Geophysical monitoring systems to assess and quantify ground ice evolution in mountain permafrost

Permafrost bildet ein wesentliches Element der globalen Kryosphäre. Der Alpine Permafrost weißt Temperaturen nur knapp unter 0°C auf und ist damit besonders sensibel für die prognostizierten Klimaänderungen im 21. Jahrhundert. Der Eisgehalt im gefrorenen Untergrund gehört zu den Schlüsselparametern, welche die Stabilität von Hängen in Periglazialgebieten kontrollieren. Basierend auf dem Bedarf zur langfristigen Beobachtung der Entwicklung des Gebirgspermafrostes trägt die vorliegende Arbeit zur Entwicklung eines Monitoringansatzes bei, der Aussagen über zeitliche Änderungen des Eisgehalts zulässt. Im Rahmen dieser Studie wurde ein geophysikalisches Monitoring-Netzwerk bestehend aus permanenten geoelektrischen und refraktionsseismischen Profilen an vier morphologisch unterschiedlichen Standorten in den Schweizer Alpen aufgebaut. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial geophysikalischer Methoden (geoelektrische Tomographie und refraktionsseismische Tomographie) für ein operationelles Langzeit-Monitoring der Permafrostentwicklung im Hochgebirge im Rahmen der globalen Erwärmung zu untersuchen. Die Ergebnisse weisen auf ein enormes Potenzial beider Monitoringansätze zur Erfassung und Charakterisierung klimainduzierter Permafrost- bzw. Bodeneisdegradation hin. Durch eine kombinierte Analyse von Widerständen und Bohrlochtemperaturen konnte der starke Zusammenhang zwischen beiden Parametern für alle Standorte nachgewiesen werden. Damit konnte die generelle Anwendbarkeit des geoelektrischen Monitorings für morphologisch unterschiedliche Standorte mit variierenden Oberflächenbeschaffenheiten und Eisgehalten demonstriert werden. Die Interpretation der seismischen Geschwindigkeitsänderungen in time-lapse Tomogrammen stimmt mit den Geoelektrikdaten sowie mit den Bohrlochtemperaturen überein, ergibt aber gleichzeitig auch komplementäre Informationen, welche die Interpretation der Geoelektrikdaten wesentlich unterstützen können. Einen wesentlichen Vorteil des refraktionsseismischen Monitorings bietet die Möglichkeit, unter bestimmten Voraussetzungen zweifelsfrei Eisdegradation (oder saisonaler Eisschwund) identifizieren zu können