Using Spectral Induced Polarization Imaging to resolve peatland structure and subsurface variability

Abstract

Moorgebiete spielen eine wichtige Rolle im Ökosystem, insbesondere im Hinblick auf den Wasserhaushalt und die Kohlenstoffspeicherung. Für das Verständnis von hydrologischen Prozessen und einer nachhaltigen Entwicklung dieser Gebiete sind Informationen über Untergrundeigenschaften entscheidend. Aufgrund der räumlichen Variabilität von Mächtigkeit und hydraulischen Eigenschaften von Torf sind herkömmliche punktuelle Untersuchungsmethoden jedoch oft nur eingeschränkt aussagekräftig. Geophysikalische Verfahren wie die spektrale induzierte Polarisationsmethode bieten eine nicht-invasive Möglichkeit zur Charakterisierung von Torfkörpern und darunterliegenden Schichten. Ziel dieser Arbeit ist es, die elektrischen Eigenschaften von Moorgebieten zu untersuchen und deren Eignung zur Beschreibung von Untergrundstrukturen sowie zur Abschätzung hydrogeologischer Eigenschaften zu bewerten.Feldmessungen wurden an sechs Standorten durchgeführt, drei im Ausseerland (Rödschitzmoor, Knoppenmoos, Ödenseemoor) und drei im Salzburger Lungau (Überlingmoor, Weitschobermoor und Ötzboden). Die Messung der komplexen Leitfähigkeit erfolgte dabei mit unterschiedlichen Elektrodenabständen und Messkonfigurationen. Die gemessenen Daten wurden invertiert, um Verteilungen der elektrischen Leitfähigkeit, Phase und Polarisierbarkeit zu bestimmen. Diese Ergebnisse wurden zwischen den Standorten sowie mit Literaturwerten verglichen, um charakteristische Wertebereiche für Torf- und Aquitardschichten zu identifizieren.Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede in den elektrischen Eigenschaften zwischen dem Torf und der darunterliegenden Aquitardschicht. Torf weist in der Regel eine geringere elektrische Leitfähigkeit, jedoch höhere Polarisationswerte auf als das Untergrundmaterial. Zudem wurde eine räumliche Variabilität der elektrischen Parameter innerhalb der untersuchten Moore festgestellt. Der Vergleich mit Literaturdaten bestätigt, dass Torfschichten charakteristische elektrische Eigenschaften besitzen, die eine Abgrenzung gegenüber mineralischen Böden ermöglichen. Darüber hinaus konnten aus den elektrischen Parametern hydraulische Eigenschaften abgeschätzt werden. Die Studie zeigt somit das Potenzial komplexer Leitfähigkeitsmessungen für die hydrogeophysikalische Charakterisierung von Mooren auf, macht aber auch deren Grenzen deutlich. Insgesamt unterstreicht sie die Anwendbarkeit geophysikalischer Methoden zur Untersuchung von Moorgebieten und liefert Einblicke in das elektrische Verhalten von Torf- und Aquitardschichten.

Peatlands play an important role in the ecosystem, particularly in terms of hydrology and carbon storage. Thus, understanding spatio-temporal variations in subsurface properties is key to properly quantify water, carbon and nutrient cycles. Conventional measurements used for peatland investigation are based on borehole data and analysis of soil samples from drilling. However, such information is limited in its coverage and spatial resolution. Geophysical methods, such as induced polarization (IP) measurements, provide a non-invasive approach for characterizing peat deposits and underlying materials. The objective of this study is to investigate the electrical properties of peatlands and to evaluate their potential for characterizing subsurface structures, such as the thickness and variability of the peat, as well as estimating hydrogeological properties.Field measurements were conducted at six peatland sites, three in Ausseerland (Rödschitzmoor, Knoppenmoos, Ödenseemoor) and the other three in Lungau (Überlingmoor, Weitschobermoor and Ötzboden). IP measurements were conducted using different electrode spacings and measurement configurations. The collected data were inverted to obtain complex conductivity imaging results (real, imaginary, and phase). These results were compared between sites and with literature values to identify characteristic ranges for peat and aquitard units.Our complex conductivity imaging results show differences in electrical properties between peat and the underlying aquitard layers. Peat deposits generally exhibit lower electrical conductivity but higher polarization responses compared to the aquitard unit. Spatial variability in electrical conductivity and polarization values was observed across the investigated peatlands. The comparison with literature datasets confirms that peat layers typically fall within distinct electrical property ranges, allowing them to be distinguished from mineral soils. Furthermore, the derived electrical parameters were used to estimate hydraulic properties. Our results demonstrate the potential of complex conductivity measurements for hydrogeophysical characterization of peatlands. Overall, the study highlights the value of geophysical methods for investigating peatland subsurface structure and provides insights into the electrical behavior of peat and aquitard materials.