Verfügbarkeit: Geophysical methods for detecting permafrost in high mountains

Geophysical methods for detecting permafrost in high mountains:

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Hauck, Christian (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	Undetermined
Veröffentlicht:	Zürich Eigenverl. d. Versuchsanst. f. Wasserbau, Hydrologie u. Glaziologie 2001
Schriftenreihe:	Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich 171
Schlagworte:	Dauerfrostboden Geophysik Hochschulschrift
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Beschreibung:	Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss. - Zsfassung in dt. Sprache
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adam_text	TO LJVW PI VERSUCHSANSTALT FUR WASSERBAU. HYDROLOGIE UND GLAZIOLOGIE DER EIDGENOSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZURICH MITTEILUNGEN 171 GEOPHYSICAL METHODS FOR DETECTING PERMAFROST IN HIGH MOUNTAINS INSTITIJT FOR WASSERBAU UND WA8SERWIRTSCHAFT TECHNISCHE UNIVESSLTST LAU.-.STADT CHRISTIAN HAUCK PETERSENSTR. 13,64287 DARMSTADT TEL 0 8151/16 2143 * FAX: 16 32 43 ZURICH, 2001 HERAUSGEBER: PROF. DR.-LNG. H.-E. MINOR BIBLIOTHEKWASSERUND UMWELT (TU DARMSTADT).. CONTENTS ABSTRACT 7 ZUSAMMENFASSUNG 9 1 INTRODUCTION * 11 1.1 THE EU-PROJECT PACE 12 1.2 GEOPHYSICS IN THE STUDY OF PERMAFROST 12 1.3 OBJECTIVES AND STRUCTURE OF THE THESIS 14 2 FIELD SITES 15 2.1 JANSSONHAUGEN/SVALBARD 15 2.2 HIORTHFJELLET/SVALBARD 18 2.3 TARFALA/SWEDEN 21 2.4 JUVVASSH0E/NORWAY 23 2.5 SCHILTHORN/SWITZERLAND 26 2.6 ZERMATT/SWITZERLAND 29 2.7 VAL BEVER/SWITZERLAND 31 2.8 MURTEL/SWITZERLAND 33 2.9 STELVIO PASS/ITALY 37 2.10 FOSCAGNO/ITALY 39 2.11 EL VELETA/SPAIN 41 3 GEOPHYSICAL METHODS 4 5 3.1 PRINCIPLES OF GEOPHYSICAL PROSPECTING 45 3.2 PHYSICAL MATERIAL PROPERTIES OF PERMAFROST 45 3.2.1 ELECTRICAL RESISTIVITY 46 1 3.2.2 SEISMIC VELOCITY 47 3.3 GEOPHYSICAL SURVEY AND INTERPRETATION TECHNIQUES 49 3.3.1 MAPPING 49 3.3.2 VERTICAL SOUNDING 50 3.3.3 IMAGING 50 3.3.4 TOMOGRAPHIC INVERSION _, 51 3.4 INVERSION THEORY 51 3.4.1 INVERSE AND FORWARD PROBLEM 51 3.4.2 SOLUTION OF THE INVERSE PROBLEM 53 3.4.3 OVER-, UNDER- AND MIXED-DETERMINED PROBLEMS AND DAMPED LEAST-SQUARES SOLUTION 53 3.5 NON-LINEARITY 55 3.6 ACCURACY, RESOLUTION AND EQUIVALENCE 56 4 DC RESISTIVITY TOMOGRAPHY 57 4.1 INTRODUCTION 57 4.2 THEORY . 58 4.2.1 HOMOGENEOUS HALF-SPACE MODEL 59 4.2.2 TWO- AND THREE-DIMENSIONAL HALF-SPACE MODEL 59 4.2.3 GEOMETRIC FACTOR AND APPARENT RESISTIVITY 60 4.2.4 ELECTRODE ARRAY GEOMETRIES 60 4.3 APPLICATION OF DC RESISTIVITY TOMOGRAPHY TO PERMAFROST STUDIES ... 62 4.3.1 DATA ACQUISITION 62 4.3.2 INVERSION 62 4.3.3 CHOICE OF ARRAY TYPE AND MODEL SENSITIVITY 67 4.3.4 RESULTS 69 4.3.5 CONCLUSION 71 4.4 LABORATORY DC RESISTIVITY MEASUREMENTS 72 4.4.1 INTRODUCTION 72 4.4.2 RESISTIVITY, TEMPERATURE AND UNFROZEN WATER CONTENT 73 4.4.3 EXPERIMENTAL PROCEDURE 75 4.4.4 RESULTS 78 2 4.4.5 CONCLUSIONS 84 4.5 TIME-LAPSE DC RESISTIVITY TOMOGRAPHY TO MONITOR FREEZING AND THAW- ING PROCESSES IN PERMAFROST AREAS 86 4.5.1 INTRODUCTION 86 4.5.2 INSTALLATION OF A FIXED ELECTRODE ARRAY AND DATA ACQUISITION . . 87 4.5.3 SYNTHETIC MODELLING OF TIME-LAPSE DC RESISTIVITY TOMOGRAPHY DATA 88 4.5.4 QUASI-MONTHLY RESISTIVITY MEASUREMENTS AT SCHILTHORN 90 4.5.5 ANALYSIS OF THE DATA IN TERMS OF TEMPERATURE AND UNFROZEN WATER CONTENT 96 4.5.6 CONCLUSION 99 5 ELECTROMAGNETIC INDUCTION METHODS 101 5.1 INTRODUCTION 101 5.2 THEORY AND INSTRUMENTS 102 5.2.1 FREQUENCY-DOMAIN SYSTEMS (EM-31, GEM-300) 102 5.2.2 TIME-DOMAIN SYSTEMS (PROTEM) 107 5.3 RESULTS 109 5.3.1 CONDUCTIVITY MAPPING USING A PRIORI INFORMATION (EM-31) . . 109 5.3.2 INVESTIGATION OF THE SPATIAL VARIABILITY AT THE PACE DRILL SITES (EM-31) 113 5.3.3 ACTIVE LAYER MAPPING USING THE OPTIMAL FREQUENCY (GEM-300) 113 5.3.4 ELECTROMAGNETIC SOUNDINGS TO DETERMINE THE DEPTH OF PER- MAFROST BASE (PROTEM) 114 5.4 CONCLUSIONS 119 6 REFRACTION SEISMICS 121 6.1 INTRODUCTION 121 6.2 THEORY AND TOMOGRAPHIC INVERSION 122 6.2.1 ELASTIC WAVES 122 6.2.2 CRITICAL REFRACTION AND HEAD WAVE 122 6.2.3 2-D REFRACTION TOMOGRAPHY 123 6.3 SYNTHETIC MODELLING TO OPTIMISE DATA ACQUISITION AND DATA INVERSION . 125 6.3.1 DETERMINING THE MINIMAL NUMBER OF SOURCES AND RECEIVERS . . .125 3 6.3.2 CHOICE OF THE INITIAL VELOCITY MODEL 126 6.3.3 REGULARISATION PARAMETER 129 6.3.4 CONVERGENCE 130 6.4 FIELD EXAMPLE * VAL BEVER 132 6.4.1 DATA ACQUISITION 134 6.4.2 RESULTS 134 6.5 CONCLUSIONS 137 7 THERMAL METHODS 139 7.1 BOTTOM TEMPERATURE OF SNOW COVER (BTS) 139 7.2 PASSIVE MICROWAVE RADIOMETRY 140 7.2.1 INTRODUCTION 140 7.2.2 THEORY 140 7.3 SETUP OF THE FIELD MEASUREMENT AND DATA ACQUISITION SYSTEM 142 7.4 FIELD EXAMPLE * SCHILTHORN 143 7.5 CONCLUSIONS 145 8 DISCUSSION 147 8.1 GENERAL MOUNTAIN PERMAFROST PROSPECTING . 149 8.2 MAPPING THE LATERAL VARIATION OF MOUNTAIN PERMAFROST 152 8.3 DETERMINING THE VERTICAL EXTENT OF MOUNTAIN PERMAFROST (SOUNDING) . 155 8.4 ACTIVE LAYER STUDIES 158 8.5 CHARACTERISING THE PHYSICAL PROPERTIES OF MOUNTAIN PERMAFROST .... 160 8.5.1 VAL BEVER: ICE ANOMALIES 160 8.5.2 SCHILTHORN: BEDROCK ANOMALIES 161 8.5.3 JUVVASSH0E: AIR CAVERN ANOMALIES 163 8.6 PERMAFROST MONITORING 163 9 CONCLUSION AND OUTLOOK 167 BIBLIOGRAPHY 170 ACKNOWLEDGEMENTS 180 4 A FIELD RESULTS 182 A.I JANSSONHAUGEN 182 A.2 HIORTHFJELLET 183- A.3 TARFALA 184 A.4 JUVVASSH0E 186 A.5 SCHILTHORN 190 A.6 ZERMATT 193 A.7 VAL BEVER 194 A.8 MURTEL 196 A.9 STELVIO 198 A.10 FOSCAGNO 199 A.11 EL VELETA 199
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