Electrical modelling for an improved understanding of GPR signatures in alpine permafrost

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde im Gipfelbereich des Hohen Sonnblicks eine Serie von Georadar Messungen durchgeführt. Das Ziel dieser Messungen lag darin, die internen Strukturen und die Verteilung des alpinen Permafrosts und damit assoziierte Veränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen zu bestimmen. Nachdem Georadar bereits erfolgreich zur Quantifizierung von gefrorenem Material in Permafrost Regionen eingesetzt wurde, organisierte die Forschungsgruppe Geophysik der TU Wien mehrere 3D-Kampagnen im Zeitraum von 2015 bis 2017. Verglichen mit bisherigen Studien lag das Augenmerk nicht nur in der Identifizierung von möglichen Schichtgrenzen, sondern in der Modellierung der elektrischen Eigenschaften des Untergrundes, um das allgemeine Verständnis und die Interpretation von Georadar und Geoelektrik Ergebnissen zu verbessern. Neben der Prozessierung und Interpretation der Rohdaten, wurde ein quasi-kontinuierliches Modell der elektrischen Eigenschaften des Untergrundes im Gipfelbereich des Hohen Sonnblicks bestimmt. Damit wurde eine Quantifizierung lithologischer Kontakte und Diskontinuitäten zur Bestimmung von Atmosphäre - Untergrund Interaktionen möglich. Der Modellierungsansatz wurde in drei Fallstudien in porösen und unbefestigten Materialien behandelt, um ihn in Schutt - Materialien am Sonnblick anzuwenden. Zur Validierung der Modellierungsergebnisse wurde ein Vergleich zwischen Bohrlochtemperaturdaten und Georadar Ergebnissen aufgestellt, welcher sich als konsistent erwies.

In frame of this diploma thesis a series of Ground Penetrating Radar (GPR) surveys at the summit of Hoher Sonnblick were conducted. The objective was to determine the internal structures and distribution of mountain permafrost and associated changes due to seasonal variations in temperature. 3D GPR surveys organised by the Geophysics Research group of the TU Vienna, were repeated between 2015 and 2017 at different times, as GPR has successfully been applied to delineate frozen materials in permafrost regions. Nevertheless, in comparison with previous studies, GPR investigations aimed not only at the identification of possible interfaces, but to develop a methodology for the modelling of electrical properties of the subsurface that permits an improved understanding and interpretation of GPR and Electrical Resistivity Tomography (ERT) imaging results. Besides the processing and interpretation of the raw data, a quasi-continues model of the electrical properties in the subsurface at the summit of Hoher Sonnblick was obtained, regarding lithological contacts and discontinuities (e.g., fractures) controlling atmospheric-subsurface interactions. The modelling approach was tested on three case studies in porous and unconsolidated media and finally it was applied in the highly fractured media present at the Hoher Sonnblick. For validation, the GPR modelling results were compared to borehole temperature data revealing consistency.