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

Permafrost ist dauerhaft gefrorener Boden, der überwiegend in Polarregionen und im Hochgebirge auftritt. Die globalen Permafrostvorkommen sind von großer Bedeutung für Ökologie, Infrastruktur und den Kohlenstoffhaushalt der Erde. Im Kontext des Klimawandels wird die Kartierung und Beobachtung von Permafrostvorkommen zunehmend wichtiger; eine Aufgabe, bei der die Geophysik substanzielle Beiträge leisten kann. Bisher werden überwiegend Refraktionsseismik und Gleichstromgeoelektrik eingesetzt, welche insbesondere im Hochgebirge logistisch schwierig einzusetzen sind. In diesem Vorhaben wird der Einsatz der kapazitiven Geoelektrik in der Permafrostforschung untersucht. Anstelle von Spießen werden Elektrodenplatten verwendet, welche mittels eines hochfrequenten Wechselstromes im Prinzip berührungsfrei messen können. Die Verwendung eines hochfrequenten Wechselstromes bietet die Möglichkeit, neben der elektrischen Leitfähigkeit auch die Permittivität zu bestimmen und wichtige zusätzliche Informationen zu erhalten. Im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 100 kHz zeigt die Permittivität von Wassereis einen charakteristischen Verlauf, der genutzt werden soll, um den Eisgehalt in Permafrostböden abzuschätzen. Im bisherigen Projektverlauf wurde in Zusammenarbeit mit dem Hersteller ein geeignetes Messgerät entwickelt und getestet. Mit Hilfe geeigneter theoretischer Beschreibungen des gemessenen Signales wurde in mehreren Messgebieten nachgewiesen, dass das typische Frequenzspektrum der Permittivität im Gelände bestimmt werden kann. In der hier beantragten Fortsetzung soll die Methode auf verschiedene spezifische Fragestellungen angewandt werden. In drei Messgebieten in der Schweiz, welche auch von anderen Arbeitsgruppen untersucht werden, und wo umfangreiche Vorinformationen vorliegen, wird die innere Struktur von Permafrostkörpern charakterisiert und der Gehalt an Eis quantitativ abgeschätzt. In einem Messgebiet in Sibirien, welches logistisch einfacher zu vermessen ist, wird neben der Abschätzung des Eisgehaltes auch die Grenze zwischen gefrorenem und ungefrorenem Boden und deren lateraler Verlauf kartiert. Die Anwendung erfordert methodische Weiterentwicklungen. Die Eindringtiefe war in den bisherigen Arbeiten auf einige Meter begrenzt; die Grenzen sollen nun systematisch nach oben erweitert werden. Insbesondere werden wir elektromagnetische Kopplungseffekte, welche bei großen Auslagen zunehmend wichtiger werden, eingehend untersuchen und wenn möglich vermeiden. Zum anderen werden Inversions- und Auswerteverfahren entwickelt, die speziell auf die hohe Bandbreite und die, verglichen mit konventionellen Verfahren, großen Phasenverschiebungen der elektrischen Impedanz angepasst sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen