Kapazitive Geoelektrik und Hochfrequente Spektrale Induzierte Polarisation zur Detektion und Charakterisierung eishaltigen Untergrundes : Capacitively Coupled Resistivity and High-frequency Induced Polarization for the detection and characterization of ice-bearing subsurface

• Main Author: Mudler, Jan
• Format: Text
• Language: German
• Published: Universitätsbibliothek Braunschweig 2021
• Subjects: 550; Ice; permafrost; Siberia
• Online Access: https://dx.doi.org/10.24355/dbbs.084-202112221008-0; https://publikationsserver.tu-braunschweig.de/receive/dbbs_mods_00070018

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit geophysikalischen Feldmessungen in Permafrostgebieten zur Bestimmung der spektralen elektrischen 4-Punkt-Impedanz des Untergrundes. Der untersuchte Frequenzbereich der eingesetzten Methode erstreckt sich dabei über eine Bandbreite von 1 Hz bis 240 kHz und wird als Hochfrequente Spektrale Induzierte Polarisation (HFIP) bezeichnet. Besonderer Fokus liegt dabei auf dem Einsatz kapazitiver Elektroden, was methodisch als Kapazitive Geoelektik bekannt ist und sich gerade in alpinen Permafrostregionen vorteilhaft gegenüber herkömmlicher Ankopplung des Bodens auswirken kann. Diese spektrale Form der Kapazitiven Geoelektrik ist zum Zeitpunkt dieser Arbeit noch sehr wenig genutzt und erforscht. Daher wird sowohl die Anwendung der Methode, die Auswertung der Messdaten, als auch technische Aspekte wie das Messsystem und der Einfluss von Störeffekten untersucht und verbessert. Durch die typischerweise hohen spezifischen Widerstände in Permafrostgebieten, aufgrund des Vorhandenseins von Eis, kann neben dem spezifischen Widerstand auch die relative Permittivität des Untergrundes erfasst werden. Zudem kann das charakteristische Dispersionsverhalten von Wassereis im Kilohertzbereich gemessen werden. Die Auswertung erfolgt auf Basis der frequenzabhängigen Parametrisierung der komplexen Permittivität. Neben der Auswertung einzelner Messspektren kommt dabei eine neuartige zweidimensionale spektrale Inversion zum Einsatz. Für diese Arbeit werden die Daten verschiedener Messungen aus Permafrostgebieten in den europäischen Alpen und in Sibrien untersucht. Es zeigt sich, dass das spektrale elektrische Signal unterschiedlicher Untergründe kryosphärischen Kontextes durch die angewandte Methode erfasst werden kann. Die weitergehende Datenanalyse legt nahe, dass dadurch sowohl eine Differenzierung in eisfreie Bereiche, wie die Auftauschicht, gegenüber gefrorenen Bereichen, als auch eine Bewertung des Eisgehaltes, getätigt werden kann. Die elektrischen Untergrundparameter sind im Vergleich mit Literaturwerten sinnvoll. Die Inversion der Messdaten liefert zudem plausible Ergebnisse, die mit den Ergebnissen anderer geophysikalischen Untersuchungen und Kenntnissen aus den Messgebieten im Einklang stehen. : In the present thesis, geophysical field measurements in permafrost areas are carried out to determine the 4-point spectral electrical impedance of the subsurface. The investigated frequency range of the applied method covers a bandwidth from 1 Hz to 240 kHz, named as High Frequency Spectral Induced Polarization (HFIP). Special focus is given to the use of capacitive electrodes, which is methodically known as Capacitive Resistivity and is particularly advantageous in alpine permafrost regions compared to conventional ground coupling. This spectral application of Capacitive Resistivity is still very little used and researched at the time of this work. Therefore, the application of the method, the evaluation of the measurement data, and technical aspects such as the measurement system and the influence of disturbance effects are investigated and improved. Due to the typically high resistivity in permafrost areas, caused by the presence of ice, the relative permittivity of the subsurface can be determined in addition to the resistivity. Furthermore, the characteristic dispersion behavior of water ice can be measured in the kilohertz range. The evaluation is based on the frequency-dependent parameterization of the complex permittivity. In addition to the evaluation of individual measurement spectra, a novel spectral two-dimensional inversion is used. For the present work, data from various measurements in permafrost regions in the European Alps and Siberia are examined. It is shown that the spectral electrical signal of different subsurface cryospheric context can be measured by the applied method. Further data analysis suggests that this can be used to differentiate ice-free areas, such as the unfrozen active layer, from frozen areas, as well as to evaluate the ice content. The electrical subsurface parameters show reasonable consistence compared to literature values. The inversion of the measured data also provides plausible results that are consistent with the results of other geophysical investigations and knowledge from the field sites.