HEK zu erfassen und eine Klassifizierung zuermöglichen, wird für zukünftige Untersuchungen ein kombinierter Ansatz aus elektrischen, elektromagnetischen Verfahren und der spektralen IP Methode empfohlen.

Rock glaciers are impacted by ongoing permafrost degradation in the Alps, and their instability poses growing risks to local communities and infrastructure. Monitoring the internal structure of rock glaciers is therefore of critical importance. The transient electromagnetic method (TEM) enables efficient data acquisition in rough and complex terrain. However, compared to electrical and seismic methods, its application in alpine rock glaciers has remained limited. A better understanding of the parameters controlling the TEM response in rock glacier environments can improve the interpretation of field data and assess TEM as a field method. This thesis investigates the influence of layer thickness and resistivity on the modeled TEM response expected for a rock glacier characterized by a three-layered (active layer, frozen body, bedrock) and four-layered (including a conductive sub-frozen body layer) model. A combined approach was implemented, integrating forward modeling of literature-based rock glaciers with the analysis of field data from the Äußeres Hochebenkar rock glacier (Ötztal, Austria). From the diagnostic features identified in the numerical experiments, a rule framework was established to describe the TEM response of rock glaciers. This framework was applied to categorize literature-based forward models of rock glaciers. Based on layer detectability, the models were divided into three categories representing a) fully, b) partially and c) non-detectable layer systems in the forward modeled responses. The variations observed in the modeled responses accurately reflect the respective rock glacier structures. The results highlight that resistivity contrasts between adjacent layers and layer thickness are the dominant factors influencing response behavior, with either parameter capable of compensating for the other. Critical thresholds were defined to represent practical boundary conditions under which active and frozen layer detectability can be expected in typical rock glaciersettings. These thresholds provide as a useful reference for future field applications. The classification of the Äußeres Hochebenkar (HEK) rock glacier was not feasible due to several limiting factors. These include early-time distortions caused by the current turn-off ramp and the influence of Induced Polarization (IP) effects. IP effects cause significant changes in the TEM responses that cannot be reproduced with a resistivity-only categorization. To resolve HEK’s internal structure and enable a categorization, a complementary approach combining electrical and electromagnetic methods, and spectral IP is recommended for future investigations.