Projekte im Bereich Permafrostforschung
Die Abteilung Geophysik führt bereits seit einigen Jahren an mehreren Standorten Permafrostforschung durch. Hierzu gehören Untersuchungen in Kooperation mit der University Centre in Svalbard (UNIS) auf Spitzbergen, Messungen im Rahmen des Projekts SPICE an alpinen Standorten sowie weitere Messkampagnen auf dem Schilthorn.
Im Kontext des Klimawandels wird Permafrostforschung relevanter als je zuvor, da durch Veränderungen in den Permafrostsystemen Methan in die Atmosphäre gelangt und zur weiteren Erderwärmung beiträgt. Unter Nutzung verschiedener Messmethoden wie z.B. elektrische Widerstandstomographie (ERT), spektral induzierte Polarisation (SIP) und Georadarmessungen wird dieser Vorgang aktuell auf Spitzbergen untersucht.
Das abgeschlossene Projekt SPICE (2018 - 2021) befasst sich mit relevanten Forschungsfragen zum Thema elektrischer Widerstandstomographie zur Verbesserung der Messmöglichkeiten im alpinen Raum und rund um Permafrost. Die hier genutzten Methoden umfassen Spektrale induzierte Polarisation (SIP), elektrische Widerstandstomographie (ERT), Refraktionsseismische Tomographie (RST) und Elektromagnetische Induktion (EMI).
Forschung auf Spitzbergen
Der Anstieg der mittleren Lufttemperatur in der Arktis führt zu tiefgreifenden Veränderungen in den empfindlichen Permafrostsystemen. Methan aus dem tiefen Untergrund wird durch Grundwasser und Quellen freigesetzt, entweicht in die Atmosphäre und trägt zum Klimawandel bei. Geophysikalische Methoden haben sich als unschätzbar wertvoll erwiesen, um den thermischen Zustand zu charakterisieren, Taliks zu identifizieren und Bodeneis aufzuspüren.
In Zusammenarbeit mit dem Universitätszentrum in Svalbard (UNIS) hat unser Forschungsteam vier umfangreiche Feldkampagnen in Svalbard durchgeführt. Dabei haben wir uns auf zwei kritische Stellen konzentriert: einen Pingo, eine kuppelförmige Landform, die einen Eiskern enthält und ein Gletschervorfeld, ein Gebiet, das kürzlich durch den Rückzug des Gletschers freigelegt wurde. Durch den Einsatz fortschrittlicher geophysikalischer Techniken wollen wir ein tieferes Verständnis der geologischen Gegebenheiten gewinnen, Taliks lokalisieren und Grundwassermigrationspfade kartieren. Unser methodischer Ansatz umfasst eine Reihe von Verfahren, darunter die elektrische Widerstandstomographie, die induzierte Polarisation im Zeitbereich, das Bodenradar und die transiente elektromagnetische Methode.
Kollaborationen und Förderung
Die Feldkampagnen werden mit Unterstützung der University Centre in Svalbard (UNIS) durchgeführt.
SPICE: Geophysik in alpinen Permafrostregionen
Der Permafrost in den Gebirgen unterliegt aufgrund des Klimawandels erheblichen Veränderungen, und an vielen Permafroststandorten weltweit wurde ein stetiges Aufwärmen und Auftauen beobachtet.
Das Projekt "Improved ice quantification at alpine permafrost sites based on electrical and electromagnetic measurements of spectral induced polarization (SIP)", welches in Kollaboration mit der Universität Freiburg (weitere Informationen) und der Technischen Universtiät Wien durchgeführt wurde, befasst sich mit den folgenden Forschungsfragen:
Können elektrische und elektromagnetische Messungen der SIP zur zuverlässigen Quantifizierung von Eisgehaltsänderungen in alpinen Permafrostgebieten verwendet werden?
Kann die SIP-Reaktion von teilweise gefrorenen Böden/Gesteinen anhand eines petrophysikalischen Modells vorhergesagt werden, und kann das Modell auf reale Permafrost-Feldfälle angewendet werden?
Inwieweit stellt die neue Methodik eine Verbesserung gegenüber der standardmäßig verwendeten seismischen Tomographie des elektrischen Widerstands und der Refraktion in der Gebirgspermafrostforschung dar?
Die Methode der spektral-induzierten Polarisation (SIP) beruht auf der Messung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit (Widerstand) als auch der induzierten Polarisation (IP). An den gewählten Standorten liegen unabhängige Informationen zur Kalibrierung und Validierung aus früheren geophysikalischen Untersuchungen (ERT, Refraktionsseismik) und Temperaturüberwachungsdaten (Oberfläche, Bohrloch) vor.
Das zugehörige petrophysikalische Modell wurde durch die Abteilung Geophysik anhand von SIP-Labormessungen validiert, die während kontrollierter Frost-Tau-Zyklen an Boden-/Gesteinsproben von den betreffenden Feldstandorten durchgeführt wurden. Die Proben wurden anschließend analysiert, um Aussagen über relevante Modellparameter (Poren-/Korngrößenverteilung, Mineralogie, Porenwasserchemie) treffen zu können.
Kollaborationen und Förderung
Das Projekt wurde in Kollaboration mit der Universität Freiburg und der TU Wien durchegführt. Die Förderung erfolgte durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und den Schweizerischen Nationalfonds (SNF).
