Angewandtes Vier-Phasen-Modell im norwegischen Permafrost
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Angewandtes Vier-Phasen-Modell im norwegischen Permafrost Bachelorarbeit Universität Freiburg-CH Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Departement für Geowissenschaften 30. Juni 2015 Christe Fabien En Chenalla 6 1740 Neyruz Betreuung : Prof. Dr. Christian Hauck Dr. Christin Hilbich Kurzfassung Ein Vier-Phasen-Modell (4PM) wurde für bereits durchgeführte ERT-RST Messungen in Norwegen angewandt. Der Zweck dieser Arbeit ist es, die Effizienz des Vier-Phasen-Modells, den Eisanteil und seine Verbreitung in 8 Standorten einzuschätzen. Besondere Aufmerksamkeit wurde der Struktur der Porosität und den anderen Untergrundseigenschaften wie der Sättigung, der Verwitterung usw. geschenkt. Dafür wurden die ERT, die RST und die unterschiedlichen Graphiken der Bohrlochtemperaturen betrachtet, um eine erste Interpretation der geophysikalischen Daten vor der Verwendung des 4PM durchzuführen. Danach wurden mithilfe früher erstellter Studien die Parameter des 4-Phasen-Modells je nach den Untergrundseigenschaften bestimmt. Dazu wurden zusätzlich Daten aus Temperaturprofilen benutzt, zur Kontrolle der Ergebnisse des 4PM‘s und zur Kontextualisierung der Verbreitung des Eisanteils. Insgesamt ergab das 4PM realistische Werte, auch wenn diese lokal überschätzt worden sind. Dies lag an der komplexen Struktur des Untergrundes. Es wurde vermutet, dass es schwierig für das 4PM wäre, Eis von Fels zu unterscheiden, aufgrund ihrer ähnlichen geophysikalischen Charakteristiken, aber die Qualität der Resultate war gut. Aufgrund der zusätzlichen Daten der Temperaturprofile und der früher erstellten Studien konnte festgestellt werden, dass die Anwesenheit von Eis entweder am Permafrost oder an den saisonalen Schwankungen der Lufttemperatur lag. Zusätzlich konnte die Tiefe der Auftauschicht mit Präzision angegeben werden. Das 4-Phasen-Modell benötigt Zeit zur Entwicklung eines Profils, aber es ist ein effizientes Modell, und es kann mit Präzision feine eishaltige Schichten erkennen. Es ermöglicht die Permafrostgrenze zu erkennen, was für das Thema der Klimaerwärmung eine wichtige Rolle spielt. Schlüsselwörter: Norwegen, Permafrost, Vier-Phasen-Modell, Temperaturprofile Danksagung Ein besonderes Dankeschön geht an Herrn Professor Hauck und Dr. Hilbich, die mich betreut und auf meine tausend Fragen geantwortet haben. Ich möchte mich zusätzlich bei meinen Grosseltern, meinen Eltern, meinem Bruder, meinen Freunden und meinen Kollegen von der Universität herzlich für ihre Unterstützung bedanken. [2] Inhaltsverzeichnis 1. 2. 3. Einleitung............................................................................................................................... 7 1.1. Motivation ..................................................................................................................... 7 1.2. Aufbau und Ziel der Arbeit ............................................................................................ 7 Fragestellung ......................................................................................................................... 8 2.1. Problematik ................................................................................................................... 8 2.2. Hypothesen ................................................................................................................... 8 Theorie .................................................................................................................................. 9 3.1. Permafrost..................................................................................................................... 9 3.2. Tomographisches Verfahren ....................................................................................... 10 3.2.1. -Geoelektrische Widerstandstomographie (ERT)................................................ 10 3.2.2. -Seismische Tomographie (RST) .......................................................................... 11 3.3. Vier-Phasen-Modell (4PM) .......................................................................................... 12 3.4. Bohrlochtemperaturen ............................................................................................... 13 4. Methodologie ...................................................................................................................... 15 5. Resultate ............................................................................................................................. 17 5.1. Guolasjavri (Gu-B-1 und Gu-B-3 am 01.-03.08.2008) ................................................. 17 5.1.1. Standort ................................................................................................................... 17 5.1.2. Guolasjavri (Gu-B-1 01.08.2008) ............................................................................. 17 5.1.2.1. ERT-RST-Temperaturen ................................................................................... 17 5.1.2.2. Vier-Phasen-Modell ......................................................................................... 18 5.1.2.3. Interpretation .................................................................................................. 19 5.1.3. Guolasjavri (Gu-B-3 02.08.2008) ............................................................................. 20 5.1.3.1. ERT-RST-Temperaturen ................................................................................... 20 5.1.3.2. Vier-Phasen-Modell ......................................................................................... 21 5.1.3.3. Interpretation .................................................................................................. 21 5.2. Iskoras (Is-B-1 und Is-B-2 28.07.2008)......................................................................... 23 5.2.1. Standort ............................................................................................................... 23 5.2.2. ERT-RST-Temperaturen ....................................................................................... 23 5.2.3. Vier-Phasen-Modell ............................................................................................. 24 5.2.4. Interpretation ...................................................................................................... 24 5.3. Juvasshoe PACE 2010 und JUV BH5 (03.08.2010) ....................................................... 26 5.3.1. Standort ................................................................................................................... 26 5.3.2. Juvasshoe (PACE 05.08.2010).................................................................................. 27 [3] 5.3.2.1. ERT-RST-Temperaturen ................................................................................... 27 5.3.2.2. Vier-Phasen-Modell ......................................................................................... 28 5.3.2.3. Interpretation .................................................................................................. 29 5.3.3. Juvasshoe (Juv-BH5 03.08.2010) ............................................................................. 30 5.3.3.1. ERT-RST-Temperaturen ................................................................................... 30 5.3.3.2. Vier-Phasen-Modell ......................................................................................... 31 5.3.3.3. Interpretation .................................................................................................. 31 5.4. Kistefjellet (Ki-B-1 03.08.2008).................................................................................... 33 5.4.1. Standort ............................................................................................................... 33 5.4.2. ERT-RST-Temperaturen ....................................................................................... 34 5.4.3. Vier-Phasen-Modell ............................................................................................. 35 5.4.4. Interpretation ...................................................................................................... 35 5.5. Lavkavagge (La-B-1 06.08.2008).................................................................................. 37 5.5.1. Standort ............................................................................................................... 37 5.5.2. ERT-RST-Temperaturen ....................................................................................... 37 5.5.3. Vier-Phasen-Modell ............................................................................................. 38 5.5.4. Interpretation ...................................................................................................... 38 5.6. Tronfjellet (Tron-BH3 06.08.2010) .............................................................................. 40 5.6.1. Standort ............................................................................................................... 40 5.6.2. ERT-RST-Temperaturen ....................................................................................... 41 5.6.3. Vier-Phasen-Modell ............................................................................................. 42 5.6.4. Interpretation ...................................................................................................... 42 6. Diskussion und Schlussfolgerung ........................................................................................ 44 7. Bibliografie .......................................................................................................................... 47 8. Anhang ................................................................................................................................ 51 [4] Abbildungsverzeichnis Titelbild: Titelbild von TSP NORWAY (Humlum, 2015) Fig. 1: Schematische Darstellung der wichtigen Begriffe im Permafrost 9 Fig. 2: Elektroden-Konfigurationen 10 Fig. 3: Elektrische Widerstände für verschiedene Gesteinstypen 10 Fig. 4: Seismische Geschwindigkeiten für verschiedene Gesteinstypen 11 Fig. 5: Karte von Norwegen mit den Standorte 14 Fig. 6: Karte von Guolasjavri mit dem ERT-RST Profil 18 Fig. 7: Guolasjavri Gu-B-1 Temperaturprofil am 01.08.2008 18 Fig. 8: ERT-RST am Bohrloch Gu-B-1 18 Fig. 9: 4PM am Bohrloch Gu-B-1 20 Fig. 10: ERT-RST am Bohrloch Gu-B-3 20 Fig. 11: Guolasjavri Gu-B-3 Temperaturprofil am 01.08.2008 21 Fig. 12: 4PM am Bohrloch Gu-B-3 22 Fig. 13: ERT-RST am Bohrloch Is-B-1 23 Fig. 14: Karte von Iskoras mit dem ERT-RST Profil 24 Fig. 15: Iskoras Is-B-1 Temperaturprofil am 28.07.2008 24 Fig. 16: 4PM am Bohrloch Is-B-1 25 Fig. 17: Karte von Juvasshoe mit den Bohrlöchern 27 Fig. 18: Karte von Juvasshoe mit den Permafrostzonen 27 Fig. 19: Temperaturprofil von Juvasshoe BH1 am 03.08.10 28 Fig. 20: ERT-RST am Bohrloch PACE 28 Fig. 21: 4PM am Bohrloch PACE 30 Fig. 22: Temperaturprofil von Juvasshoe Juv-BH5 am 03.08.10 30 Fig. 23: ERT-RST am Bohrloch Juv-BH5 31 Fig. 24: 4PM am Bohrloch Juv-BH5 33 Fig. 25: Karte von Kistefjellet mit dem ERT-RST Profil 34 Fig. 26: Kistefjellet Ki-B-1 Temperaturprofil am 03.08.08 34 Fig. 27: ERT-RST am Bohrloch Ki-B-1 35 Fig. 28: 4PM am Bohrloch Ki-B-1 36 Fig. 29: Karte von Lavkavagge mit dem ERT-RST Profil 37 Fig. 30: Lavkavagge La-B-1 Temperaturprofil am 06.08.08 38 Fig. 31: ERT-RST am Bohrloch La-B-1 38 Fig. 32: 4PM am Bohrloch La-B-1 40 [5] Fig. 33: Karte von Tron mit dem ERT-RST Profil 41 Fig. 34: Tron BH3 Temperaturprofil am 06.08.10 41 Fig. 35: ERT-RST am Bohrloch Tron BH3 41 Fig. 36: 4PM am Bohrloch Tron BH3 43 [6] 1. Einleitung 1.1. Motivation Heutzutage ist Klimaerwärmung ein oft angesprochenes Thema. Ein sensibles Gebiet, dass schnell auf Temperaturvariationen reagieren kann, liegt im Permafrost, wegen seiner saisonalen Auftauschicht. Die Stabilität des Permafrosts hängt von sehr vielen Faktoren ab, wie z.B. der Temperatur (Krautblatter, et al., 2010), der Perkolation von Schmelzwasser durch Kluftsysteme (Wegmann, 1998) und der Gesteinstopographie, deren drei-dimensionale Effekte einen Einfluss auf die Reaktionszeit haben kann (Gruber & Haeberli, 2007). Sobald sich diese Faktoren ändern, besteht die Möglichkeit, dass das im Porenraum enthaltene Eis schmilzt. Die Schmelze führt zu einer Steigerung des Wasseranteils im Untergrund, und dessen Festigkeit sinkt. Daraus können Naturkatastrophen entstehen, die Auswirkungen besonders in besiedelten Regionen haben (Osterkamp, et al., 1997). Es ist also wichtig, die Kenntnisse des Permafrostes zu verbessern, um die Permafroständerungen vorauszusagen und Naturkatastrophen in Baugebieten zu verhindern, indem neue Modelle entwickelt werden. 1.2. Aufbau und Ziel der Arbeit Diese Arbeit beschäftigt sich mit der geoelektrischen Widerstandstomographie (ERT) und mit der seismischen Tomographie (RST). Die Feldmessungen dazu fanden an acht verschiedenen Standorten zwischen 2008 und 2010 statt. Diese Arbeit will den Eisanteil und die Eisverteilung im Profil für die untersuchten Orte determinieren, indem sie die ERT-RST Daten mit einem 4Phasen-Modell untersucht. Es werden zuerst die Problematik und die Hypothesen der Arbeit präsentiert. Danach folgt ein theoretisches Kapitel, das in die Grundlagen von Permafrost, der Widerstandstomographie, der seismischen Tomographie und des Vier Phasen Modells (4PM) einführt. Drittens wird die Methodologie des Analyseprozesses der ERT-, RST- und Temperaturdaten besprochen. Im Folgenden werden die Resultate für jeden Standort präsentiert, und ein Kapitel „Diskussion der Resultate“ verknüpft die wichtigen Punkte dieser Arbeit. [7] 2. Fragestellung 2.1.Problematik Der Zweck dieser Arbeit ist, die Qualität von geophysikalischen Untergrunds-Modellen an unterschiedlichen Orten im norwegischen Permafrost zu ermitteln. Dies ergibt sich mit Bohrlochtemperaturdaten an verschiedenen Tiefen. Zusätzlich ermöglicht diese Arbeit, den Eisgehalt in den Hohlräumen des Gesteins zu quantifizieren, im Verhältnis zum Wasser- und Luft-Gehalt. Kurz gesagt kann die Problematik so formuliert werden: - Inwiefern beeinflussen die Porosität des Gesteins und des Bodens sowie die Lithologie den mit dem 4PM berechneten Eisanteil? 2.2.Hypothesen - Das 4PM über- oder unterschätzt den Eisprozentanteil an Orten mit geringer Porosität. Das 4PM ist besser anwendbar für einen bestimmten Gesteinstyp wie z.B. Schiefer, Ton, Granit, Moräne, usw. [8] 3. Theorie 3.1. Permafrost Gruber und Haeberli (2009) definieren Permafrost wie folgt: eine Schicht aus der Lithosphäre, in der die Temperatur ständig während mindestens 2 Jahren unter 0°C bleibt. Diese Zeitspanne ist notwendig, um den Effekt von einem besonders kalten und langen Winter zu vermeiden. Permafrost kann Wasser oder Eis enthalten und hängt nicht von der Zusammensetzung des Substrates ab, da die Definition ausschliesslich auf den Temperaturen basiert. Permafrost erlebt meistens eine saisonale Auftauperiode, in der die Temperaturen an der Oberfläche über den Gefrierpunkt steigen (Gruber & Haeberli, 2009). Das Eindringen der positiven Temperaturen in die Tiefe erlebt eine zeitliche Verschiebung je nach thermischer Leitfähigkeit (Figur 1). Diese saisonalen Schwankungen sinken exponentiell mit der Tiefe bis sie eine Tiefe mit zero annual amplitude (ZAA) erreichen. Diese Auftauschicht ist abhängig von all den Parametern, die die Untergrundstemperaturen beeinflussen. Dazu gehören die Lufttemperatur, die von der Höhe über dem Meer abhängig ist; die Sonnenstrahlung, die von der Orientierung der Topographie und von der Hangneigung abhängig ist; die oberflächliche Bodenstruktur, wo z.B. ein Blockfeld eine effektive Luftströmung, d.h. eine effektive Abkühlung des Untergrundes im Winter ermöglicht; und die Schneedecke, die bei frühem ersten Schneefall als Isolator gegen die Winterkälte oder bei spätem ersten Schneefall das Abkühlen des Untergrundes ermöglicht und als Isolator gegen das frühjährige Aufwärmen wirkt. Die Anwesenheit von Permafrost kann nur durch einen Aufschluss oder eine Bohrung bewiesen werden, was sehr teuer werden kann (Noetzli & Gruber, 2005). Da sich die gefrorene und ungefrorene Phase durch verschiedene geophysikalische Eigenschaften unterscheiden, werden geophysikalische oder indirekte Methoden für Permafrostgebiete angewandt, um Informationen über die Strukturen ihres Untergrundes zu bekommen. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie einfach einzusetzen und im Vergleich zu Bohrungen billig und ausserdem nicht invasiv sind. Natürlich haben diese Methoden auch Grenzen. Der Geophysiker kann sichere Informationen über den Untergrund liefern, wenn die physikalischen Eigenschaften des untersuchten Objektes sich genügend von den Eigenschaften der direkten Umgebung unterscheiden, wenn die gemessenen Signale die Störsignale klar (Rauschen) überdecken und wenn nur wenige geologische Deutungsmöglichkeiten bestehen. (Jacobs & Meyer, 1992). Aus diesen Gründen werden meistens mehrere geophysikalische Methoden und/oder Zusatzinformationen z.B. aus einer Bohrung für einen selben Ort angewendet (Vonder Mühll, et al.,2001). Diese Arbeit benutzt die Geoelektrische Widerstandstomographie (ERT) und die Seismische Tomographie (RST). Figur 1: Schematische Darstellung der wichtigen Begriffe im Zusammenhang mit Permafrost sowie eines typischen Temperaturprofils. Die rote und blaue Kurve entsprechen den wärmsten Temperaturen im Sommer, respektive den kältesten im Winter. Mit MAGST wird die mittlere jährliche Oberflächentemperatur bezeichnet (mean annual ground surface temperature) (Noetzli & Gruber, 2005). [9] 3.2.Tomographisches Verfahren 3.2.1. -Geoelektrische Widerstandstomographie (ERT) Die Geoelektrische Widerstandstomographie (ERT) basiert auf dem Ohmschen Gesetz, wo der Potentialunterschied (U) durch den in den Boden injizierten Strom (I) dividiert wird. Dies gibt den elektrischen Widerstand des Untergrundes (R), der mit den Steincharakteristiken variiert (Formel (1)). Diese hängen vom Wasser- und Luft-Gehalt des Untergrundes und der Präsenz von Ionen im Porenwasser ab. Ionenreiches Wasser senkt den Widerstand im Gegenteil zu Wasser oder Eis. Eis und Luft sind elektrische Isolatoren. Deswegen haben Permafrost und Höhlen einen sehr hohen Widerstand. Dagegen sind Wasser und Ionen elektrische Leiter (Fig. 3). Daher zeigen Grundwasser und Salzwasser einen niedrigen bis sehr niedrigen Widerstand. Ohmsches Gesetz: (1) Der Strom wird durch eine Reihe von Elektroden in unterschiedliche Elektroden-Konfigurationen injiziert: in die, die den Strom in den Boden injizieren (Stromelektroden A, B) und in die, die den Potentialunterschied messen (Potentialelektroden M, N) (Musset & Khan, 2009). Die Wenner-Konfiguration (Fig. 2) wird eher für Tiefmessungen angewendet, dank ihrer guten Auflösung für horizontale Strukturen. In dieser Methode werden die Potentialelektroden (M,N) zwischen den Stromelektroden (A,B) platziert, und die Distanz wird mit einem Faktor a vergrössert. Die Dipol-Dipol-Konfiguration (Fig. 2) benutzt zwei Dipole: einerseits A, B und M, N anderseits. Die Dipol-Dipol-Anordnung ermöglicht eine gute Auflösung für vertikale Strukturen. Figur 2: Elektroden-Konfigurationen : die oberste Konfiguration stellt die WennerKonfiguration dar, während die Mittlere die Dipol-Dipol-Konfiguration, und die Untere, die Wenner-Schlumberger-Konfiguration darstellen. Die Wenner-Schlumberger-Anordnung (Fig. 2) ist ein Kompromiss zwischen den zwei vorzitierten Methoden (Loke, 2004). Die gemessenen Werte werden danach mit einem iterativen Inversionsprozess vom Programm RES2DINV auf einem Computer bearbeitet, um ein 2D Modell herzustellen (Loke, 2004) (Schneider, et al.,2013). Figur 3: elektrischer Widerstand für verschiedene Gesteinstypen (Schön, 2004) [10] 3.2.2. -Seismische Tomographie (RST) Seismische P-Wellen werden durch einen Impakt an der Oberfläche in den Untergrund propagiert. Nach dem Snellius’schen Brechungsindex1 werden die Impulswellen für den Fall, dass sie mit einem kritischen Winkel auf eine Schicht mit unterschiedlicher Dichte treffen, entlang der Schichtengrenze verbreitet (Musset & Khan, 2009). Mit dem Huygens’schen Prinzip werden diese Kopfwellen in Richtung Oberfläche refraktiert und von den Geophonen gemessen. Diese vergleichen den Zeitpunkt des Impakts mit dem des ersten gemessenen Signals. Für die am nächsten stehenden Geophone wird das erstgemessene Signal durch die ersten UntergrundsSchicht propagiert. Für die weiter stehenden Geophone wird das erstgemessene Signal ein durch tiefere Untergrunds-Schichten refraktiertes Signal sein. Denn tiefer gelegene Gesteins-Schichten haben eine höhere Dichte und ermöglichen eine schnellere Propagation der Impulswellen. Ein Computer berechnet danach die seismische Geschwindigkeit (V) der getroffenen Schichten. Ausserdem ermöglicht die seismische Tomographie, gefrorenes und ungefrorenes Material zu unterscheiden, da die Geschwindigkeit der P-Wellen durch den Wasser- und Eis-Anteil beeinflusst wird (Fig. 4). Schon kleine Geschwindigkeitsvariationen der P-Wellen können mit dieser Methode entdeckt werden. Burger et al., (2006) stellen folgende Regeln dar: Vungesättigte Sedimente<Vgesättigte Sedimente Vunverfestigte Sedimente<Vverfestigte Sedimente Gleiche V für alle gesättigten, unkonsolidierten Sedimente Vverwitterte Gesteine<Vunverwitterte Gesteine Vfrakturierte Gesteine<Vunfrakturiertes Gestein Der Computer erstellt zuerst Laufzeitdiagramme, die anschliessend von einem Programm interpretiert und modelliert werden müssen. Das benutzte Programm ist REFLEXW 6.0 (Sandmeier, 2014), und daraus resultiert eine graphische Visualisierung der UntergrundsSchichten. Es können Fehler während der Iteration vorkommen, weil der Grund nicht den vorausgegangenen Regeln entspricht, z.B. Zunahme der Dichte mit der Tiefe, also Zunahme der seismischen Geschwindigkeit. Treffen die seismischen Wellen auf eine Schicht mit kleinerer Dichte, wird diese Schicht vom Modell nicht bemerkt und „Blind Layer“ genannt. Es geschieht dasselbe, wenn eine Schicht zu dünn ist („Hidden layer“). Ist der Geophonabstand zu gross, wird die Geschwindigkeit der 1. Schicht überschätzt und deren Dicke unterschätzt. Geneigte Schichtgrenzen werden vom Modell nicht korrekt berechnet und zeigen falsch platzierte Figur 4:: seismische Geschwindigkeit für Schichtgrenzen. Sie werden Inversions unterschiedliche Gesteinstypen (Schön, 2004) Artefacts genannt (Hauck & Kneisel, 2008). Mit den zwei vorzitierten Methoden ist es dann möglich, ein 4-Phasen-Modell (4PM) herzustellen. (Hauck, et al., 2011) 1 Kritischer Winkel = Arcsin (n2/n1), wo n die Brechungszahl der Schicht ist [11] 3.3.Vier-Phasen-Modell (4PM) Das 4PM bezieht sich auf die Arbeit von Hauck, et al., (2011)und wird als Primärquelle für die folgende Theorie benutzt. Das 4PM ist ein informatisches Modell, das den Gesteins-, Luft-, Wasser- und Eis-Anteil im Untergrund berechnet. Dies wird für jede modellierte Zelle des Untergrundes mit der ArchieGleichung (Archie, 1942) und eine Erweiterung der Timur-Gleichung (Timur, 1968) ermöglicht. Es wird davon ausgegangen, dass jeder Punkt im Modell aus einer Summe von den volumenbezogenen Anteilen von Wasser, Gestein, Eis und Luft bestehen muss (Gleichung 2). Diese können keinen negativen Wert haben. (2) Die Archie-Gleichung (Gleichung 3) berechnet den Widerstand in einem 3-Phasen Mittel (Gestein Matrix, Flüssigkeit, Luftgefüllter Porenraum) mit dem Widerstand des Porenwassers, der Porosität, und der Sättigung. Die Parameter a, m und n sind empirisch bestimmt. Diese hängen vom Material und vom Standort ab und können im Profil des Modelles variieren. Wir gehen davon aus, dass die Archie’s Formel auch in teilweise gefrorenen Böden mit Temperaturen knapp unter 0°C zutrifft (Hauck, et al., 2011). Die Erweiterung der Timur-Gleichung in Gleichung (5) setzt die Geschwindigkeiten der pWellen in Zusammenhang mit den volumetrischen Anteilen von Wasser, Gestein, Eis und Luft. Es wird davon ausgegangen, dass die inverse Geschwindigkeit der p-Wellen in einem Material der Summe der inversen Geschwindigkeiten der p-Wellen in Wasser, Gestein, Eis und Luft gleicht (Gleichung 4). Jede Komponente wird gemäss ihrem volumenbezogenen Anteil gewichtet. Archie-Gleichung: =a -m -n wφ Sw (3) (4) Erweiterte Timur-Gleichung: (5) des Porenwassers [Ωm] =Porosität des Gesteins [%] Sw=Wassersättigung a=Lithologiefaktor oder Tortuositätsfaktor. Er korrigiert die Variationen der Kompaktion, der Porenstruktur und der Korngrösse (Winsauer, et al., 1952). m=Verkittungfaktor. Er liegt bei 1.3 für unkonsolidierten Sand und um die 1.8 bis 2.0 für konsolidierte Sandsteine. Der Wert kann wegen der komplexen Struktur der Karbonate zwischen 1.7 und 4.1 variieren (Verwer, et al., 2011). n=Sättigungsindex. Gestein kann elektrisch leitfähig werden indem ein dünner Wasserfilm sich auf Rändern der Luftporen im Gestein bildet. Seine Werte liegen um 2.0 und können zwischen 1.3 bis 2.6 variieren (Crain, 2015). = Geschwindigkeiten der p-Welle in Wasser, Gestein, Eis und Luft [m/s] =volumbezogener Anteil von Wasser, Gestein, Eis und Luft [%] w=Widerstand Mit den Gleichungen (2), (3) und (5) ist es möglich, den Anteil von Luft, Wasser und Eis zu berechnen, indem die Porosität nach den aus dem Bohrloch extrahierten Informationen bestimmt wird. Das Modell geht davon aus, dass der Anteil des Porenraums mit der Tiefe sinkt [12] und dass die Porosität horizontale Änderungen haben kann. (Schneider, et al., 2013) Mit der Timur-Gleichung werden die Porosität und die Sättigung als volumenbezogenen Anteile angegeben. (6) (7) Diese Formeln ermöglichen dann, die volumenbezogenen Anteile von Eis, Luft und Wasser zu berechnen. (8) (9) (10) Die elektrische Widerstandstomografie ist in Permafrostgebieten gut anwendbar dank dem starken Zusammenhang zwischen dem elektrischen Widerstand und dem Anteil des Porenwassers, wie es in Gleichung 9 angegeben wird. Wasser und Luft unterscheiden sich gut wegen ihrer unterschiedlichen Verhältnisse von Widerstand und seismischer Geschwindigkeit. Es ist komplizierter für Eis und Gestein, die ähnliche seismische Geschwindigkeiten zeigen. Steigt der Eisanteil, sinkt der Gesteinsanteil und umgekehrt (Hauck, et al., 2011). Es gibt die Möglichkeit, weitere Gleichungen als unterschiedliche Ansätze zu benutzen, diese werden aber in dieser Arbeit nicht besprochen. Mehr Informationen können in Schneider, et al., (Schneider, et al., 2013) gefunden werden. 3.4.Bohrlochtemperaturen Für diese Arbeit wurden Temperaturprofile von Bohrlöchern benutzt. In jedem Bohrloch wurden automatische Thermistoren in verschiedene Tiefen hineingesetzt. Die Bohrlöcher geben Informationen über die MAAT (Jährliche Lufttemperatur Mittel), die MAGST (Jährliche Grundtemperatur Mittel an der Oberfläche), die MAT (Lufttemperatur Mittel für eine Zeitperiode) und die MAGT (Jährliche Untergrundstemperatur Mittel) der Standorte. Ausserdem ermöglichen sie unterschiedliche statistische Untersuchungen und ergeben unter anderem die Temperaturen an den verschiedenen Tiefen, wo die Thermistoren eingesetzt worden sind. Für die südlich stehenden Orte stehen drei Datensätze zur Verfügung (Fig. 5), für die die ERTRST Profile im Jahr 2010 gemessen worden sind. Zwei Datensätze kommen aus Juvasshoe (JUV PACE, JUV BH5) und einer aus Tronfjell (TRON). Die Bohrlöcher der südlich liegenden Orte wurden im August 2008 gebohrt: mit Bohrkern (45mm-Diameter) an den Orten, die im Grundgestein lokalisiert sind und mit Hammerbohrungen (115-130mm Diameter) an den Orten, wo es oberflächliche Sedimente gibt. Aufgrund mangelnder Daten, wurden für die südlich liegenden Orte die Werte von Farbrot, et al., (2011) angegebenen. [13] Zur Verfügung stehen zusätzlich fünf Datensätze, die im Norden Norwegens liegen, und für die die Messungskampagne Norwegian IPY project TSP Norway „Permafrost Obervatory Project: A Contribution to the Termal State of Permafrost in Norway and Svalbard“ in den Sommern 2007 und 2008 stattfand. Ein Datensatz kommt aus Lavkavagge, einer aus Kistefjellet, einer aus Iskoras und zwei aus Guolasjavri. Für die nördlich liegenden Orte wurden aufgrund fehlender Daten die Werte von Farbrot, et al., angegeben. Temperaturmessungen aus unterschiedlichen Perioden zwischen 2007 bis 2009 benutzt. Alle Bohrlöcher wurden im Grundgestein gebohrt, ausser in Iskoras (Is-B-2), wo sich das einzige Bohrloch in Norwegen in Sedimenten befindet (Christiansen, et al., 2010). Jedes Mal wurde mit Bohrkern gebohrt. Figur 5: Karte von Norwegen mit den untersuchten Standorten (NORPERM, 2015) [14] 4. Methodologie Zuerst wurden die ERT, die RST und die unterschiedlichen Graphiken der Bohrlochtemperaturen betrachtet, um eine erste Interpretation der geophysikalischen Daten vor der Verwendung des 4PM durchzuführen. Um erste Schätzungen über die Verbreitung von Eis zu erhalten, wurden in dieser Etappe Figuren, Zonen und Tiefengrenzen eingezeichnet, die sich von der Umgebung unterscheiden. In einem zweiten Schritt wurden die freien Parameter (vw,a,i,r, m, n, a, w, ) des Modells bestimmt (siehe die Bewertung der Parameter in den Tabellen A1 bis A4). Früher erstellte Studien lieferten Informationen über die Bodentiefen, die Dichte und die Gesteinsart (Tabelle 1). Diese Informationen wurden in dieser Arbeit mit den theoretischen Werten von Schön (2004) verglichen, die sich mit den Charakteristiken der Grundgesteine wie ihrer seismischen Geschwindigkeit, ihrem Widerstand, theoretischen a, m und n Faktoren, der Porosität ( ) und der Dichte befassen. Diese Faktoren sind im Anhang vorhanden. Da die Grundgesteine aus Gabbro, Schiefer, oder Quarzit bestehen, wurden als Startparameter für magmatische und metamorphische Gesteine die Werte a (1.4), m (1.58) und n (2) benutzt. Diese wurden dann je nach der Entwicklung des Modells geändert. Danach wurde das Porositätsverhältnis des Untergrunds bestimmt. Um das Porositätsmodell zu definieren, wurden zuerst die minimale Porosität des Gesteins und die maximale Porosität an der Oberfläche ins Programm eingegeben. Die 4PM-Versuche wurden mehrmals wiederholt, um die Menge an weissen Flecken im 4PM zu reduzieren. Diese geben nämlich an, wo das 4PM keine physikalisch sinnvolle Lösung auf den eingegebenen Parametern des 4PM finden kann. Diese werden in dieser Arbeit mit (W) angezeigt. Danach wurde der Gradient adaptiert, damit das Modell mit den erkannten seismischen Schichten der ERT, RST, der Dichteproben und der Temperaturen im Untergrund stimmen. Zusätzlich wurde der n-Faktor adaptiert, damit das Modell mit den vorhandenen Informationen die schlüssigsten Resultate ergab. Schlussendlich wurde der vr-Faktor noch einmal adaptiert, um die Zahl der weissen Flecken zu reduzieren. In einem dritten Schritt wurden die Graphiken vom 4PM untersucht, um Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu den ERT, RST und Bohrlochtemperaturen zu ermitteln. Das 4PM ergibt 2 Serien von Bildern: die Erste gibt die absoluten Luft-, Wasser- und Eis-Gehalte, während die Zweite die relativen Luft-, Wasser- und Eis-Gehalte im gegebenen Porenraum angibt. Es wird versucht, Untergrundsstrukturen zu erkennen, die Verteilung der untersuchten Elemente (Eis, Wasser, Luft) und deren logischen Sinn zu interpretieren. Schlussendlich wird die Effizienz vom 4PM an den einzelnen Standorten untereinander verglichen, um auf Schwachstellen des 4PM je nach Gesteinseigenschaften zurückzuschliessen. [15] Bohrloch Gestein Korngrösse (mm) Guolas 1 Gabbro/ amphibolite <1 Guolas 3 Schiefer <1 Iskoras 1+2 Quartzit <1 PACE Juvasshoe Gabbro/ Quartz monzonite Juvass BH5 Kistefjellet Lavkavagge Tronfjellet 3 Gabbro Schiefer/ Granit/ Aplit Schiefer Gabbro 1-5 1-5 <1 <1 <1 Oberfläche Anstehendes Gestein Anstehendes Gestein feinkörnige Grundmoraine und anstehendes Gestein alteriert/ Blockfeld Blockhaltige Grundmoräne Grobe Blöcke und anstehendes Gestein Dünne Schicht von Diamicton und anstehendes Gestein Grundmoräne/ Blockhalde Tiefe zum Grundgestein (m) Tiefe Bohrloch Tiefe (m) Dichte 0 15 2.934 2.931 2.956 3.015 2.930 2.924 5 10 15 20 25 32 0 10 2.801 5.0 0 10 2.652 10 2.801 5 2.797 10 2.798 2.801 14.5 5 2.797 10 2.798 14.5 2.806 5.5 2.663 10 2.807 15 2.815- 20 2.725 25 2.910 5 2.882 10 2.986 15 - - 3 bis 4 4.5 0 0 9.5 20 10 24.8 14 10 (m) Tabelle 1 : Informationen über die Standorte (Hauck, et al., 2004), (Isaksen, et al., 2007), (Christiansen, et al., 2010), (Juliussen, et al., 2010), (Farbrot, et al., 2011), (Isaksen, et al., 2011), (Hipp, et al., 2012), (Farbrot, et al., 2013) [16] 5. Resultate 5.1.Guolasjavri (Gu-B-1 und Gu-B-3 am 01.-03.08.2008) 5.1.1. Standort Guolasjavri befindet sich in der Mitte der Troms-Region im Norden von Norwegen auf einer Höhe von ungefähr 800m. ü. M.. Drei Bohrlöcher wurden in dieser Region gebohrt (Fig. 6). Das Bohrloch Gu-B-1 liegt in einer Höhe von 786m.ü.M. auf einem flachen Hügel und erreicht eine Tiefe von 32m. Das anstehende Grundgestein besteht aus Gabbro und Amphibolite und Permafrost ist anwesend (Farbrot, et al., 2011). Nach Farbrot, et al., (2011) reichte die Auftauschicht zwischen 2008 und 2010 bis in eine Tiefe von 10m. Während des Internationalen Polaren Jahr 2007-2009 (IPY) geben Christiansen, et al., (2010) an der Oberfläche eine MAGST bei -1.4°C und eine MAAT bei -1.7°C und an der unteren Grenze der Auftauschicht (in 10m Tiefe) eine MAGT bei -0.1°C an (Tabelle A5). Der Eisanteil für BH1 wird nach Etzelmüller, et al., (2009) klein angegeben. Dagegen schätzen Hilbich, et al., (2011) in ihrer Studie mithilfe des 4PM, dass 60% vom Porenraum mit Eis gefüllt ist, was mit ihren gemessenen Bohrlochtemperaturen übereinstimmt. Das Bohrloch Gu-B-3 liegt in einer Höhe von 780m.ü.M in einer eher flachen Zone und erreicht eine Tiefe von 10m. Das anstehende Grundgestein besteht aus Schiefer, und Permafrost ist abwesend (Farbrot, et al., 2013). Etzelmüller, et al., (2009) interpretieren die ERT-RST Daten insofern, dass keine klare Aussage über den Permafrost für BH3 gegeben werden kann und dass tiefer saisonaler Frost vorkommt. 5.1.2. Guolasjavri (Gu-B-1 01.08.2008) 5.1.2.1. ERT-RST-Temperaturen Die ERT-RST Messungen (Fig. 8) wurden am 01.08.2008 durchgeführt. Das Bohrloch Gu-B-1 zeigt ein heterogenes Verhältnis des Widerstandes auf dem ganzen Profil. Im Allgemeinen ergibt sich ein eher mittlerer Widerstand (10‘000Ohm). Lokal sinkt der Widerstand in ungefähr 2m Tiefe für die Zone B und C. Zone A zeigt einen tiefen Widerstand, der sich bis auf 10m in der Tiefe verteilt. Das Grundgestein ist aufgeschlossen, aber die Oberfläche zeigt bis 5m Tiefe langsame seismische Geschwindigkeiten von 2‘000m/s an (gestrichelten Linie). Es wird vermutet, dass dies auf die Alteration zurückzuführen ist. In tieferen Schichten werden die seismischen Geschwindigkeiten viel schneller und erreichen bis 4‘000 m/s. Die Zone mit der schnellsten seismischen Geschwindigkeit zeigt womöglich das unverwitterte Grundgestein (Zone D). Das Temperaturprofil des Messtages (Fig. 7) zeigt negative Temperaturen zwischen 5 bis 15m Tiefe. Da der Widerstand durchschnittlich ist, und da Permafrost in dieser Zone mit einer über 10m tiefen Auftauschicht vorhanden ist, kann dies ein Hinweis auf die Anwesenheit von Eis sein. Zusätzlich schreiben Christiansen et al., (2010), dass die MAGT in 10m Tiefe bei 0.1°C liegt, was die Anwesenheit von Eis ab 10m Tiefe erwarten lässt. [17] BH2 BH1 BH3 Figur 6: Karte vom Guolasjavrisee mit den Standsorte der drei Bohrlöcher (Etzelmüller, et al., 2009) Figur 7: Bohrloch Gu-B-1 Temperaturprofil am 01.08.2008. Figur 7: Standort Guolasjavri (Gu-B-1). ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST Profile mit 4m Geophonenabstand. Gu-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Die Zonen A, B und C zeigen einen tieferen Widerstand, wo Eis womöglich abwesend ist. Die gestrichelte Linie in der ERT zeigt die untere Grenze des vermuteten alterierten Grundgesteins. Die Zone D ist das vermutete unverwitterte und dichtere Grundgestein. 5.1.2.2. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Guolasjavri am Gu-B-1 besteht aus Gabbro und Amphibolite. Da dies metamorphische Gesteine mit seismischen Geschwindigkeiten von 5‘500m/s sind, wurde zuerst Vr als maximal im 4PM auf 7‘500m/s definiert (Tabelle A4). Die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min) wurde auf 0.05 definiert und n auf 2, a auf 1.4 und m auf 1.58 (Tabelle A4). Das Grundgestein ist aufgeschlossen, und deshalb sollte die Anfangsporosität sehr tief liegen. In der RST ist jedoch sichtbar, dass in den 5 bis 10 ersten Metern Tiefe die seismische Geschwindigkeit unter 2‘000m/s liegt, was eher den Geschwindigkeiten von Sedimenten entspricht. Es wird vermutet, dass das Grundgestein an der Oberfläche alteriert ist, und aus diesem Grund wurde ein Gradient mit abnehmender Porosität für die langsamere oberflächliche Schicht modelliert. Die angegebene hohe Porosität im 4PM wurde während des Prozesses so bestimmt, weil sich bessere Resultate ergaben. Das Bohrloch zeigt eine leichte Zunahme der Dichte mit der Tiefe, was im Modell auch im festeren Grundgestein (Vr>3‘000m/s) angegeben wurde. In der von der RST angegebenen schnelleren Zone (>5‘000m/s) wurde versucht, eine tiefe Porosität unter 0.1 ins Modell einzugeben. Die Temperaturen im Untergrund liegen zwischen 5m bis 15m unter 0°C, was im 4PM erscheinen soll. Die Rw und n-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust [18] an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Schlussendlich wurde Vr auf 7‘500m/s beibehalten, da sich so das beste Resultat ergab. 5.1.2.3. Interpretation Der Standort befindet sich im anstehenden metamorphischen Grundgestein. Permafrost ist vorhanden, und die Auftauschicht kann bis zu 10m in die Tiefe reichen. Das 4PM (Fig. 9) gibt für die fünf ersten Meter unter der Oberfläche einen tiefen absoluten und relativen Eisanteil an, die unter 10% liegen. Dies entspricht den Temperaturmessungen im Bohrloch, in dem die Temperaturen bis in eine Tiefe von 5m positiv sind. Dagegen sind der absolute und der relative Luftgehalt sehr hoch und liegen über 40% bzw. 80%. Der Wasseranteil liegt sehr tief in dieser Oberflächenschicht. Dies liegt vermutlich am alterierten Grundgestein, das eine gute Wasserzirkulation ermöglicht. Eine Eiszone verbreitet sich zwischen 5 und 10m Tiefe mit einem Eisanteil zwischen 40 bis 60%. Um das dichte Grundgestein herum (Zone D) werden sogar bis zu 70% relativer Eisanteil in den Hohlräumen angegeben. Dies stimmt mit dem Temperaturenprofil vom Bohrloch überein, das negative Temperaturen ab 5m bis 15m Tiefe angibt. Ausserdem zeigt diese Zone eher schnelle seismische Wellen (5‘000m/s) mit einem durchschnittlichen Widerstand, was zusätzlich für die Anwesenheit von Eis im Grundgestein spricht. In den Zonen B und C wird der relative Eisanteil aufgrund der besseren elektrischen Leitfähigkeit tiefer geschätzt. Der relative Wasseranteil steigt bis auf 50% in 12m Tiefe. In den Jahren 2008-2010, in 10m Tiefe, lag die MAGT bei -0.1°C. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass das Eis unter 10m Tiefe langjährig anwesend ist. Im festen Grundgestein (Zone D) ist der relative Eisanteil etwas tiefer und liegt unter 30%. Der relative Wasseranteil steigt bis auf 70%. Der absolute und relative Luftgehalt sinken mit der Tiefe und sind sehr tief ungefähr ab 5m Tiefe. Dieses Resultat erhöht also die Ergebnisse von der früher erstellten Studie (Etzelmüller, et al., 2009), in der ein tieferer Eisanteil geschätzt wurde. Permafrost ist vorhanden, und es spricht dementsprechend für die 2011 geführte Studie (Hilbich, et al., 2011), in der ein Eisanteil von 60% in der Auftauschicht vermutet wurde. Es zeigt, dass die Anwendung des 4PM Modells in Orten mit tiefer Porosität im Grundgestein plausible Resultate ergibt. [19] Figur 8: Guolasjavri Gu-B-1 4PM: Gu-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angezeigt. Die Zonen A, B und C zeigen einen tieferen Widerstand, wo Eis abwesend ist. Die gestrichelte Linie in der ERT zeigt die untere Grenze des vermuteten alterierten Grundgesteins. Die Zone D ist das vermutete unalterierte und dichtere Grundgestein. 5.1.3. Guolasjavri (Gu-B-3 02.08.2008) 5.1.3.1. ERT-RST-Temperaturen Die ERT-RST Messungen (Fig. 10) wurden am 02.08.2008 durchgeführt. Die vorhandenen Bohrlochtemperaturdaten reichen nur bis zum 01.08.2008, und es konnten keine weiteren Daten gefunden werden. Deshalb wurde der 01.08.2008 als naheliegenster Tag für das Temperaturprofil benutzt (Fig. 11). An diesem Standort wird kein Bohrloch angezeigt, denn dieses wurde am Anfang der ERT ausserhalb von der RST gebohrt. Figur 9: Standort Guolasjavri Gu-B-3. ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 4m Geophonenabstand. Da das Bohrloch am Anfang der ERT ausserhalb der RST gebohrt wurde, wird hier kein Bohrloch angezeigt. Die schwarze Linie zeigt die 2m tiefe leitfähige Schicht. Die gestrichelte Linie zeigt die Grenze zwischen alteriertem und unalteriertem Grundgestein. [20] Die oberflächliche 2m tiefe Schicht zeigt einen tiefen Widerstand, der unter 5‘000 Ohm begrenzt ist (kontinuierliche Linie). Die darunter liegende zwischen 2-5m tiefe Schicht zeigt einen höheren Widerstand (bis über 20‘000 Ohm), was ein Hinweis auf die Anwesenheit von Eis sein könnte. Ab 5m Tiefe liegt der Widerstand in durchschnittlichen Werten (10‘000Ohm). Die seismischen Wellen sind eher langsam bis 5m Tiefe (unter 3‘000m/s) im ganzen Profil (gestrichelte Linie). Ab 5m Tiefe werden die Geschwindigkeiten schneller bis 4‘000m/s in 10m Tiefe. Diese steigen bis 5‘000m/s in grösseren Tiefen, was auf das dichte und unverwitterte schieferhaltige Grundgestein schliessen lässt. Die Temperaturen des ERT- Figur 10: Guolas Gu-B-3 Temperaturprofil am RST Messungstages (Fig. 11) sind positiv. Dies schliesst 01.08.2008 eigentlich die Anwesenheit von Eis im Untergrund in GuB-3 aus. Da jedoch die Temperatur in 5m Tiefe bei 0°C liegt, bleibt die Anwesenheit von Eis in dieser Tiefe ein Diskussionsthema. 5.1.3.2. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Guolasjavri am Gu-B-3 besteht aus Schiefer mit einer maximalen gemessenen seismischen Geschwindigkeit von 5‘465m/s (Tabelle A4). Daher wird Vr als maximal im 4PM auf 7‘500m/s definiert, und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min) wurde auf 0.01 definiert, n auf 1.8, a auf 1.4 und m auf 1.58. Das Grundgestein ist aufgeschlossen, aber die RST gibt für die ersten 5m Geschwindigkeiten unter 2‘000m/s an. Aus diesem Grund wurde ein Gradient mit abnehmender Porosität ins Modell eingegeben mit einer Anfangsporosität von 0.4. Ab 5m Tiefe wurde angenommen, dass die Dichte sich noch ein wenig ändert, wegen der Übergangszone (3‘000m/s-4‘000m/s) in der RST. Es wurde angenommen, dass die Dichte für die Zone mit hoher seismischer Geschwindigkeit unter 0.1 liegt. Die Schwierigkeit der Modellierung lag darin, dass die Tiefe dieser Zone sehr unregelmässig ist. Während der Bearbeitung wurde die minimale Porosität auf 0.05 gesenkt. Die Temperaturen im Untergrund sind positiv, liegen aber bei 0°C in 5m Tiefe. Deshalb wäre es eine Möglichkeit, dass Eis im 4PM in 5m Tiefe erscheint. Die Rw und n-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Schlussendlich wurde die Vr auf 7‘500m/s beibehalten, da dies eine bessere Lösung ergab. 5.1.3.3. Interpretation Der Standort besteht an der Oberfläche aus anstehendem Schiefer. Permafrost ist abwesend, und der saisonale Frost kann bis in 7m Tiefe eindringen (Etzelmüller, et al., 2009). Wegen der angezeigten langsamen seismischen Geschwindigkeiten wird vermutet, dass das oberflächliche Grundgestein bis auf 5m Tiefe gespalten oder alteriert ist. Das 4PM (Fig. 12) zeigt in den 3 ersten Metern (kontinuierliche Linie) einen sehr tiefen absoluten (<5%) und relativen (<5%) Eisanteil. Der relative Wasseranteil steigt lokal bis auf 40%, was den tieferen Widerstand dieser Schicht erklärt. Diese Schicht zeigt sonst einen hohen absoluten (40%) und relativen (70%) Luftanteil. In einer Tiefe von 3 bis 5m liegen gemäss Schätzung des 4PM der absolute Eisgehalt bei 20% und der relative Eisgehalt bei 30% bis 40%. Da die Bohrlochtemperaturen in 5m bei 0°C liegen und das ERT-Profil einen höheren Widerstand in derselben Tiefe anzeigt, wäre es eine Möglichkeit, dass es eine dünne eishaltige Schicht in 5m [21] Tiefe gibt. Diese könnte ein Resultat von saisonalem Frost sein. Da diese gefrorene Übergangsschicht (zwischen der gestrichelten und der kontinuierlichen Linie) einen relativ hohen Eisgehalt und Luftgehalt zeigt, kann der absolute (10%) und relative Wassergehalt (20%) nur tiefe Werte zeigen. Ab 5m Tiefe sinken die absoluten und relativen Eisgehaltwerte fast auf 0. Da der absolute Luftanteil mit der Tiefe sinkt, kann das Porenvolumen nur noch mit Wasser gefüllt werden. Dies ist im absoluten und relativen Wasseranteil sehr gut sichtbar. Die Studie von Etzelmüller, et al., (2009) gab an, dass die Permafrostbedingungen unsicher sind. An diesem Ort ist es aufgrund der positiven Temperaturen eindeutig, dass kein Permafrost vorhanden ist. Es besteht die Möglichkeit, dass saisonales Eis zum Messzeitpunkt in einer dünnen Schicht in 5m Tiefe für kurze Zeit noch anwesend war. Figur 11: Guolasjavri Gu-B-3 4PM: Da das Bohrloch am Anfang der ERT ausserhalb der RST gebohrt wurde, wird hier kein Bohrloch angezeigt. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angezeigt. Die schwarze Linie zeigt die 2m tiefe leitfähige Schicht. Die gestrichelte Linie zeigt die Grenze zwischen alteriertem und unalteriertem Grundgestein. [22] 5.2.Iskoras (Is-B-1 und Is-B-2 28.07.2008) 5.2.1. Standort Iskoras befindet sich im Süden von Karasjok in der Finnmark Region auf einer Höhe von 600m. ü. M.. Das Grundgestein besteht aus Quarzit mit einer Sedimentauflage unterschiedlicher Dicke. Das Bohrloch Is-B-1 (Fig. 14) reicht bis in eine Tiefe von 10m direkt im Grundgestein, während die Oberfläche in der Umgebung aus einer feinkörnigen Grundmoräne besteht (Farbrot, et al., 2013). Das Bohrloch Is-B-2 reicht bis in eine Tiefe von 60m mit einer 1.5 bis 2m dicken Sedimentauflage über dem Grundgestein (Christiansen, et al., 2010). Die Messungen von Etzelmüller, et al., (2009) ergaben, dass das Bohrloch Is-B-1 und Bohrloch Is-B-2 eine 10m Auftauschicht im Jahr 2007-2008 zeigen. Etzelmüller, et al., (2009) interpretierten diese grosse Tiefe als eine Antwort auf einen aussergewöhnlich warmen Sommer. Der grösste Eisanteil befindet sich im nördlichen Teil des Profils in einer Tiefe zwischen 5 bis 10m. Darunter sind die Schichten mehr und mehr mit Wasser gesättigt. Die oberflächennahen Schichten zeigen ungefrorene und trockene Bedingungen an der Oberfläche (Etzelmüller, et al., 2009). Das Klima ist kalt und trocken (Farbrot, et al., 2013): nach Christiansen et al., (2010) liegt die MAAT für die Jahre 2008-2009 bei -0.5°C, die MAGST bei -0.5°C und die MAGT bei -0.2°C in 10m Tiefe. Der Permafrost reicht bis in 55m Tiefe in Is-B-1. Für das Jahr 2008-2009 war die Auftauschicht grösser als 7m. Die Schneedecke ist kleiner als 20cm (Christiansen, et al., 2010). 5.2.2. ERT-RST-Temperaturen Iskoras ERT-RST Messungen wurden am 28.07.2008 durchgeführt. Die Oberfläche von Iskoras ist sehr interessant, denn sie zeigt unterschiedliche Verhaltensweisen (Fig. 13). Manche Stellen charakterisieren sich in den 5 ersten Metern Tiefe durch ihren sehr hohen Widerstand, über 50‘000 Ohm (kontinuierliche Linie), was einen Hinweis auf die Anwesenheit von Eis geben könnte. In horizontaler Distanz zwischen 40 und 90m bis in 10m Tiefe liegt eine Zone mit sehr hohem Widerstand: über 50‘000Ohm (Zone A). In dieser Zone wurde auch das Bohrloch Is-B-1 gebohrt. Lokal gibt es Zonen mit einem Widerstand, der um 5‘000 Ohm liegt (Zonen B und C). Die seismischen Wellen bewegen sich langsam (unter 2‘000m/s) in den oberflächlichen Schichten bis 7-15m Tiefe (gestrichelte Linie), was auf alteriertes Grundgestein hindeutet. Durchschnittliche seismische Wellengeschwindigkeiten (3‘000m/s) verbreiten sich ab einer Tiefe von 10m besonders zwischen 100 und 160m horizontaler Distanz. Darunter verbreiten sie sich schneller bis auf 5‘000m/s z.B. in der Zone A, die vom Bohrloch durchbohrt wird. Interessanterweise liegen die Temperaturen ab 6.5m Tiefe im Temperaturprofil des ERT-RST Messungstages (Fig. 15) bei unter 0°C. Figur 12 : Standort Iskoras 1 und 2. ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 4m Geophonenabstand. IsB-1 gibt die Position des Bohrloches an. Die kontinuierliche Linie in der ERT grenzt die Oberfläche mit hohem Widerstand ab. Die Zone A und B zeigen einen eher tiefen Widerstand, während A und D einen hohen Widerstand zeigen. Die gestrichelte Linie trennt das alterierte Grundgestein vom dichten unalterierten Grundgestein. [23] BH1 BH2 Figur 14: Position der Profile und der Bohrlöcher in Figur 15: Bohrloch Is-B-1 Temperatur Profil Iskoras (Etzelmüller, et al., 2009) am 28.07.2008. 5.2.3. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Iskoras besteht aus Quarzit. Da es sich um ein metamorphisches Gestein handelt, wird Vr im 4PM zuerst als maximal auf 7‘500m/s definiert. Die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min) wurde auf 0.01 definiert, und n auf 2, a auf 1.4 und m auf 1.58 (Tabelle A4). Die oberflächlichen 5m zeigen sich in der RST mit Geschwindigkeiten unter 2‘000m/s, obwohl das Grundgestein aufgeschlossen ist. Es wird vermutet, dass aufgrund ihrer tiefen seismischen Geschwindigkeit die 4 ersten Meter alteriert sind. Daher werden die Oberflächenporosität auf 0.4 und ein Porositätsgradient bis auf 0.3 in 5m Tiefe bestimmt. In einer Tiefe zwischen 5 bis 10m sind die seismischen Geschwindigkeiten durchschnittlich schnell für ein Grundgestein (3‘000-4‘000m/s), während sie im dichten Grundgestein in 15m Tiefe sehr schnell sind (5‘000m/s). Für die Zonen, in denen das Grundgestein tiefer erscheint, wurde der Porositätsgradient behalten. Für das Grundgestein wurde eine Porosität von 0.1 angenommen, weil dies bessere Resultate ergab. Die Temperaturen im Bohrloch liegen unter 0°C ab 6.2m Tiefe, und Eis sollte im 4PM erscheinen. Die Rw (50) und n (1.8)-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Aus diesem Grund wurde die minimale Porosität während der Bearbeitung auf 0.1 erhöht. Schlussendlich wurde Vr auf 6‘000m/s gesenkt, weil die RST eine maximale seismische Geschwindigkeit von 5‘547m/s zeigt, was vermutlich auf die tiefe Dichte, die tiefste von allen Standorten zurückzuführen ist. 5.2.4. Interpretation Das Grundgestein von Iskoras besteht aus Quarzit und ist an seinen hohen seismischen Geschwindigkeiten erkennbar. Die Oberfläche besteht auch aus dem Grundgestein, aber aufgrund seiner langsamen seismischen Geschwindigkeit wird vermutet, dass es alteriert ist. Das 4PM (Fig. 16) ergibt in den 5 ersten Metern von der Oberfläche eine Abwesenheit von Eis mit sehr tiefen absoluten und relativen Eisgehalten an (kontinuierliche Linie). Da die direkte Oberfläche alteriert ist und einen hohen Widerstand zeigt, interpretiert das 4PM, dass der absolute und relative Wassergehalt sehr tief liegen. Dagegen liegen der absolute (40%) und der relative (70%) Luftgehalt sehr hoch. Die darunterliegende Schicht, die zwischen 7m bis 15m tief ist (gestrichene Linie), zeigt ein heterogenes Verhalten. Die Zonen A und D zeigen einen relativ (60-70%) hohen Eisgehalt mit [24] einem tiefen absoluten und relativen Wassergehalt und dementsprechend einen tiefen absoluten und relativen Luftgehalt. Dies wird von der ERT bestätigt, denn sie zeigt höhere Widerstände. Dies zeigt auch das Temperaturprofil des Bohrtages mit negativen Temperaturen ab 6m Tiefe. Das 4PM interpretiert, dass die Zone A reich mit Eis gefüllt ist, und dass der relative Eisanteil bis zu 80% reicht. Die eishaltige Zone D verbreitet sich unter die Zone C mit einem tieferen Eisprozentanteil. Die Zonen B und C zeigen einen tiefen absoluten und relativen Eisgehalt, sind aber mit einem relativen Wassergehalt von 40% und mit einem relativen Luftgehalt von 30% gefüllt. Ausser in den Zonen B und C liegen der absolute und der relative Wasseranteil im Allgemeinen sehr tief und steigen nicht über 20%. Nach aufmerksamer Beobachtung des 4PM Profils wird im relativen Eisgehaltprofil festgestellt, dass der untere Teil des Bohrloches bis zu 80% anzeigt. Dies befindet sich noch in der 10m tiefen Auftauschicht des Permafrosts (Christiansen, et al., 2010). Dies bestätigt, dass der Eisanteil im Permafrost höher als im unteren Teil der Auftauschicht ist. Dies spricht für das Resultat von Etzelmüller, et al., (2009), wo auch die hohe eishaltige Zone erkannt wurde. Diese Studie spricht von einer bis zu 10m dicken Auftauschicht, die als Antwort auf einen besonders warmen Sommer interpretiert wird. Der Eisgehalt ist sehr heterogen in der Auftauschicht verteilt, und das 4PM erkennt die Anwesenheit von Eis im Permafrost in den Zonen A und D und unter der Zone C. Figur 13: 4PM in Iskoras 1 und 2. Is-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angegeben. Die gestrichelte Linie begrenzt die Oberfläche, die alteriert ist. Die Zonen A und D zeigen einen höheren Widerstand, und Eis ist vorhanden. Die Zonen B und C zeigen einen tiefen Widerstand, und Eis ist abwesend. [25] 5.3. Juvasshoe PACE 2010 und JUV BH5 (03.08.2010) 5.3.1. Standort Juvasshoe befindet sich im südlichen Norwegen, im Zentrum von Jotunheimen (Farbrot, et al., 2011). Das Klima ist kontinental, was sich in einem durchschnittlichen Niederschlag von 8001000mm pro Jahr zeigt (Isaksen, et al., 2007). Das Grundgestein von Juvasshoe besteht aus kristallinen Gesteinen von der Jotun Decke, die aus dem Präkambrium stammen. Diese kristallinen Gesteinen sind Gabbro (Farbrot, et al., 2011) und Quarz Monzonite, reich an Plagioklasen und Quarz (Battey, 1960). Zwei ERT-RST Profile und zwei Bohrlöcher wurden für diesen Standort benutzt (Christiansen, et al., 2010). Ein ERT-RST Profil stammt aus dem Projekt PACE, dass 2010 stattfand (Fig. 17 und 18), und liegt auf einer Höhe von 1894 m.ü.M. : PACE 2010 (61°40'32''N, 08°22'04''E). Zusätzlich schreibt Isaksen, et al., (2003) dass die 3 bis 4 obersten Schichten des Bodens im Bohrloch PACE gut durchgelüftet sind. Diese bestehen aus blockigem und verwittertem Material mit Blöcken bis zu einer Grösse von 1m (Isaksen, et al., 2011) mit geringem Wassergehalt (Isaksen, et al., 2000). Starke Winde im April ermöglichen keine dicke Schneeschicht bis auf 0.1-0.2m (Isaksen et al 2007). Die MAAT für die normale Periode 1961-1990 wird auf -4.75°C±0.25°C geschätzt (Isaksen, et al., 2003). Für das Bohrloch PACE konnten keine Temperaturdaten angegeben werden. Aus diesem Grund wurden die Werte von Juv-BH1 benutzt, ein Bohrloch das ähnliche MAGST, MAGT und MAAT Werte zeigt (Anhang), weil es am nächsten zum Bohrloch PACE liegt (Tabelle A5). Das zweite ERT-RST Profil, JUV BH5 (61°42'02''N, 08°23'31''E), stammt aus dem Projekt CRYOLINK, das auch 2010 stattfand und auf einer Höhe von 1458 m.ü.M. liegt (Fig. 17 und 18). Diese Werte liegen bei -2.4°C für die MAAT der Jahre 2009-2010 und bei -1.5°C für die MAGST. Das Bohrloch Juv-BH5 besteht aus einer 4.5m dicken sandigen und aus Blöcken bestehenden Grundmoränenschicht über dem Grundgestein (Farbrot, et al., 2011). Isaksen et al., (2011) geben an, dass es im Juv-BH5 keinen Permafrost gibt, und dass der saisonale Frost bis in 4m Tiefe reichen kann. In Juvasshoe wurden unterschiedliche Werte für den Widerstand des Untergrunds von gefrorenem und ungefrorenem Material gefunden. Für gefrorenes Gestein fand King (1984) Werte um 100-150kΩm und Werte um 20-25 kΩm für ungefrorenes Gestein. Dagegen haben Ødegård et al. (1996) Werte um 40-90 kΩm für gefrorenes Material und Werte um 10-25 kΩm für ungefrorenes Material gemessen. Die Geschwindigkeit der P-Wellen liegt tiefer als 800m/s für die obersten Bodenschichten und liegt um 6‘000m/s für das Grundgestein (King, 1984). Für das Grundgestein gibt Schön (2004) dieselbe theoretische maximale Geschwindigkeit der PWellen. Die am Standort PACE gemessenen Geschwindigkeitswerte der P-Wellen reichen bis zu 7‘000m/s, und die am Standort Juv-BH5 reichen bis zu 6‘000m/s. Es entsteht eine Diskrepanz zwischen den gemessenen Werten im PACE Bohrloch und den theoretischen Werten von Schön (2004). Aber die von Schön (2004) angegebenen Werte wurden im Labor gemessen und entsprechen nicht unbedingt den Bedingungen in der Natur. Daher ist möglich, dass die P-Wellen Geschwindigkeitswerte im Grundgestein höher sind. Zusätzlich können die Geoelektrik- und die Seismikinversion die quantitativen Ergebnisse beeinflussen. Es wurden schon mehrere Studien, die über den Permafrost in Juvasshoe berichteten, durchgeführt (Fig. 17 und 18). Es wurde geschätzt, dass die Permafrost-Dicke im PACE [26] Bohrloch bei über 300m liegt (Isaksen, et al., 2001). Die von Hauck et al., (2004) geführte Studie ergab 3 klare Zonen (Fig. 18). Unter 1410m.ü.M befindet sich kein Permafrost. Die Zone zwischen 1410m.ü.M. und 1470m.ü.M. ist eine Übergangszone wo Permafrost vorhanden sein kann aber wo seit einigen Jahren eine mögliche Degradation des Permafrosts stattfindet. Es ist nachgewiesen, dass in einer Höhe über 1470m Permafrost anwesend ist (Hauck, et al., 2004). Figur 14: Bohrlöcher von Juvasshoe (Hipp, et al., 2012) Figur 15 : Juvasshoe: das PACE Bohrloch ist mit dem A markiert, und Permafrost ist vorhanden. B steht für die Übergangszone, und in C gibt es keinen Permafrost. Die schwarzen und grauen Zonen sind ein kleiner See und ein Gletscher. Die gestrichene Linie gibt die Position einer Sommerstrasse an. (Hauck, et al., 2004) 5.3.2. Juvasshoe (PACE 05.08.2010) 5.3.2.1. ERT-RST-Temperaturen Die RST und die ERT Profile am Standort Juvasshoe wurden nicht am selben Tag gemessen. Das in der Fig. 16 angezeigte Bohrloch wurde im Rahmen des PACE Projektes gebohrt. Jedoch liegen die Temperaturdaten für diese Arbeit bisher noch nicht vor. Zu diesem Zweck wurden die Bohrlochtemperaturen von einem Bohrloch mit ähnlicher Höhe, Juv-B-1 (Fig. 17), und welches in der Nähe vom PACE Bohrloch liegt, benutzt. Es zeigt ähnliche Temperaturverhältnisse sowie eine ähnliche Auftauschicht (Tabelle A5) (Farbrot, et al., 2011) und (Christiansen, et al., 2010). Die RST wurde am 04.08.2010 und die ERT am 06.08.2010 gemessen. Um ein gutes Verständnis von den Temperaturen im Untergrund zwischen den zwei Tagen zu haben, wurden die Temperaturprofile vom 03.08.2010, vom 05.08.2010 und vom 06.08.2010 für diese Arbeit ausgewählt, weil das Temperaturprofil vom 04.08.2010 fehlte. Das Bohrloch erreicht nicht den Grund des Permafrosts (Isaksen et al 2007). [27] Bei der Betrachtung des elektrischen Widerstandsprofils (Fig. 20) ist bemerkenswert, dass das Profil global einen hohen elektrischen Widerstand von mehr als 50‘000 Ohm zeigt. Solche Werte können ein Hinweis auf die Anwesenheit von Eis sein. Die Zone A in 1 bis 8m Tiefe zeichnet sich jedoch durch einen tieferen Widerstand aus (20‘000 Ohm). Das seismische Profil (Fig. 19) deutet auf langsame seismische Wellen unter 2‘000m/s für die vier ersten Meter (gestrichelte Linie). Je tiefer sie im Untergrund liegen, desto schneller werden die Wellen, und sie erreichen eine Geschwindigkeit bis 6‘000m/s. Die Bohrlochtemperaturen von Juv-B-1 Figur 16: Juvasshoe BH1 Temperaturprofil am (Fig. 19) zeigen Temperaturen unter Null Grad 03.08.10 (rot) 05.08.10 (blau) und am 06.08.10 (grün). Die Auftauschicht während des IPY war Celsius ab 1m Tiefe. Diese Tatsache zusammen mit 1.5m dick für BH1 und 2.2m für PACE. dem hohen Widerstand sind ein Zeichen für die Anwesenheit von Eis. Die Temperaturen bleiben im Bohrloch unter 0°C ausser für die 2 ersten Meter. Dies entspricht der mittleren Auftauschichttiefe an diesem Ort (Christiansen, et al., 2010). Figur 17: Standort Juvasshoe Pace. ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 3m Geophonenabstand. PACE gibt die Position des Bohrloches an. Die Zone A zeigt einen tieferen Widerstand an. Die gestrichelte Linie gibt die 3 bis 4 ersten Meter mit verwittertem Material an. 5.3.2.2. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Juvasshoe besteht aus Gabbro und Quarz Monzonite, und die maximalen gemessen seismischen Geschwindigkeiten liegen bei 6‘999m/s. Deshalb wird Vr im 4PM als maximal auf 7‘500m/s definiert und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Nach Schön (2004) liegt die Porosität von Gabbrogestein zwischen 0.46-0.91. Deshalb wurde die minimale Porosität ( min) auf 0.01 definiert und n auf 1.8, a auf 1.4 und m auf 1.58 (Tabelle A4). Die oberflächliche 3-5m dicke Schicht lässt sich in der RST mit Geschwindigkeiten unter 3‘000m/s erkennen, weil es sich um ein grobes Blockfeld von alteriertem Gestein handelt (Isaksen, et al., 2003). Die intragranulare Porosität ist klein in den Blöcken, aber die Porosität der Spalten ist gross; daher wird die oberflächliche Porosität auf 0.5 bestimmt. Das Bohrloch und die RST zeigen, dass die Dichte sich ab 5m Tiefe kaum ändert. Deshalb wurde für die 5 ersten Meter ein Gradient mit abnehmender Porosität eingefügt, aber in der darunterliegenden Schicht ändert sich die Porosität kaum noch und liegt unter 0.1. Die Temperaturen im Untergrund liegen ab 1m unter 0°C. Die Rw und n-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Schlussendlich wurde versucht, Vr zu ändern, um festzustellen, dass 7‘500m/s die beste Lösung in Anbetracht der Menge von weissen Flecken ist. [28] 5.3.2.3. Interpretation Das Grundgestein von Juvasshoe besteht aus Gabbro mit einer 3 bis 4m dicken Blockschicht. Permafrost ist vorhanden, und die Auftauschicht ist ungefähr 2m tief. Zwischen den Blöcken gibt es viel Hohlraum, was vom 4PM (Fig. 21) erkannt wird. Es zeigt einen absoluten (20-50%) und eine relativen Luftanteil bis zu 80%. Genauso wie die Porosität nehmen diese Werte mit der Tiefe ab. In der oberflächlichen Schicht erkennt das 4PM einen absoluten und einen relativen Eisanteil unter 10% in den ersten 1 bis 2 Metern. Bis 4m Tiefe (gestrichelte Linie) liegt der absolute Eisgehalt zwischen 10 bis 20% und sinkt mit der Tiefe. Der relative Eisgehalt liegt zwischen 30 bis 50% ab ungefähr 2m Tiefe. Das Temperaturprofil des Bohrtages von Juv-B-1 gibt jährliche negative Temperaturen ab 1m Tiefe an. Ausserdem geben die ERT einen hohen Widerstand für das ganze Profil und die RST durchschnittliche seismische Geschwindigkeiten, die denen vom Eis entsprechen könnten, an. Der Wassergehalt im Profil ist global tief, steigt aber in der Zone A mit einem tieferen Widerstand. Da steigt der absolute Wassergehalt auf 25%, was die bessere Leitfähigkeit erklärt. Der relative Wassergehalt liegt in den ersten 4 Metern bei unter 20%, steigt aber am Anfang des Profils in 8m Tiefe bis auf 80%. Knapp darüber befindet sich die Zone A mit einem tieferen Widerstand. In dieser Zone wird der absolute Wassergehalt leicht höher als im Rest des Profils angegeben. Diese Indizien werden von den Resultaten von Hauck et al., (2004) unterstützt. Sie deuten auf eine Auftauschicht mit wenig Wassergehalt im Sommer hin. Isaksen et al., (2007) erklärt, dass eine Erwärmung der 2 bis 4m zuoberstliegenden Permafrost-Schichten (die Auftauschicht) seit 1999 stattfindet. Für Hipp et al., (2012) variiert die Dicke der Auftauschicht bis 2009 zwischen 40cm bis 4.1m. Aus diesem Grund ist es möglich zu sagen, dass das 4PM ein plausibles Resultat für die Anwesenheit von Eis mit einem relativen Eisgehalt bis zu 50% im Grundgestein liefert. [29] Figur 18: 4PM von Juvasshoe PACE. PACE gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angezeigt. Die gestrichelte Linie zeigt die 3 bis 4 ersten Meter mit verwittertem Material. Die Zone A zeigt einen tieferen Widerstand an. 5.3.3. Juvasshoe (Juv-BH5 03.08.2010) 5.3.3.1. ERT-RST-Temperaturen Die ERT von Juvasshoe BH5 (Fig. 23), die am gleichen Tag wie die RST am 03.08.2010 gemessen worden ist, zeigt einen hohen Widerstand an der Oberfläche (über 30‘000 Ohm), aber kein regelmässiges Verhalten unter der Oberfläche. Der Widerstand sinkt bis auf 10‘000 Ohm in den darunter liegenden Schichten. Es scheint, dass die oberflächlichen hochohmigen Schichten im nördlichen Teil des Profils bis in eine Tiefe von 2m bis 10m Tiefe eindringen, während die oberflächliche Schicht, die darüber liegt, leitfähiger ist (kontinuierliche Linie). Die seismischen Wellen befinden sich in einem sehr langsamen Bereich mit 1‘000m/s bis in 5m Tiefe Figur 22: Bohrloch Juv-BH5 Temperaturprofil am (gestrichelte Linie), was der 5m dicken Grundmoräneschicht 03.08.2010 entspricht. Zwischen 5 bis 10m steigt die seismische Geschwindigkeit auf 2‘000m/s (dicke gestrichelte Linie). In einer grösseren Tiefe steigt sie von 3‘500m/s bis auf 6‘000m/s in 20m Tiefe auf der südlichen Seite, während sie sich bei ungefähr 4‘500m/s in derselben Tiefe auf der nördlichen Seite stabilisiert. [30] Figur 23: Standort Juvasshoe JUV-BH5. ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 3m Geophonenabstand. JuvBH5 gibt die Position des Bohrloches an. Die kontinuierliche Linie zeigt die Zone mit hohem Widerstand. Die fein gestrichelte Linie gibt die untere Grenze der Sedimentschicht an, während die grob gestrichelte Linie das festere Grundgestein anzeigt. Das Temperaturprofil des Messtages (Fig. 23) zeigt negative Temperaturen ab 2.5m bis 7m Tiefe. An diesem Standort ist Permafrost abwesend, daher kann nur saisonaler Frost vorkommen. 5.3.3.2. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Juvasshoe besteht aus Gabbro und Quarz Monzoniten. Die maximale gemessene seismische Geschwindigkeit liegt bei 6‘000m/s (Tabelle A4). Deshalb wird Vr im 4PM als maximal auf 7‘500m/s definiert, und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Da das Grundgestein dieselbe Zusammensetzung wie Juvasshoe PACE zeigt, wurde die minimale Porosität ( min) auf 0.01 definiert und n auf 2, a auf 1.4 und m auf 1.58 (Anhang). Die oberflächlichen 5m (kontinuierliche Linie) sind in der RST mit Geschwindigkeiten unter 1000m/s erkennbar, weil es sich um eine blockhaltige Grundmoräne handelt (Farbrot, et al., 2011). Nach Schön (2004) liegt die Porosität der Moränen bei 30%. Deshalb wird die oberflächliche Porosität auf 0.4 mit einem Gradient in das 4PM eingegeben. Das Bohrloch zeigt, dass die Dichte sich ab 5m Tiefe kaum ändert. Die RST gibt an, dass die Geschwindigkeiten bis auf 10m relativ tief unter 3000m/s bleiben. Deshalb wurde für die ersten 5 Meter ein Gradient mit abnehmender Porosität von 0.4 auf 0.3 eingefügt. In einer Tiefe zwischen 5 bis 10m liegen die seismischen Geschwindigkeiten zwischen 2‘000 bis 3‘000m/s. Aus diesem Grund liegt die Porosität in einer Tiefe zwischen 5 bis 10m zwischen 0.3 und 0.2. Ab 10m Tiefe ändert sich die Porosität kaum noch und liegt unter 0.1, weil man davon ausgegangen ist, dass das Grundgestein mit Geschwindigkeiten über 4000m/s in 10m Tiefe getroffen wurde. Die Temperaturen im Bohrloch liegen zwischen 3m und 7m unter 0°C, was auch im 4PM erscheinen sollte. Die Rw und n-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Aus demselben Grund wurde a im Prozess auf 1 gesenkt. Schlussendlich wurde Vr auf 6‘500m/s gesenkt, weil dies bessere Resultate für das 4PM gab. 5.3.3.3. Interpretation Das Grundgestein von Juvasshoe am Bohrloch BH5 besteht aus Gabbro und Quarz Monzoniten. In Juv-BH5 ist kein Permafrost vorhanden, und der saisonale Frost kann bis in 4m Tiefe eindringen. Darüber liegt eine 5m dicke Grundmoräne, die in der RST gut zu erkennen ist (gestrichelte Linie). In dieser oberflächlichen Schicht schätzt das 4PM (Fig. 24) einen sehr tiefen absoluten (0%) und relativen (0%) Eisgehalt. Das 4PM erkennt einen hohen Luftanteil in diesen 5 ersten [31] Metern Tiefe, was der Zone mit sich langsam ausbreitenden seismischen Wellen entspricht. Der hohe Luftanteil erklärt die wenig leitfähige Zone (kontinuierliche Linie). Darunter wird das Grundgestein erreicht, das bis in ungefähr 10m Tiefe durchschnittliche seismische Geschwindigkeiten womöglich wegen der Alteration zeigt (2‘000-3‘000m/s) (dick gestrichelte Linie). In einer Tiefe zwischen 2.5 und 7m zeigt das 10m tiefe Bohrloch negative Temperaturen, was auf die Anwesenheit von Eis schliessen lässt und vom 4PM erkannt wird. Der absolute (15%) und der relative (40%) Eisgehalt steigt in dieser Zone. Zwischen 7 und 10m Tiefe zeigt das 4PM einen kleineren Eisgehalt, obwohl die Temperaturen positiv sind, was auf den Modellierungsprozess zurückzuführen ist. In dieser Tiefe war die Modellierung kompliziert: mit einem kleinerem Eisanteil erhöhte sich die Anzahl an weissen Flecken, was einen Verlust an Informationen zur Folge hat. Dies liegt daran, dass das 4PM Eis von verwittertem Gestein aufgrund der ähnlichen seismischen Geschwindigkeiten nicht unterscheidet. Das 4PM schätzt also korrekt, dass weniger Eis vorhanden ist, da ein absoluter Eisanteil von unter <5% und relativer Eisanteil von 10% angezeigt werden. Dies zeigt aber auch, dass Eis noch vorhanden ist. In einer Tiefe zwischen 5m bis 10m ist der absolute und relative Wassergehalt tief. Unter 10m gibt es kein Eis mehr, da die Temperaturen bei 10m positiv sind. Dies gibt das 4PM an, indem es einen tiefen absoluten (0%) und relativen (0%) Eisgehalt anzeigt. Der relative Wassergehalt steigt bis auf 90%, und der absolute und relative Luftgehalt sinken bis auf 0%. Isaksen, et al., (2011) berichten von der Abwesenheit von Permafrost im BH5 wegen der Permafrost-Degradation in einer Höhe zwischen 1410-1470m.ü.M. seit 1999. Die von Isaksen, et al., (2011) erhaltenen Temperaturmodelle wurden durch das Schmelzen des Poreneis im Grundgestein erklärt: Das Auftauen der gefrorenen wasserdichten Schicht in 5m Tiefe hat zu einem Austrocknen der 5m dicken oberflächlichen Schicht wegen der Wasserinfiltration geführt (Bense, Ferguson, & Kooi, 2009). Dies erklärt das elektrisch leitfähige Grundgestein in der RST durch das Durchfliessen von Schmelzwasser (Isaksen, et al., 2011) [32] Figur 19 : 4PM von Juvasshoe. Juv-BH5 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angegeben. Die dick gestrichelte Linie zeigt das dichtere Grundgestein. Die fein gestrichelte Linie begrenzt die oberflächlichen Sedimente. 5.4.Kistefjellet (Ki-B-1 03.08.2008) 5.4.1. Standort Kistefjellet befindet sich im Süden der Troms-Region auf einer Höhe von 1000m. ü. M. (Fig. 25). Granit, Aplit und Schiefer bilden das Grundgestein, das direkt an der Oberfläche zugänglich ist. Im Profil gibt es tiefen saisonalen Frost und eine Schneedecke, die bis 1.5m dick sein kann (Christiansen, et al., 2010). Diskontinuierlicher Permafrost wird am Gipfel vermutet, aber durch die Schneedicke begrenzt (Etzelmüller, et al., 2009). Nach Christiansen, et al., (2010) liegt die MAGST in 10m Tiefe während des IPY 2007-2009 bei 0.9°C, und die MAAT bei-3.6°C. Permafrost ist abwesend zwischen 2007-2009, und saisonaler Frost kann bis auf 4.5m eindringen (Farbrot, et al., 2013). Die Studie von Etzelmüller, et al., (2009) gab als Resultat an, dass die seismische Tomographie und die ERT belüftete Gesteinsblöcke in den obersten 5m vom Profil zeigten. Diskontinuierlicher Permafrost wird im oberen Teil des Profils erwartet (Etzelmüller, et al., 2009). Hilbich et al., (2011) fanden auch keine deutlichen Resultate da das 4PM eine Zone mit einem relativ hohen Eisgehalt angab, obwohl das Temperatur-Tiefen-Profil positive Temperaturen zeigte. Sie erklärten, dass diese Resultate auf die Zusammensetzung des Ortes [33] zurückzuführen ist, da der Standort aus Gesteinsblöcken und dazwischen liegendem feinem Material besteht. 5.4.2. ERT-RST-Temperaturen Die ERT-RST Messungen wurden am 03.08.2008 durchgeführt (Fig. 27). Der elektrische Widerstand der Oberfläche liegt über 50‘000 Ohm was entweder auf Eis oder auf lufthaltige Schichten hinweist (kontinuierliche Linie). Der Widerstand sinkt ab 5m Tiefe und erreicht 8‘000 bis 10‘000 Ohm. Die Zone A in den 5 ersten Metern ist jedoch leitfähiger mit einem ähnlichen elektrischen Widerstand, wie ihn die unteren Schichten aufweisen (10‘000Ohm). Dank Christiansen, et al., (2010) ist bekannt, dass das Grundgestein aufgeschlossen ist. In der RST verbreiten sich die seismischen Wellen mit Geschwindigkeiten unter 2‘000m/s bis 5m Tiefe (gestrichelte Linie). Dies liegt am Grundgestein, das in groben Blöcken anwesend ist (Etzelmüller, et al., 2009). Diese werden ein wenig schneller und erreichen 3‘000m/s, was auf das festere Grundgestein hinweisen kann. Die Zone B unterscheidet sich von den anderen, indem sie eine gute Verbreitung der seismischen Wellen zeigt (5‘000m/s). Die Bohrlochtemperaturen des Messungstages (Fig. 26) deuten darauf hin, dass kein Eis im Untergrund vorhanden ist, da die Temperaturen über Null Grad Celsius liegen, auch wenn diese sich in einer Tiefe von 5m bis 7m dem Nullpunkt nähern. Die von der ERT begrenzte Zone (gestrichelte Linie) entspricht der durchgezogenen Linie von der RST, da die ERT Schichtgrenzen meistens glättet, so dass der untere Bereich einer Schichtgrenze erkannt wird, wohingegen die RST die obere Grenze der Schicht angibt. Figur 25 :Position des ERT-RST-Profils und des Bohrloches in Kistefjellet (Etzelmüller, et al., 2009) [34] Figur 26: Kistefjellet Ki-B-1 Temperatur Profil am 03.08.2008. Permafrost ist abwesend, und saisonaler Frost reichte während des IPY bis in einer Tiefe von 4.5m. Figur 27: Standort Kistefjellet. ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 4m Geophonenabstand. Ki-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Die kontinuierliche Linie zeigt, wo die ERT einen tieferen Widerstand angibt. Die gestrichelte Linie zeigt die untere Grenze der blockhaltigen Oberfläche. Die Zone A zeigt wo die ERT einen tiefen Widerstand angibt, und Zone B begrenzt das festere Grundgestein mit seismischer Geschwindigkeit über 5‘000m/s. 5.4.3. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Kistefjellet besteht aus Schiefer, Granit und Aplit. Weil dies metamorphische und magmatische Gesteine sind, und weil die maximale gemessene seismische Geschwindigkeit auf 5‘391m/s liegt, wird Vr im 4PM als maximal auf 7‘500m/s definiert und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min) wurde auf 0.05 definiert und n auf 2, a auf 1.4 und m auf 1.58 (Tabelle A4). Die oberflächlichen 5m zeigen sich in der RST mit Geschwindigkeiten unter 2000m/s, was auf die groben Blöcke mit dazwischengelagertem feinkörnigem Sediment zurückzuführen ist. In dieser Schicht ist die intergranulare Porosität gross, und die oberflächliche Porosität wird auf 0.4 bestimmt. Das Bohrloch und die RST zeigen, dass die Dichte in einer Tiefe von 5m bis 10m leicht sinkt, und ab 10m bis 15m Tiefe steigt. Deshalb wurde für die 5 ersten Meter ein Gradient mit abnehmender Porosität bis auf 0.2 eingefügt. Es wurde angenommen, dass sich die Porosität in einer grösseren Tiefe kaum noch ändert und bei 0.1 liegt. Die Temperaturen im Untergrund sind positiv und liegen zwischen 5m und 10m knapp über 0°C. Aus diesem Grund sollte kein Eis im 4PM erscheinen. Die Rw (50) und n(2)-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Schlussendlich wurde Vr auf 5‘500m/s gesenkt, weil weniger weisse Flecken erschienen. 5.4.4. Interpretation An diesem Standort gibt es keinen Permafrost, und saisonaler Frost kann in den obersten Schichten des Untergrundes entstehen. Das 4PM (Fig. 28) ergibt einen niedrigen absoluten (<5%) und relativen (<5%) Eisanteil in den 5 ersten Metern des Profils. Am Standort des Bohrloches gibt das 4PM an, dass Eis bis auf 60% des relativen Anteils in 4m Tiefe anwesend ist. Da die Temperaturen im Untergrund positiv sind, ist es unmöglich, dass Eis vorhanden ist, und das Resultat ist auf die leicht höhere Dichte des Gesteins in 4m Tiefe am Bohrloch zurückzuführen. Der absolute (10%) und relative (15%) Wasseranteil ist im Allgemeinen auch tief, was den hohen Widerstand in der oberen Schicht des Untergrunds erklärt. Diese Oberflächenschicht besteht aus groben Blöcken des Grundgesteins, was einen hohen absoluten (20-40%) und relativen Luftanteil (>80%) ermöglicht, wie die Studie von Hipp, et al., (2012) auch ergab. Die in der RST begrenzte Zone (durchgezogene Linie) mit tiefen Geschwindigkeiten wird vom 4PM als eine Übergangszone von einem sehr tiefen zu einem etwas höheren relativen Eisanteil interpretiert. Der absolute Eisanteil liegt sehr tief (<10%), aber der relative Eisgehalt steigt ab [35] 5m Tiefe auf 20% und in der Zone B bis auf 50%. Jedoch ist das Vorhandensein von Eis wegen den positiven Temperaturen an diesem Standort unmöglich. Der absolute und relative Wasseranteil steigt mit der Tiefe. Dies könnte ein Hinweis auf einen guten Wasserabfluss sein, der bewirkt, dass die Schicht an der Oberfläche trocken ist. Die Tatsache, dass sich die seismischen Wellen in der Zone gut verbreiten (>5‘000m/s), könnte auf kompakteres Grundgestein hindeuten. Das 4PM zeigt an diesem Ort einen hohen relativen Eisgehalt (50%). Das 4PM verwechselt Eis mit festerem Grundgestein, was auf die Schwierigkeit der Erstellung des Porositätsmodells zurückzuführen ist. Die Temperaturen liegen sehr tief mit einer MAAT bei -1.9°C und einer MAGST unter 0°C an der Bergspitze. Solche Werte sprechen eigentlich für Permafrost, und Eis sollte in grösseren Mengen vorhanden sein. Es ist möglich, dass hier die Schneedecke eine grosse Rolle spielt, da sie während des IPY bis 1.5m dick war. Die Schneedecke begrenzt die Verbreitung von Eis in Teilen des Profils und insbesondere am Bohrloch, weil der Schnee gegen die kalten Temperaturen isoliert (Christiansen, et al., 2010). An diesem Standort rirrt sich das 4PM, indem es Eis im Bohrloch und im festen Grundgestein interpretiert, was bei der Arbeit von Hilbich et al., (2011), die mit denselben ERT-RST-Profilen gearbeitet haben, auch vorkam. Figur 28:4PM in Kistefjellet. Ki-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angezeigt. Die kontinuierliche Linie zeigt, wo die ERT einen tieferen Widerstand angibt. Die gestrichelte Linie zeigt die untere Grenze der blockigen Oberfläche. Die Zone A zeigt, wo die ERT einen tiefen Widerstand angab, und Zone B delimitiert das festere Grundgestein mit seismischer Geschwindigkeit über 5‘000m/s. [36] 5.5.Lavkavagge (La-B-1 06.08.2008) 5.5.1. Standort Lavkavagge liegt im Norden von Norwegen in der Troms-Region. Das Bohrloch befindet sich in einer Höhe von 766m.ü.M (Fig. 29). An diesem Ort besteht die Oberfläche aus einer feinen Schicht von Gesteinsschutt, die auf dem schieferhaltigen und dioritischen Grundgestein liegt (Farbrot, et al., 2013). Laut Etzellmüller, et al., (2009) sind die obersten Schichten des Grundgesteins mit Spalten durchsetzt. Ihre Studie ergibt, dass Permafrost im Bohrloch La-B-1 anwesend ist und dass keine deutliche Grenze zwischen Eis und Grundgestein mit der ERT und der seismischen Tomografie bestimmt werden konnte. Sie weisen darauf hin, dass der Eisgehalt vermutlich tief ist, und dass es eine mächtige Auftauschicht gibt (Etzelmüller, et al., 2009). Diese Auftauschicht ist für das IPY (2007-2009) bis in 10m eingedrungen und könnte den tiefen saisonalen Frost von BH1 erklären. Im Bohrloch La-B-1 ist saisonaler Frost während den Jahren 2007-2010 bis in eine Tiefe von über 10m eingedrungen (Farbrot, et al., 2013). 5.5.2. ERT-RST-Temperaturen Die ERT-RST Messungen von Lavkavagge wurden am 06.08.2008 durchgeführt (Fig.31). In den ersten 3 Metern Tiefe im elektrischen Leitfähigkeitsprofil zeigt sich im Allgemeinen ein durchschnittlicher Widerstand (10‘000Ohm), der auf die Anwesenheit von Eis hindeuten könnte (kontinuierliche Linie). Zwischen den horizontalen Distanzen von 10 bis 25m und bis zu einer Tiefe von 2m (Zone A) tritt eine Zone mit einem tiefen Widerstand hervor. In drei bis sieben Metern Tiefe steigt lokal der Widerstand bis auf 30‘000 Ohm, und dies könnte ein Zeichen für Eis im Permafrost sein. In der RST verbreiten sich die p-Wellen langsam (unter 2‘000m/s) bis zu einer Tiefe von 4m (gestrichelte Linie). Die Oberfläche besteht aus einer Schicht von Gesteinstrümmern. Es wird vermutet, dass die obersten Schichten des Grundgesteins aufgrund ihrer tiefen seismischen Geschwindigkeiten gespalten sind. Ab einer Tiefe von 4m steigen die Geschwindigkeiten bis auf 4‘000m/s. Im Temperaturprofil vom Messungstag (Fig. 30) sind die Temperaturen in einer Tiefe von 5m bis 10m negativ, was die Präsenz von Eis in dieser Tiefe, aber nicht an der Oberfläche ermöglicht. BH1 BH2 BH3 Figur 29: Standort in Lavkavagge mit dem ERT-RST Profil von La-B-1 (Etzelmüller, et al., 2009) Figur 30: Bohrloch La-B-1 Temperatur Profil am 06.08.2008. Permafrost ist abwesend, und saisonaler Frost konnte während des IPY bis in 10m Tiefe eindringen. [37] Figur 31: Standort Lavkavagge: ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 3m Geophonenabstand. La-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. In der Zone ist der Widerstand tiefer als im Rest des Profils. Die kontinuierliche Linie grenzt die Oberfläche mit tieferem Widerstand von den darunterliegenden Schichten mit höherem Widerstand ab. Die gestrichelte Linie begrenzt das 4m oberflächliche alterierte Gestein. 5.5.3. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Lavkavagge besteht aus Schiefer und Diorit. Weil dies metamorphische und magmatische Gesteine sind, und weil die maximale gemessene seismische Geschwindigkeit bei 6‘000m/s liegt, wird Vr im 4PM als maximal auf 7‘500m/s definiert, und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min), n, a und m wurden nach den von Schön et al (2004) für magmatische und metamorphische Gesteine angegebenen Werten definiert: d.h. min: 0.05, n: 2, a: 1.4 und m 1.58. (Tabelle A4). Die Oberfläche besteht aus einer dünnen Moränenschicht (Etzelmüller, et al., 2009) und aus dem anstehenden Grundgestein (Christiansen, et al., 2010). Aus diesem Grund sollte die Porosität an der Oberfläche sehr tief liegen. Jedoch verbreiten sich die seismischen Wellen in den 4 ersten Metern der RST unter 2‘000m/s, da die obersten Schichten des Grundgesteins gespalten sind. Aus diesen Gründen wird die Anfangsporosität auf 0.4 bestimmt und ein sinkender Porositätsgradient bis auf ungefähr 5m Tiefe eingesetzt (gestrichelte Linie). Ab 5m Tiefe wird am Bohrloch beobachtet, dass die Dichte leicht mit der Tiefe zunimmt, was im Porositätsmodell mit einem kleineren Porositätsgradienten und mit einer Dichte unter 0.1 eingefügt wurde. Die Temperaturen im Untergrund liegen zwischen 5m bis 10m unter 0°C und aus diesem Grund sollte im 4PM kein Eis oberhalb von 5m Tiefe vorhanden sein. Die w und n-Parameter wurden im 4PM dementsprechend adaptiert, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Schlussendlich wurde Vr auf 6‘500m/s gesenkt, weil dies das Modell verbesserte. 5.5.4. Interpretation Das im 4PM (Fig. 32) erkannte gespaltetene Grundgestein mit langsamerer seismischer Geschwindigkeit erscheint in den Resultaten (gestrichelte Linie), indem es einen deutlichen Übergang zwischen den Anteilen anzeigt. Das gespaltene Grundgestein wird in den absoluten Eis- und Wasser-Anteildiagrammen und in den relativen Eis-, Wasser- und LuftAnteildiagrammen angezeigt. Diese 4 ersten Meter zeigen einen sehr tiefen absoluten (<10%) und relativen (<5%) Eisanteil, was mit den positiven Temperaturen bis in 5m übereinstimmt (Fig. 28). Das 4PM zeigt einen höheren Eisanteil an der Oberfläche im nordöstlichen Teil des Profils mit 15% (absoluter Anteil) und mit 30-40% (relativer Anteil), obwohl die Temperaturen an der Oberfläche bis auf 9°C steigen. Dies liegt vermutlich an dem in der ERT beobachten höheren Widerstand der Luft im gespalteten Grundgestein. Der absolute (10%) und relative (20%) Wassergehalt ist in der obersten Schicht des Gesteins tief. Die in der ERT erkannte Schicht (kontinuierliche Linie) erscheint am deutlichsten im absoluten Wassergehalt. Wegen der Spalten ist die Porosität in den 4 ersten Metern hoch, und das 4PM ergibt dementsprechend einen absoluten (20-30%) und einen relativen (60-70%) Luftanteil ausser im nordöstlichen Teil des Profils. Lokal können die Bedingungen feuchter werden und bis auf 40% steigen: Das 4PM [38] interpretiert, dass die Zone A mit dem tieferen Widerstand einen relativen Luftanteil von 70% und einen relativen Wasseranteil von 40% zeigt. Ab 5m Tiefe zeigt die RST Geschwindigkeiten zwischen 3‘000 bis 5‘000 m/s, was auf das ungespaltene schieferhaltige Grundgestein hindeutet. Das 4PM erkennt die Anwesenheit von Eis in einer Tiefe zwischen 5m bis 10m, da der absolute und relative Eisanteil bis zu 20% und 50% des Porenraumes steigt. Dies stimmt überein mit den negativen Temperaturen des Bohrloches und mit der ERT, wo ein höherer Widerstand als in der Oberflächenschicht (10‘00030‘000Ohm) angezeigt wird. Der relative Wasseranteil zeigt, dass ab 5m Tiefe bis zu 40% der Porenräume von Wasser gefüllt sind und dass der absolute und relative Luftanteil sehr tief liegt. Das Temperaturprofil gibt an, dass Eis unter 10m Tiefe abwesend ist (Fig. 28). Dieses ergibt das 4PM, da der absolute und relative Eisanteil an einigen Stellen im unteren Teil des Profils in der Nähe von Null liegen. Nach Etzelmüller, et al., (2009) ist das Vorhandensein von Eis schwer einzuschätzen. Ihr 4PMResultat erkennt mit Erfolg die Anwesenheit von Eis und schätzt in einer Tiefe zwischen 5m bis 10m im ganzen Profil einen relativen Eisanteil von 50%. Die Anwesenheit von Eis ergab auch die Studie von Hilbich, et al., (2011), die mit den gleichen ERT- und RST-Daten gearbeitet haben. Permafrost ist in Lavkavagge abwesend (Farbrot, et al., 2013), und saisonaler Frost reichte im Zeitraum 2007-2010 bis in eine Tiefe von 10m (Christiansen, et al., 2010). Wegen der zeitlichen Verschiebung der Temperaturen mit der Tiefe wird vom 4PM das Vorhandensein von Eis zwischen 5 bis 10m Tiefe erkannt. Falsch ist aber die Interpretation des 4PM, dass dieselben Eisanteile im nordöstlichen Teil des Profils an der Oberfläche vorkommen. Dies liegt an der Luft in den Spalten des Grundgesteins, die einen höheren Widerstand erzeugt. [39] Figur 32: 4PM in Lavkavagge. La-B-1 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und LuftAnteile zum Porenraum angezeigt. Die gestrichelte Linie zeigt das alterierte Grundgestein. In der Zone A ist der Widerstand am tiefsten. Die Zonen B zeigen einen höheren Widerstand, und Eis ist in diesen Zonen vorhanden. 5.6.Tronfjellet (Tron-BH3 06.08.2010) 5.6.1. Standort Tronfjellet liegt in einem Gebirge im Südosten Norwegens und zeigt ein kontinentales Klima. Das Grundgestein besteht abwechselnd aus geschichteten mafischen2 Intrusionen, bestehend aus Duniten und Gabbro und Gesteinen von der Hummelfjell Gruppe (Wellings & Sturt, 1998). Blockfelder befinden sich auf beiden Seiten des Berges (Fig. 33), aber die südlichen unterscheiden sich von den nördlichen, indem die südlichen nicht so steil sind und ein kleineres Porenvolumen als die nördlichen haben. Wegen der windexponierten Lage ist die Schneeschicht unter 1m gross (Christiansen, et al., 2010). Die Bohrlöcher Tron BH1 und Tron BH2 befinden sich in Blockfeldern, während das Bohrloch Tron BH3 in einer 9.5m dicken sandreichen Grundmoräne gebohrt wurde. Das Bohrloch Tron BH3 zeigt einen zwischen 2m-4m dicken saisonalen Frost (Fig. 3) (Farbrot, et al., 2011) (Hipp, et al., 2012). Die MAAT liegt bei -3.6°C, die MAGST bei 0.7°C und die MAGT in 10m bei 0°C (Christiansen, et al., 2010). Nach Farbrot, et al., (2011) war die Permafrostdicke nach der kleinen Eiszeit bis 90m tief. Ihr Modell zeigt seit 1990 ein schnelles Erwärmen des Permafrosts mit einer bis 10-11m tiefen 2 Mafische Gesteine sind reich an Magnesium und Eisen [40] Auftauschicht, wie es heutzutage der Fall ist. Diese Entwicklung entspricht den lokalen Beobachtungen, die auf eine mögliche Entwicklung eines Talik hindeuten. 5.6.2. ERT-RST-Temperaturen Das Bohrloch befindet sich ungefähr in der Mitte des ERT-RST Profils (Fig. 35), das am 06.08.2010 gemessen worden ist. Das elektrische Widerstandsprofil ergibt einen hohen Widerstand in den drei ersten Metern (30‘000Ohm), gekennzeichnet durch eine durchgezogene Linie. Es ist vermutlich die Folge eines hohen Luftanteils in den obersten Bodenschichten. Der Widerstand sinkt zwischen 5m und 10m Tiefe bis auf 2‘000 Ohm. In 4m bis 5m Tiefe trifft man auf durchschnittliche Widerstände. In einer tieferen Bodenschicht zwischen der horizontalen Distanz 45m und 55m (Zone B) ist der Widerstand etwas höher, und steigt auf 5‘000 Ohm. Die seismischen Wellen verbreiten sich langsam bis in 5m Tiefe und liegen unter 1‘500 m/s. Ihre Geschwindigkeit steigt mit der Tiefe. Vom Bohrloch ist bekannt, dass man auf das Grundgestein in einer Tiefe von 10m stösst, und die Geschwindigkeiten für Till-Ablagerungen liegen zwischen 1‘500 m/s bis 2‘500m/s (Schön, 2004). Vor dem Hintergrund dieses Wissen ist das Grundgestein im RST sehr gut sichtbar (fein gestrichelte Linie). In den tiefsten Schichten des Profils sind die seismischen Geschwindigkeiten deutlich höher (über 5‘000m/s) und könnten ein Hinweis auf das unverwitterte Grundgestein sein (Zone A). Im Bohrloch befindet sich bis in 10m Tiefe kein Eis, da die Temperaturen des Tages positiv sind (Fig. 34). Figur 34: Tron BH3 Temperatur-Profil am 06.08.2010. Die Auftauschicht war während des IPY bis 10m dick. Figur 33: Bohrlöcher in Tron (Hipp, et al., 2012) Figur 35: Standort Tron BH3: ERT mit 2m Elektrodenabstand und RST mit 3m Geophonenabstand. Tron-BH3 gibt die Position des Bohrloches an. Die durchgezogene Linie begrenzt die Oberfläche mit hohem Widerstand von den tiefer liegenden Schichten. Die gestrichelte Linie trennt die oberflächlichen Sedimente vom vermuteten verwitterten Grundgestein. Die Zone A zeigt die Zone mit festem Grundgestein, während die Zone B lokal einen höheren Widerstand angibt. [41] 5.6.3. Vier-Phasen-Modell Das Grundgestein von Tron besteht aus Gabbro, und die maximale gemessene seismische Geschwindigkeit liegt bei 5‘999m/s (Anhang A4). Deshalb wird Vr im 4PM als maximal auf 7500m/s definiert und die Parameter Vi,w,a wurden als Standardwerte nicht geändert. Die minimale Porosität ( min) wurde auf 0.05 definiert. Die Oberfläche ist eine Blockhalde und besteht aus 9.5m dicker Grundmoräne. Da die RST für den grössten Teil des Profils eher langsame seismische Geschwindigkeiten (unter 2‘500m/s) zeigt, bedeutet dies, dass der grösste Teil des Profils aus Sedimenten besteht. Schön, et al., (2004) geben für wenig zementierte detritische Gesteine wie Sand, Sandstein und Kalkstein mit einer Porosität zwischen 25-45% meistens vom Tertiär (Tabelle 11) a mit dem Wert 0.88 und m mit dem Werte 1.37 an. Während der Bearbeitung des Modells stellte sich heraus, dass aufgrund der Anzahl von weissen Flecken diese Kombination bessere Resultate ergab als die für Gabbro bestimmten Parameter. Das Fehlen von Dichtemessungen des Bohrloches erschwerte die Modellierung des Untergrundes. Aus diesem Grund wurde für das Modell ein abnehmender Porositätsgradient in das Programm eingegeben mit einer maximalen Porosität an der Oberfläche von 0.4, die in der Tiefe bis auf 0.2 sinkt. Die Zone mit seismischen Geschwindigkeiten über 3‘500m/s wurde als das Grundgestein interpretiert. Die Zone mit Geschwindigkeiten über 5‘000m/s (Zone A) konnte nur modelliert werden, indem ein Block mit sehr niedriger Porosität (unter 0.1) eingegeben wurde. Da die Temperaturen im Bohrloch über 0°C liegen, wurde das 4PM so adaptiert, dass möglichst wenig Eis im Bohrloch vom 4PM angegeben wird. Zusätzlich wurden die n- und rho-Parameter dementsprechend angepasst, mit so wenig Verlust an Informationen (weisse Flecken) wie möglich. Ausserdem wurde Vr auf 6‘500m/s gesenkt, weil dies bessere Resultate ergab. Schlussendlich wurde versucht, das Modell für den Teil der keine Informationen liefert (Zone W), zu verbessern, indem lokal eine höhere Porosität oder eine tiefere Porosität bestimmt wurde (Figur 35). Es verbesserte jedoch nicht die Menge an Informationen. 5.6.4. Interpretation Tronfjells Grundgestein befindet sich unter einer 9.5m dicken Moränen-Schicht mit einem metamorphischen Grundgestein. Permafrost ist anwesend mit einer dicken Auftauschicht. In den ersten 5 Metern Tiefe erkennt das 4PM (Fig. 36) einen absoluten und relativen Eisgehalt nahe 0%. Der Wasseranteil ist sehr gering in den 5 ersten Metern. Die oberflächlichen ersten 5 Meter zeigen einen hohen Luftanteil, was von der ERT bestätigt wird. Denn der Widerstand liegt sehr hoch, und die seismische Wellengeschwindigkeit ist tief (zwischen 1‘000m/s und 2‘000 m/s). Dies spricht für eine gut gelüftete trockene Moräne in den 5 ersten Metern Tiefe (kontinuierliche Linie). In einer grösseren Tiefe steigt der Eisgehalt sehr leicht. In einer Tiefe von 8 bis 10m steigt der relative Eisanteil bis auf 30% der Hohlräume. Die Zone B ist kaum sichtbar ausser im Wasseranteil-Profil. Diese Zone wird als trockener angezeigt, obwohl der relative Wasseranteil in derselben Tiefe zwischen 40% bis 60% liegt. Der relative Luftanteil liegt in 5m Tiefe noch bei 50% und sinkt auf 30% in 10m Tiefe. Die Bohrlochtemperaturen vom Messtag (Fig. 32) schliessen aber die Anwesenheit von Eis in den obersten 10 Metern des Profils definitiv aus. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, dass das 4PM Eis mit verwittertem Gestein aufgrund ähnlicher seismischer Geschwindigkeit verwechselt (3‘000m/s-4‘000m/s). Es ist möglich, dass die geänderten a und m Parameter schlecht für diese Zone adaptiert sind. In 10m Tiefe stösst man auf Grundgestein (Zone A). Der relative und der absolute Eisanteil liegen bei 0% während der absolute und der relative Luftanteil auch bei 0% liegen. [42] Logischerweise kann hier nur Wasser die Porenräume füllen, was im 4PM mit einem sehr hohen relativen Wasseranteil angezeigt wird. Aufgrund der positiven Temperaturen ist es hier unmöglich zu bestimmen, ob Permafrost anwesend ist. Jedoch geben Hipp et al., (2012) an, dass die Auftauschicht bis zu 10m in die Tiefe reichen kann. Diese grosse Dicke der Auftauschicht wird durch eine schnelle Erwärmung vom Permafrost seit 1990 erklärt. Nach dieser Studie könnte dies die mögliche Entwicklung eines Talik zeigen (Hipp, et al., 2012). Daraus kann man schlussfolgern, dass das 4PM korrekt die Abwesenheit von Eis schätzt, ausser in Grundgestein nahen Schichten. Es steht die Möglichkeit, dass verwittertes Gestein mit Eis verwechselt wird. W W W W W W Figur 36 : 4PM in Tronfjell. Tron-BH3 gibt die Position des Bohrloches an. Links werden die absoluten Eis-, Wasser- und Luft-Anteile angegeben. Rechts werden die relativen Eis-, Wasser- und Luft-Anteile zum Porenraum angezeigt. Die durchgezogene Linie begrenzt die Oberfläche mit hohem Widerstand von den tiefer liegenden Schichten. Die gestrichelte Linie trennt die oberflächlichen Sedimente vom vermuteten verwitterten Grundgestein. Die Zone A zeigt die Zone mit festem Grundgestein, während die Zone B lokal einen höheren Widerstand angibt. Die Zone W zeigt die Zone an, wo das 4PM keine Lösung auf den eingegebenen Parametern finden konnte. [43] 6. Diskussion und Schlussfolgerung In dieser Arbeit wurden geophysikalische Methoden angewandt, um den Eisanteil im Porenraum zu untersuchen. Sie wurden mit Tagestemperaturprofilen und jährlichen Durchschnittswerten verglichen. In diesem Kapitel werden zuerst die Resultate der Standorte zusammengefasst, und danach werden die zwei Hypothesen und die Problematik behandelt. In Guolasjavri Gu-B-1 schätzt das 4PM korrekt die Abwesenheit von Eis in den ersten 5 Metern Tiefe und die Anwesenheit von Eis ab einer Tiefe von 5m. Der relative Eisanteil liegt im verwitterten Grundgestein etwas höher als im unalterierten Grundgestein aufgrund dessen höheren Dichte. Das 4PM zeigt einen höheren Eisanteil als denjenigen von Etzelmüller, et al., (2009), und dies entspricht den Vermutungen von Hilbich, et al., (2011). In Guolasjavri Gu-B-3 schätzt das 4PM aufgrund der positiven Temperaturen korrekt die Abwesenheit von Eis. Das 4PM interpretiert das Vorhandensein von Eis in einer dünnen Schicht in 5m Tiefe, was aufgrund der beim Nullpunkt liegenden Temperatur möglich ist. Es wird vermutet, dass diese Situation auf den saisonalen Frost zurückzuführen ist. Das 4PM bestätigt, dass kein Permafrost anwesend ist, im Gegenteil zu Etzelmüller, et al., (2009), die mit der ERT und der RST keine klare Angabe über die Anwesenheit von Permafrost geben konnten. Das 4PM erkennt die Anwesenheit von Eis in Iskoras. Dieses Resultat ist plausibel aufgrund der negativen Temperaturen ab 6m Tiefe. Die Anwesenheit von Permafrost wird nicht klar vom 4PM angegeben, da der absolute und der relative Eisgehalt lokal (Zonen B und C) sehr tief liegen. Aber wegen der hohen angegebenen Eisgehalte und der Verbreitung des Eises in den Zonen A und D und unter der Zone C kann Permafrost in grösseren Tiefen vermutet werden. Die Heterogenität der Eisverteilung wird durch eine bis zu 10m dicke Auftauschicht erklärt, wie Etzelmüller, et al., (2009) berichten. In Juvasshoe PACE schätzt das 4PM einen bis zu 70% hohen relativen Eisanteil ab einer Tiefe von 2m. Dieses Resultat ist plausibel dank negativer Temperaturen ab einer Tiefe von 1.5m. Die vom 4PM angegebene regelmässige Verteilung von Eis und die hohen absoluten und relativen Eisgehalte ergeben, dass Permafrost vorhanden ist. Die Auftauschicht ist zwischen 2m bis 4m dick und reagiert empfindlich auf die Temperaturvariationen der Klimaerwärmung, wie Hauck, et al., (2004) und Isaksen, et al., (2007) berichten. Das 4PM schätzt aufgrund der negativen Temperaturen richtig die Anwesenheit von Eis in einer Tiefe zwischen 2.5m bis 7m in Juvasshoe BH5. In diesem Fall ist das 4PM nicht in der Lage, die korrekten Werte abzuschätzen, indem es die Anwesenheit von Eis in einer Tiefe zwischen 7 bis 10m angibt. Dagegen zeigt das 4PM kein Eis unter 10m korrekt an. Dieses Resultat ist auf die Schwierigkeit der Modellisierung des Untergrunds zurückzuführen, aber es deutet klar daraufhin, dass Permafrost abwesend ist. Die Abwesenheit von Permafrost liegt an der Degradation des Permafrosts seit 1999, wie Isaksen, et al,. (2011) erklärt haben. In Kistefjellet spielt die während des IPY 1.5m dicke Schneedecke eine grosse Rolle, indem sie die Entwicklung von Eis und Permafrost verhindert. Das 4PM interpretiert korrekt kleine absolute und relative Eisgehalte, aber es irrt sich, indem es Eis im Bohrloch und im festen Grundgestein interpretiert, obwohl die Temperaturen positiv sind. Die Anwesenheit von Eis im Bohrloch kam auch im 4PM von Hilbich et al., (2011) hervor. Wie Hauck, et al., (2011) erklären, liegt das Problem an den ähnlichen seismischen Verhältnissen und an der [44] vereinfachten Annahme des Archie-Gesetzes, in dem der elektrische Widerstand von Gestein oder Eis nicht einbezogen wird. Permafrost ist in Lavkavagge abwesend, und das 4PM erkennt eine eishaltige Schicht in 5m bis 10m Tiefe. Dieses Resultat ist plausibel aufgrund der negativen Temperaturen des saisonalen Frosts in dieser Schicht (Christiansen, et al., 2010). Das 4PM interpretiert aber falsch, dass Eis an der Oberfläche im nordöstlichen Teil des Profils anwesend ist, weil die Temperaturen positiv sind. Dies entspricht dem 4PM von Hilbich, et al., (2011), das ähnliche Eisgehalte angab im Gegenteil zu Etzelmüller, et al., (2009), die mit der ERT und der RST keine klare Aussage über die Anwesenheit von Permafrost und die Eisgehalte geben konnten. In Tronfjellet interpretiert das 4PM korrekt die Abwesenheit von Eis ausser in grundgesteinnahen Schichten, in denen die Temperaturen positiv sind. Es können jedoch keine Angaben über die Anwesenheit von Permafrost angegeben werden, da die Auftauschicht bis zu 10m dick sein kann (Hipp, et al., 2012). Im 4PM von Tron erscheint eine weisse Zone, in der die Porosität zu tief liegt, als dass das 4PM eine Lösung finden kann. Dies liegt an den besonders schnellen seismischen Geschwindigkeiten (über 5‘000m/s) und an den in das 4PM eingegebenen Parametern. Aufgrund der Ergebnisse ist es möglich, die Angemessenheit der Hypothese einzuschätzen. Die erste Hypothese lautet: - Das 4PM ist schwer anwendbar an Orten mit geringer Porosität, da es den Eisprozentanteil über- oder unterschätzt. In Anbetracht der Resultate ist die Hypothese falsch. Insgesamt schätzte das 4PM für Orte mit geringer Porosität und lockerem Sediment realistische Werte, was den Eisprozentanteil angeht. Sogar dünne eishaltige Schichten in der Auftauschicht des Permafrosts wurden erkannt (z.B. Guolasjavri Gu-B-3). Die Temperaturprofile ermöglichten eine gute Kontextualisierung, um den Eisanteil der 4PM-Profile korrekt zu evaluieren. Es ermöglicht z.B. die Grenze der Auftauschicht zu lokalisieren. Die zweite Hypothese lautet: - Das 4PM ist besser anwendbar für einen bestimmten Gesteinstyp wie z.B. Schiefer, Ton, Granit, Moräne… Die Hypothese stimmt nicht für einen bestimmten Gesteinstyp. Die meisten untersuchten Standorte bestehen aus besonders kompakten Grundgesteinen wie Gabbro, Granit und Quarzit. Ihre Dichten liegen in ähnlichen Wertebereichen. (Tabelle A3). Deshalb ist es nicht möglich, eine spezifische Gesteinsart zu identifizieren, die besser für geophysikalische Methoden wie die ERT und die RST geeignet ist. Die geophysikalischen Methoden erkennen grosse Dichtenunterschiede oder Widerstandsunterschiede wie zwischen Moräne und Grundgestein oder zwischen Eis und Wasser. Sie erkennen aufgrund ihrer ähnlichen seismischen Geschwindigkeiten jedoch nicht spezifisch die Gesteinstypen. Auf der Basis der Hypothese ist es möglich, die Problematik zu beantworten. Die Problematik lautet: Inwiefern beeinflussen die Porosität des Gesteins und des Bodens sowie die Lithologie den mit dem 4PM berechneten Eisanteil? [45] Die Resultate dieser Arbeit ergeben, dass die Antwort auf die Problematik schwierig ist. Das 4PM ist ein nützliches Modell, aber es ist mit Vorsicht zu benutzen. Denn Fehler können leicht vorkommen, wie während den Messungen, während des Interpolationsprozesses oder während der Erstellung des 4PM: Diese letzte Etappe ist wichtig, weil hier die Informationen zwischen ihrer Menge (weisse Flecken) und ihrer Qualität oder ihrer Plausibilität im Zusammenhang mit der Realität gewichtet werden müssen. Aus dieser Bachelorarbeit geht hervor, dass der berechnete Eisanteil von der Geometrie d.h. der Porosität der im Untergrund liegenden Elemente beeinflusst wird. In Orten, wo diese Geometrie komplex ist, ist es wichtig das Porositätsmodell gut an die RST anzupassen. Denn eine zu tiefe in das 4PM eingegebene Porosität ergibt einen zu hohen Eisanteil. Ausserdem ist die theoretische Gesteinsporosität nicht unbedingt an die Realität angepasst. In der Realität kann das Gestein gespalten und/oder verwittert sein (Siehe im Anhang: Porosität). Zusätzlich wird der Eisanteil von den Parametern a, n, m stark beeinflusst, indem eine falsche Eingabe eines Parameters einen Verlust an Informationen zur Folge hat. Wird der Sättigungsfaktor n zu hoch bestimmt, steigt der berechnete Eisanteil. Im Fall von Tron haben vermutlich die für Sedimente eingegebenen Parameter (a und m) zu einem zu hohen angegebenen Eisanteil geführt. Aufgrund der komplexen Interaktion zwischen a und m wurden diese als theoretische Werte in dieser Arbeit einzeln nicht geändert. Das Bohrloch mit den Temperaturdaten bleibt eine gute Lösung, um das 4PM zu kalibrieren und den Eisanteil zu quantifizieren. Zur Verbesserung des Modells schlägt Hilbich, et al., (2011) vor, dass das 4PM die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von den nicht leitenden Phasen wie Luft, Eis und Gestein besser in einer elektrischen Grundformel betrachtet. Zusätzlich schlagen sie für Felsstandorte vor, eine räumliche Adaptation vom Zementationsfaktor m als Funktion von der Porosität mit einzuberechnen. In Aufgrund dieser Bachelorarbeit können folgende Verbesserungen vorgeschlagen werden: eine Verbesserung des Porositätsmodell bestünde darin, wenn das 4PM die Schichten, die im RST-Profil erkannt wurden und die nicht der Topografie der Oberfläche entsprechen, präziser modellieren werden könnte. Es wäre ausserdem nützlich, die Parameter a, n, m lokal im Profil zu ändern an den Standorten, an denen die Gesteine eine sehr unterschiedliche Zusammensetzung zeigen, z.B. Tron. Dort lag das Grundgestein unter einer 9.5m dicken Moränenschicht, und das Modell war besser für Parameter, die für lockere Sedimente bestimmt wurden. Dies führte jedoch zu einem Verlust der Qualität des Modells in der Moräne (Zone W) und im Grundgestein, wo die Anwesenheit von Eis angegeben wurde. Das 4PM ist ein nützliches Modell für die Messung des Eisanteils im Untergrund. Es ist möglich, plausible Resultate zu erhalten auch in Zonen, die a priori kein gutes Modell ergeben, da die seismische Geschwindigkeit hoch liegt. Das Bohrloch-Temperaturprofil bleibt ein gutes Mittel, um das 4PM zu verbessern und den Eisanteil exakter zu schätzen. Der Vorteil dieses Modells liegt in seiner Schätzung der Verteilung des Eisanteils. Schlussendlich erweist sich ein solches Modell als nützlich in Zonen, in denen die Klimaerwärmung eine wichtige Rolle spielt (z.B. Juvasshoe). [46] 7. Bibliografie Archie, G. E. (1942). 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Faktoren a und m Gesteinstyp Tortuositäts- Verkittungs- faktor a faktor m Wenig zementierte detritische Gesteine wie Sand, Sandstein und 0.88 1.37 Kalkstein mit einer Porosität zwischen 25-45%, meistens vom Tertiär Wenig zementierte detritische Gesteine wie Sand, Sandstein und 0.62 1.72 Kalkstein mit einer Porosität zwischen 18-35%, meistens vom Mesozoikum Gut zementierte detritische Gesteine wie Sand, Sandstein und 0.62 1.72 Kalkstein mit einer Porosität zwischen 5-25%, meistens vom Paleozoikum Gesteine mit weniger als 4% Porosität, inbegriffen dichte 1.4 magmatische Gesteine und metamorphisierte 1.58 sedimentäre Gesteine Tabelle A1: Unterschiedliche Gesteinstypen und die von Schön (2004) angegebenen a und m Faktoren. Porosität Nach Schön (2004) ist die Definition von Porosität: das Ratio vom Volumen der Hohlräume durch das totale Gesteinsvolumen. Dies ist das Resultat von unterschiedlichen geologischen, physikalischen und chemischen Prozessen und wird durch die Entstehung des Gesteins als „Primäre Porosität“ (klastische Sedimentation, organogene Genese) und/oder durch die Entwicklung des Gesteins (tektonische, chemische Prozesse, Auflösung) als „Sekundäre Porosität“ genannt. Die totale Porosität des Gesteins ist die Summe von der „primären Porosität“ und der „sekundären Porosität“. Es werden unterschiedliche Porositätstypen erkannt: Die intergranulare Porosität: Dies ist der Hohlraum zwischen den Körner, Partikeln oder Stücke von klastischem Material, die lose verknüpft, wenig komprimiert oder leicht zementiert sind. Dies ist die primäre Porosität. Die interkristalline oder intragranulare Porosität: Sie kommt vom Schrumpfen oder von der Kontraktion der Körner. Porosität von Spalten: Sie wird von mechanischer oder teilweise durch chemische Aktion auf massivem Gestein provoziert. Dies ist die sekundäre Porosität. Die Porosität der Drusen: Es handelt sich um ehemalige Hohlräume, die unvollständig durch Kristalle gefüllt werden. Diese Porosität wird durch Organismen während der [51] Entwicklung des Gesteins oder durch chemische Aktion provoziert. Es kann entweder zur primären Porosität sowie zur sekundären Porosität gehören. Gestein (Diameter in mm) Porosität (%) nach Schön (2004) Grober Sand (0.5285) 38.6 Schlick (0.0237) 56.2 Schlick-Ton (0.0022) 73 Sandstein 3-30 Granit 0.46-0.50 Granodiorit 1.00 Gabbro-diorit 0.46-0.91 Tabelle A2: angegebene Porositätswerte für unterschiedliche Gesteinswerte Dichte Gestein Dichte in 103 kg*m-3 nach Dichte in 103 kg*m-3 nach Schön (2004) Carmichael (1984) Granit 2.5-2.7 2.66±0.06 Diorit 2.7-2.9 2.86±0.12 Gabbro 2.8-3.1 2.95±0.14 Quarzit 2.6-2.7 2.65 Phyllit (Schiefer) 2.6-2.8 2.06-3.19 Gneiss 2.5-2.9 2.59-2.84 Kalk 2.3-2.9 1.55-2.75 Sandstein 2-2.8 2.22±0.23 Sand 1.4 (trocken)-2.3 (nass) - Ton 1.3-2.3 - Tabelle A3: Angegebene Dichtewerte von zwei Autoren für unterschiedliche Gesteinstypen [52] Parameter für das 4PM Phi Phi Phi Vr max Bohrlöcher Phi grad Threshold Min Smoothing Vw Va Vi Vr gemessen Rw n a m x shift z shift Guol1 0.4 0.03 0.1 0.01 1 1500 300 3500 7500 5500 50 2 1.4 1.58 -20 0 Guol3 0.4 0.03 0.1 0.05 1 1500 300 3500 7500 5465 50 2.2 1.4 1.58 -26 4.5 ISK1+2 0.4 0.015 0.1 0.1 1 1500 300 3500 6000 5547 50 1.8 1.4 1.58 -20 10 PACE 0.5 0.04 0.2 0.01 1 1500 300 3500 7500 6999 100 1.8 1.4 1.58 6 -0.5 Juv-BH5 0.4 0.032 0.05 0.01 1 1500 300 3500 6500 6000 50 1.8 1.4 1.58 -1 -1 Kist 0.4 0.05 0.1 0.1 1 1500 300 3500 5500 5391 50 2 1.4 1.58 -14 990.5 Lavk1 0.4 0.03 0.1 0.05 1 1500 300 3500 6500 6000 100 1.8 1.4 1.58 6 6 Tron3 0.4 0.02 0.2 0.05 1 1500 300 3500 6500 5999 50 1.8 0.88 1.37 -1 -1 Tabelle A4: Bohrlöcher mit den in das 4PM eingegebenen Parametern. Die feinen Porositätsadaptationen werden hier nicht dargestellt. Temperaturdaten Bohrloch MAT (°C) MGST (°C) MGT (°C in 10m) Permafrost MAGST (°C) MAGT (°C) in der Tiefe der ZAA oder des tiefsten Sensores -0.1 (10m) -0.2 (10m) -2.5 (15m) MAAT (°C) ALT (m) Periode Gu-B-1 -1.8/-1.7/-2.9 -0.8/-0.4/-1.7 -0.3 Ja -0.7 -2.1 >10.0 01.08.2008-31.07.2009 Gu-B-3 -1.9/-/-2.7 -/0.9/0.9 Nein Is-B-1 -1.0/-1.4/-2.4 0.1/-/- a -0.1 Ja -0.5 -0.5 >10.0 01.07.2008-30.06.2009 PACE-3.4/-4.6 -2.8/-4.5 -2.5 b Ja -2.1 -3.2 2.2 26.05.2008-25.05.2009 31 Juv-BH1 -3.3/-4.7 -2.4/-2.6 -1.6 Ja -2.4 -1.6 (10m) -3.3 1.5 01.09.2008-31.08.2009 Juv-BH5 -1.1/-2.4 -0.6/-1.5 1.3 c Nein Ki-B-1 -2.1/-1.9/-0.3/0.0/0.9 Nein 0.0 0.9 (10m) -1.9 01.09.2008-31.08.2009 La-B-1 -1.2/-1.5/-1.1/-1.2/-2.2 a 0.2 Nein -1.4 0.2 (10m) -1.7 01.07.2008-30.06.2009 Tron-0.9/-2.3 1.2/1.2 1.4 Nein 0.7 0.0 (10m) -3.6 10.0 18.09.2008-17.09.2009 BH3 Tabelle A5 : Bohrlöcher und deren Temperaturwerte. Die angegebene Periode steht für die MAGST, MAGT, MAAT und ALT Werte MAT=mean air temperature, MGST=mean ground surface temperature, MGT=mean ground temperature in 10m Tiefe, MAGST=mean annual ground surface temperature, MAGT=mean annual ground temperature, MAAT=mean annual air temperature, ALT=active layer thickness Die MAT-, MGST- und MGT-Werte für PACE-31, Juv-BH1, Juv-BH5, Tron-BH3 stammen aus Farbrot et al., (2011) die dieselben Temperaturdaten wie diese Arbeit benutzt haben. Die angegebenen Werte stehen für die Periode vom 01.09.2008 bis zum 31.08.2009 und vom 01.09.2009 bis zum 31.08.2010. Die MAT-, MGST- und MGT-Werte für Gu-B-1, Gu-B-3, Is-B-1, Ki-B-1 und La-B-1, stammen aus Farbrot et al., (2013) und stehen für die Periode 07-08, 0809 und 09-10 Die MAGST-, MAGT, MAAT- und ALT-Werte stammen aus Christiansen al., (2010) Notiz: Einige Lufttemperaturdaten fehlen für manche Orte an einigen Tagen. Die Löcher wurden durch lineare Regression mit Stationen in der Nähe gefüllt (R2>0.95). a:0.2m Tiefe, b: Jahr 2008-09, c: Kombination von den Sensoren in 9.5 und 10m Tiefe wegen der Gerätsverschiebung Geographische Daten Lokalisation in Norvegen Norden Norden Geographische Elevation (m Koordinaten ü.M.) Projekt 69°21'13''N, 21°12'38''E 786 TSP Norway 69°21'20''N, 21°03'39''E 780 TSP Norway Bohrloch ID Guolas 1 Gu-B-1 Guolas 3 Gu-B-3 PACE Juvasshoe PACE Süden 61°40'32''N, 08°22'04''E 1894 PACE Juvass BH5 Juv-BH5 Süden 61°42'02''N, 08°23'31''E 1458 CRYOLINK Iskoras 1+2 Is-B-1 Norden 69°18'08''N, 25°20'11''E 585 TSP Norway Kistefjellet Ki-B-1 Norden 69°17'27''N, 18°07'49''E 990 TSP Norway Lavkavagge La-B-1 Norden 69°14'57''N, 20°26'44''E 766 TSP Norway Tronfjellet 3 Tron-BH3 Süden 62°09'05''N, 10°42'52''E 1290 CRYOLINK Tabelle A6 : Geographische Informationen über die Bohrlöcher und die ERT-RST-Messungen [55] Datum der ERT/RST Position ERT-RST 01.08.2008 den selben Mittelpunkt 02.08.2008 den selben Mittelpunkt 04.08./06.08.2010 03.08.2010 28.07.2008 03.08.2008 06.08.2008 06.08.2010 den selben Mittelpunkt GP4 = E21, GP24 = E61 GP15 = E41, GP24 = E59 GP1=E1 1m verschiebung Bohrloch Tiefe (m) 15 10 20 10 10 24.8 14 10
