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Gebirgspermafrost, ein zentraler Bestandteil der Kryosphäre, ist besonders empfindlich gegenüber Klimaänderungen, insbesondere in hochalpinen Regionen wie den Europäischen Alpen, in denen die Permafrost Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt liegen. In den letzten Jahrzehnten führten die Erderwärmung und der Abbau des Permafrosts zu einer Zunahme der Dicke der aktiven Bodenschicht und zu steigenden Bodentemperaturen; Trends, die mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auch im kommenden Jahrhundert anhalten werden. Diese Veränderungen haben erhebliche Auswirkungen auf Bergökosysteme und Siedlungen, insbesondere hinsichtlich der Hangstabilität, Infrastruktur, hydrologischer Prozesse und Sicherheit. Die Charakterisierung des Permafrosts ist daher essenziell, um den thermischen Zustand, den hydrologischen Kreislauf sowie die Stabilität des Bodens zu verstehen, wobei Schlüsselparameter wie Bodentemperatur, Dicke der aktiven Schicht, Bodenfeuchte,Schneebedeckung und Eisgehalt entscheidend sind.Während Bohrlochmessungen wertvolle eindimensionale Aufzeichnungen liefern, sind sie räumlich begrenzt und können die starke Heterogenität des Gebirgspermafrosts nicht erfassen. Besonders der Eisgehalt ist schwer zu quantifizieren und zu überwachen, da er stark räumlich variiert, nur eingeschränkt zugänglich ist und seine Erfassung mit erheblichen logistischen Herausforderungen (z.B. Kernbohrungen oder nukleares Logging) verbunden ist. Geophysikalische Methoden sind daher unverzichtbar, da sie die physikalischen Eigenschaften des Untergrunds großräumig und in der Tiefe abbilden und gefrorene von ungefrorenen Bereichen unterscheiden. Aktuelle Studien haben Eis- und Wassergehalte durch Kombination oder gemeinsame Inversion elektrischer, elektromagnetischer, seismischer und gravimetrischer Methoden sowie deren Verknüpfung über petrophysikalische Modelle quantifiziert. Trotz dieser Fortschritte sind Anwendungen in den Europäischen Alpen nach wie vor selten, und Unsicherheiten bestehen weiterhin.Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendbarkeit und Weiterentwicklung der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP), einer elektrischen Methode, die in der Permafrostforschung bislang nur selten eingesetzt wurde. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Untersuchung räumlicher und zeitlicher Variationen des Eisgehalts in verschiedenen Permafrost-Landformen. Während spezifische elektrische Widerstandsdaten allein keine eindeutige Unterscheidung zwischen Eis, Luft und Gestein erlauben, erfasst SIP sowohl die leitfähigen als auch die kapazitiven Eigenschaften des Untergrunds. Diese reflektieren Polarisationsprozesse an elektrischen Doppelschichten entlang von Korn- und Eis- Flüssigkeits-Grenzflächen, die stark vom Eisgehalt beeinflusst werden. Drei zentrale Fragestellungen werden in dieser Dissertation behandelt: (i) Optimierung des SIP-Messdesigns für zuverlässige Datenqualität unter alpinen Bedingungen, (ii) Untersuchung der Sensitivität von SIP gegenüber verschiedener Permafrost Landformen mit unterschiedlichen Eisgehalten und deren saisonale bis interannuelle Variabilität, und (iii) Identifizierung von Proxy-Parametern zur Abschätzung des Bodeneisgehalts.Erste SIP-Messungen in der Lapires Schutthalde in der Schweiz untersuchten die Frequenzabhängigkeit (0,1-225 Hz) der Polarisation zur Unterscheidung von gefrorenem und ungefrorenem Untergrund. Ziel war es, (a) ein Feldprotokoll zu entwickeln, das SIP-Daten mit minimaler elektromagnetischer Kopplung liefert und in kompliziertem Gelände einsetzbar ist, (b) die räumliche Ausdehnung der Permafrost-Landform abzudecken, und (c) zu evaluieren, inwieweit Spektraldaten Unterschiede zwischen Substraten und räumlicher Variation im Eisgehalt innerhalb der Halde erkennen können. Die Unsicherheit der Daten wurde qualitativ durch die Analyse der Abweichungen zwischen Normal- und Reziprok-Messungen über verschiedene Profile und Frequenzen bewertet. Ein Vergleich unterschiedlicher Kabelkonfigurationen zeigte die geringsten Abweichungen für Koaxialkabel und ermöglichte hochwertige SIP-Daten im Bereich 0,1-75 Hz. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Kontrast zwischen eisreichem Permafrost und ungefrorenem Material, wobei die Polarisation in den eisreichen Bereichen mit zunehmender Frequenz anstieg. Mittels eines Rasters unterschiedlicher SIP-Profile konnte die gesamte Landform charakterisiert werden, wobei sich zeigte, dass der eisreiche Permafrostkörper kleiner ist als bisher angenommen. Zudem erlaubte das spektrale Verhalten eine verbesserte Unterscheidung zwischen eisreichem Permafrost und ungefrorenem Grundgestein.2019 wurde das erste permanente SIP-Monitoringprofil im Gebirgspermafrost am Standort Cervinia Cime Bianche in Italien installiert und deckt mittlerweile einen Beobachtungszeitraum von sechs Jahren ab. Zeitliche Variationen der Polarisation zeigten einen engen Zusammenhang mit Gefrier-/Tauprozessen in der aktiven Schicht, wobei die absoluten Phasenwerte während des Gefrierens im Herbst zunahmen, im Winter ihren Höchstwert erreichten und während des Tauens im Frühling abnahmen. Feldmessungen wurden durch Gefrier-/Tau-Experimente an standortspezifischen Gesteinsproben validiert, die konsistente Spektren zeigten und die Temperaturabhängigkeit der SIP Felddaten bestätigten. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit war die Entwicklung und Anwendung des Phase Frequency Effect (φFE) als Proxy für den Eisgehalt. φFE Werte folgten klaren Gefrier-Tau-Zyklen und zeigten Unterschiede in Textur und Eis-Wasser-Verhältnis. Im Winter führten hohe Widerstände aufgrund kapazitiver Kopplung zu erhöhten Phasenfehlern und Datenunsicherheiten. Diese Effekte konnten in Labortests mit elektrischen Schaltungen reproduziert werden, wodurch sich die minimale Fehlergrenze der im Feld zu erwartenden Phasenmessungen bestimmen ließ.Zusätzlich wurden SIP Daten an zehn Gebirgspermafrost Standorten in den Europäischen Alpen untersucht, darunter Festgesteinspermafrost, Schutthalden und Blockgletscher sowie ein ungefrorener Referenzstandort. φFE variierte systematisch mit Landform und Eisgehalt: höchste Werte wurden in Blockgletschern, mittlere Werte in gefrorenen Schutthalden und niedrigste Werte in Festgesteinspermafrost bzw. ungefrorenem Material beobachtet. Die starke Korrelation zwischen φFE und validierten Eisgehalten (r2 = 0,94) unterstreicht das Potenzial von φFE als robusten Proxy für den Eisgehalt. Zusätzlich wurde auch die Rolle der Oberflächenleitung an allen Standorten untersucht, ein Faktor, der in petrophysikalischen Modellen oft vernachlässigt wird. SIP-Daten zeigten, dass die Oberflächenleitfähigkeit sowohl räumlich als auch zeitlich variiert und daher in petrophysikalischen Modellen einbezogen werden sollte.Die Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen, dass SIP eine sensitive und vielversprechende Methode zur Erfassung und Überwachung des Eisgehalts darstellt. Analysen über Zeit, Raum und mehrere Standorte zeigen das Potenzial der Methode, auch wenn weitere Arbeiten erforderlich sind, um eine breit anwendbare und verlässliche Abschätzung des Eisgehalts in alpinen und polaren Permafrostsystemen zu etablieren.
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Mountain permafrost, a key component of the cryosphere, is highly sensitive to climate change, particularly in high mountain areas such as the European Alps, where permafrost temperatures are close to the melting point. Over recent decades, permafrost warming and degradation have led to increased active layer thicknesses and rising ground temperatures, trends projected to continue with very high confidence throughout this century. These changes strongly affect mountain ecosystems and communities, with implications for slope stability, human safety, infrastructure, and hydrological processes. Characterizing permafrost is therefore essential for understanding its thermal state, hydrological regime, and stability with key parameters including ground temperature, active layer thickness, soil moisture, snow cover, and ground ice content.While borehole temperature data provide valuable one-dimensional records, they are sparse and cannot capture the strong spatial heterogeneity of mountain permafrost. Ground ice content, in particular, is difficult to quantify and monitor due to its high spatial variability, restricted accessibility, and the logistical constraints of core drillings or nuclear well logging. Geophysical methods have therefore become indispensable for imaging subsurface properties over large areas and depths, and for distinguishing frozen from unfrozen ground. Recent studies quantified ice and water contents by combining or jointly inverting electrical, electromagnetic, seismic and/or gravimetric methods and linking them through petrophysical models. Despite these advances, applications in the European Alps remain sparse and uncertainties persist.This addresses the applicability and development of spectral induced polarization (SIP), an electrical method rarely applied in permafrost research, for investigating spatial and temporal variations of ground ice in different mountain permafrost landforms. While electrical resistivity data alone yield ambiguous interpretations when distinguishing between ice, air and rock, SIP measures not only conductive but also capacitive properties of the subsurface. These are linked to polarization processes at electrical double layers along grain-fluid and ice-fluid interfaces, which are strongly influenced by the presence of ice. Three key challenges are addressed within this dissertation: (i) optimizing SIP survey design for reliable data quality under alpine conditions, (ii) investigating SIP responses across different mountain permafrost landforms with varying ice contents and their seasonal to interannual variability, and (iii) identifying proxy parameters for estimating ground ice content.First SIP measurements at the well-characterized Lapires talus slope in Switzerland evaluated the frequency dependence (0.1-225 Hz) of the polarization response for distinguishing frozen from unfrozen substrate. The aim was to (a) establish a field protocol that provides SIP imaging data sets less affected by electromagnetic coupling and deployable in rough terrain, (b) cover the spatial extent of the local permafrost distribution, and (c) evaluate the potential of the spectral data to resolve variations in substrates and ice content. Data uncertainty was assessed by analysing misfits between normal and reciprocal measurements across different profiles and frequencies. A comparison between different cable setups showed lowest misfits for coaxial cables and enabled high-quality SIP data acquisition in the 0.1-75 Hz range. Results revealed a clear contrast between the ice-rich talus material and unfrozen surroundings, with polarization increasing with frequency in ice-rich zones. A raster of different SIP profiles allowed the characterization of the entire landform, showing the ice-rich permafrost body to be smaller than previously assumed. Furthermore, the spectral behaviour helped to improve the discrimination between ice-rich permafrost and unfrozen bedrock in ambiguous cases.In 2019, the first permanent SIP monitoring profile in mountain permafrost was installed at the bedrock permafrost site Cervinia Cime Bianche (Italy), covering a monitoring period of 6 years. Temporal variations in polarization were closely linked to freeze–thaw processes in the active layer, absolute phase values increasing during freezing in autumn, peaking in winter, and decreasing during spring thaw. Field data were validated through freeze–thaw laboratory experiments on site-specific rock samples, showing consistent spectral behaviour and confirming the temperature dependence of the SIP response. A key contribution of this work was the development and application of the phase frequency effect (φFE) as a proxy for ice content. The φFE followed clear freeze-thaw cycles and reflected differences in textural properties and ice-water ratios. Limitations were identified in winter, where high resistances caused increased phase errors and data uncertainty due to parasitic capacitive coupling effects. Laboratory electric circuit tests reproduced these effects and quantified the lower bound of the error level of the phase measurements expected in field conditions.Expanding the scope across different mountain permafrost landforms, SIP responses were evaluated at ten permafrost sites in the European Alps, covering bedrock, talus slopes, and rock glaciers including pure ice and an unfrozen site. φFE systematically varied with landform and ice content, showing highest values in rock glaciers, intermediate values in frozen talus slopes, and lowest values in bedrock permafrost and unfrozen sites. A strong correlation between φFE and validation ice contents (r2 = 0.94), confirmed φFE as a potential parameter for future ground ice estimations. The role of surface conduction was investigated across all sites, a parameter often neglected in petrophysical models. SIP results showed that surface conductivity varied both spatially and temporally, and thus needs to be considered in petrophysical models.The findings of this thesis clearly demonstrate that SIP is a sensitive and promising method for detecting and monitoring ground ice in permafrost environments. Temporal, spatial and multi-site analyses show its clear potential, though further work is needed to establish widely applicable and reliable ice content estimates with SIP in alpine and polar permafrost systems.
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