Weiterentwicklung der kapazitiven Geoelektrik zur Abschätzung des Eisgehaltes in Permafrost

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hördt
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Physische Geographie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213214736

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Eisgehalt in gefrorenem Untergrund ist ein wichtiger Parameter in der Permafrostforschung. Er beeinflusst maßgeblich das Schadensrisiko für Infrastruktur bei auftauendem Boden, und ist eine wichtige Größe in der numerischen Simulation, die zur Vorhersage der Entwicklung von durch Klimawandel bedrohten Permafrostböden verwendet wird. Gleichzeitig ist der Eisgehalt schwierig zu messen, da z.B. Bohrkerne logistisch sehr aufwändig sind und nur punktuelle Informationen liefern. Geophysikalische Verfahren, den Eisgehalt im Untergrund abzuschätzen, beruhen in der Regel auf einer Kombination mehrerer Methoden, z.B. Geoelektrik und Seismik, da die ermittelten Parameter nicht eindeutig vom Eisgehalt abhängen. Eine Methode, mit der sich der Eisgehalt potenziell ohne Kombination mit anderen abschätzen lässt, ist die kapazitive Geoelektrik. Sie funktioniert ähnlich der konventionellen Gleichstromgeoelektrik, mit dem Unterschied, dass ein hochfrequenter Wechselstrom mit Frequenzen bis einige 100 kHz verwendet wird, welcher eine berührungslose Ankopplung an den Untergrund ermöglicht. Durch den breiten Frequenzbereich kann damit die frequenzabhängige elektrische Permittivität ermittlt werden. Da die Permittivität von Wassereis im Bereich um 1 kHz ein eindeutiges charakteristisches Verhalten aufweist, ist die kapazitive Geoelektrik prinzipiell geeignet, den Eisgehalt im Untergrund zu bestimmen. In diesem Projekt wurde die Methode der kapazitiven Geoelektrik auf verschiedenen Ebenen weiterentwickelt, und es wurde gezeigt, dass die Eisgehaltsbestimmung im Feldeinsatz unter realen Bedingungen möglich ist. In enger Zusammenarbeit mit einem Gerätehersteller wurde ein Instrument konzipiert, welches Störungen durch elektromagnetische Kopplungen so weit vermeidet, dass auch bei den hohen Frequenzen die Ermittlung der Untergrundeigenschaften möglich ist. Es wurde ein zweidimensionales Inversionsverfahren für die Auswertung der Daten der kapazitiven Geoelektrik angepasst, welches die Ermittlung der räumlichen Verteilung der Permittivität des Untergrundes ermöglicht. Schließlich wurde ein neues Verfahren entwickelt, um aus dem Inversionsergebnis den Eisgehalt des Untergrundes abzuschätzen. Das Verfahren wurde in mehreren Einsätzen weltweit erprobt und auf verschiedene Strukturen, vom gefrorenen See, alpinen Gletschern, Blockgletschern und Schnee, bis zu gefrorenem Boden in arktischem Permafrost, angewandt. Es wurde nachgewiesen, dass die Abschätzung des Eisgehaltes möglich ist und realistische, plausible Werte liefert. Damit steht nun eine neue geophysikalische Methode zur Verfügung, die wertvolle Informationen zu verschiedenen Fragestellungen der Permafrostforschung zur Verfügung stellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2013. Contact impedance of grounded and capacitive electrodes, Geophys. J. Int., 193, 187–196
  Hördt, A., Weidelt, P. and Przyklenk, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/gji/ggs091)
• 2013. Influence of Electrode Heights on 4-point and 2-point Measurements Based on Capacitively Coupled Electrodes, 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics of the Near Surface Geoscience Division of EAGE, Bochum, Deutschland, expanded abstracts
  Przyklenk, A., and Hördt, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.3997/2214-4609.20131342)
• 2014. Capacitive Resistivity (CR) – First field application on the Zugspitze (German/Austrian Alps), 27th Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems (SAGEEP)
  Przyklenk, A., and Hördt, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.4133/SAGEEP.27-176)
• 2014. Complex capacitive resistivity and the resolution capability of electrical parameters, 22th Electromagnetic Induction Workshop, Weimar, Deutschland, 25.-30.08.2014
  Przyklenk, A., and Hördt, A.
  
• 2015. Kapazitive Geoelektrik unter subarktischen Bedingungen in Nordnorwegen, 26. Schmucker-Weidelt Kolloquium für Elektromagnetische Tiefenforschung, Dassel
  Przyklenk, A., and Hördt, A.
  
• 2016. Capacitively Coupled Resistivity measurements to determine frequency-dependent electrical parameters in periglacial Environment - theoretical considerations and first field tests, Geophys. J. Int., 206, 1352– 1365
  Przyklenk, A., Hördt, A. und Radic, T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/gji/ggw178)
• 2017. Spectral Inversion of Capacitive Resistivity Data for the Investigation of Frozen Ground, Near- Surface Geoscience, Extended Abstract
  Mudler, J., Fiandaca, G., Hördt, A., Hauck, C., Maurya, P., Przyklenk, A.
  
• 2018. Chameleon II - Field Equipment for Resistivity Measurements up to 230 kHz. 5th International Workshop on Induced Polarization, Newark (USA)
  Radic, T., Hördt, A., Mudler, J.
  
• 2018. Kapazitive Geoelektrik zur Bestimmung frequenzabhängiger elektrischer Parameter - Anwendung in der Permafrostforschung und 2D Inversion in den Mitteilungen der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft e. V., 02/2018, 5 - 12
  Mudler, J., Fiandaca, G., Hauck, C., Hördt, A., Maurya, P. K. , Przyklenk, A.
  
• 2018. Kapazitive Geoelektrik zur Bestimmung frequenzabhängiger elektrischer Parameter - Anwendung in der Permafrostforschung und 2D Inversion. 78. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Leoben
  Mudler, J., Hördt, A., Przyklenk, A., Fiandaca, G., Hauck, C., K. Maurya, P.K.
  
• 2019. Spektrale Kapazitive Geoelektrik - Anwendungen in der Kryosphären- und Permafrostforschung. 79. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Braunschweig
  Mudler, J., Hördt, A., Radic, T.
  
• 2019. Two-dimensional inversion of wideband spectral data from the capacitively-coupled resistivity method - first applications in periglacial environments. The Cryosphere, 13, 2439-2456
  Mudler, J., Hördt, A., Przyklenk, A., Fiandaca, A., Maurya, P.K. and Hauck, C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.5194/tc-13-2439-2019)
• 2019. Zur Auflösung elektrischer Parameter des Untergrundes mithilfe hochfrequenter Induzierter Polarisation im Vergleich zu Gleichstromgeoelektrik und Bodenradar. Workshop des AK Induzierte Polarisation der DGG, Hannover, 9. Oktober 2019
  Reese, N., Bücker, M., Mudler, J., Buckel, J., Maierhofer, T., Hördt, A., Flores Orozco, A.