Kapazitive Geoelektrik zur Bestimmung der komplexen Permittivität von Eis und Permafrost

In der vorliegenden Arbeit werden Feldmessungen aus Permafrostgebieten vorgestellt, die mit einem innovativen 4-Punkt-Impedanz-Messsystem auf Basis kapazitiv angekoppelter Elektroden durchgeführt wurden. Mit dem Ziel, aus den gemessenen Impedanzspektren die effektive komplexe relative Permittivität von natürlichem gefrorenen Wasser und gefrorenem Boden zu bestimmen, wurden die geoelektrischen Messungen in einer weiten Bandbreite zwischen 20Hz und 240kHz durchgeführt. Messungen in der unteren Hälfte des Frequenzbandes weisen theoretisch eine höhere Empfindlichkeit gegenüber Variationen des spezifischenWiderstandes auf, während in der oberen Hälfte des Frequenzbandes eine höhere Sensitivität gegenüber Veränderungen der relativen Permittivität vorliegt, so dass bei Messungen über Eis beide elektrische Parameter, der spezifischeWiderstand und die relative Permittitivät, bestimmbar sind. Da zur Zeit der vorliegenden Arbeit weder eine vergleichbare Apparatur, noch ein auf den Frequenzbereich abgestimmtes Inversionprogramm zur Verfügung standen, werden zunächst methodische Aspekte behandelt. Dazu zählt der Einfluss der Höhe der kapazitiv angekoppelten Elektroden über dem untersuchten Untergrund, der Elektrodenhöhe, sowie die frequenzabhängige Parametrisierung der komplexen relativen Permittivität. Es ist bekannt, dass die 4-Punkt-Impedanz empfindlich auf die Höhe der Elektroden über der untersuchten Oberfläche reagiert, insofern die Untersuchungen über moderaten spezifischen Widerständen im Bereich von Kiloohmmetern statt finden. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit war nicht bekannt, ob oder wie genau diese schwer messbare Größe für die Anpassung gemessener Impedanzen bekannt sein muss. Feldmessungen werden daher unter Berücksichtigung der Elektrodenhöhe angepasst. Eine anschließende Empfindlichkeitsanalyse hat gezeigt, dass die Elektrodenhöhe der am wenigsten wichtige Parameter für die Anpassung gemessener Impedanzspektren ist, während die Parameter zur Beschreibung der komplexen Permittivität die Inversionsergebnisse dominieren. Aus theoretischen Überlegungen geht hervor, dass das charakteristische Dispersionsverhalten von Eis zu einer Abnahme der Sensitivität gegenüber der Elektrodenhöhe führt. Dieser Effekt wird durch Beispiele aus der Praxis gestützt. Untergrundparameter von natürlichem Eis und schneebedecktem gefrorenen Boden, welche aus Impedanzmessungen mit der Kapazitiven Geoelektrik bestimmt werden, sind im Vergleich mit Literaturwerten plausibel.