Advancing Permafrost Ice-Content Estimation : Independent Frequency Inversion of High-Frequency Induced Polarisation Data
This thesis presents methodological advances in the application of high-frequency induced polarisation (HFIP) to characterise frozen ground in permafrost environments. By developing an alternative independent frequency inversion approach combined with petrophysical modelling, this research establishes a robust framework for quantifying ice content distribution, with results validated through comparison with extracted permafrost cores.
Field investigations were conducted at multiple sites representing contrasting permafrost conditions: three peat mires in northern Sweden (Heliport, Stordalen, and Storflaket) and a mountain permafrost site in the Italian Alps (Cervinia). The methodology combined broad-scale profiling to map lateral heterogeneity with highresolution surveys that served two purposes: resolving vertical transitions between frozen and unfrozen layers and providing datasets at scales comparable to extracted permafrost cores.
The first detailed examination of reciprocal errors above 1 kHz was performed using the Chameleon II HFIP measurement system, applying established data quality assessment protocols to these high-frequency measurements. The 2D inversion results demonstrate smooth spectral variation of complex resistivity, with phase shift peaks in the 1-10 kHz frequency range, characteristic of ice polarisation. Petrophysical modelling of these inversion results enables quantification of 2D ice content distribution. High-resolution profiles resolved unfrozen layer thickness and revealed ice contents exceeding 50% in peat mires (up to 90%), while the mountain permafrost site showed predominantly ice-poor conditions (20%).
This study demonstrates the reliability of HFIP through successive refinements in measurement and data processing protocols. The results collected across different seasonal conditions over multiple years contribute valuable insights to both permafrost research and practical applications, establishing HFIP as an effective tool for monitoring permafrost.
Diese Dissertation präsentiert methodische Fortschritte in der Anwendung der hochfrequenten induzierten Polarisation (HFIP) zur Charakterisierung von gefrorenem Boden in Permafrostumgebungen. Durch die Entwicklung eines alternativen unabhängigen Frequenzinversionsansatzes in Kombination mit petrophysikalischer Modellierung etabliert die Forschung einen robusten Rahmen zur Quantifizierung der Eisgehaltsverteilung, wobei die Ergebnisse durch Vergleich mit entnommenen Permafrostkernen validiert wurden.
Felduntersuchungen wurden an mehreren Standorten durchgeführt, die unterschiedliche Permafrostbedingungen repräsentieren: drei Torfmoore in Nordschweden (Heliport, Stordalen und Storflaket) und ein Gebirgspermafroststandort in den italienischen Alpen (Cervinia). Die Methodik kombinierte großräumige Profilierung zur Kartierung lateraler Heterogenität mit hochauflösenden Untersuchungen, die zwei Zwecken dienten: der Auflösung vertikaler Übergänge zwischen gefrorenen und ungefrorenen Schichten sowie der Bereitstellung von Datensätzen in Maßstäben, die mit entnommenen Permafrostkernen vergleichbar sind.
Die erste detaillierte Untersuchung von reziproken Fehlern über 1 kHz wurde mit dem HFIP-Messsystem Chameleon II durchgeführt, wobei etablierte Protokolle zur Beurteilung der Datenqualität auf diese hochfrequenten Messungen angewendet wurden. Die 2D-Inversionsergebnisse zeigen eine gleichmäßige spektrale Variation des komplexen Widerstand mit Phasenpeaks im Frequenzbereich von 1-10 kHz, charakteristisch für Eispolarisation. Die petrophysikalische Modellierung dieser Inversionsergebnisse ermöglicht die Quantifizierung der 2D-Eisgehaltsverteilung. Hochauflösende Profile bestimmten die Dicke der ungefrorenen Schicht und zeigten Eisgehalte von über 50% in Torfmooren (bis zu 90%), während der Gebirgspermafroststandort überwiegend eisarme Bedingungen (20%) aufwies.
Diese Studie demonstriert die Zuverlässigkeit von HFIP durch sukzessive Verfeinerungen der Mess- und Verarbeitungsprotokolle. Die Ergebnisse, die unter verschiedenen jahreszeitlichen Bedingungen über mehrere Jahre aufgenommen wurden, liefern wertvolle Erkenntnisse sowohl für die Permafrostforschung als auch für praktische Anwendungen und etablieren HFIP als effektives Werkzeug für das Permafrostmonitoring.
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