Kapazitive Geoelektrik zur Bestimmung der komplexen Permittivität von Eis und Permafrost

Przyklenk, Anita

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.

In the present thesis, field measurements from permafrost areas are carried out with an innovative 4-point impedance measurement system based on capacitively coupled electrodes. Aiming to determine the effective complex relative permittivity of natural frozen water and frozen soil from the measured impedance spectra, geoelectric measurements were performed in a wide bandwidth between 20Hz and 240kHz. Measurements in the lower half of the frequency band theoretically have a higher sensitivity to resistivity variations, while in the upper half of the frequency band there is a higher sensitivity to changes in relative permittivity so that investigations over ice enable the determination of both electrical parameters, which are the resistivity and the the relative permittivity. Firstly, methodical aspects are treated, since at the time of the present work neither a comparable measurement system nor an inversion program tuned to the desired frequency range was available. The methodological aspects include the influence of the height of the capacitively coupled electrodes over the observed underground, as well as an appropriate frequency-dependent parameterization of the complex relative permittivity. 4-point impedances are sensitive to the height of the electrodes above the surface being examined. At the beginning of the present work, it was not known if this difficult to measure variable had to be known for the inversion of measured impedances. Therefore, the electrode height above the surface is taken into account as an additional free variable in the inversion algorithm. Subsequent sensitivity analysis has shown that electrode height is the least important parameter for fitting measured impedance spectra, while parameters describing complex permittivity dominate the inversion results. Theoretical considerations show that the characteristic dispersion behavior of ice leads to a decrease in the sensitivity to the electrode height. Practical examples confirm this effect. Electrical parameters of natural ice and snow-covered frozen soil, which are determined from impedance measurements with capacitively coupled electrodes, are plausible in comparison with literature values.

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Przyklenk, Anita: Kapazitive Geoelektrik zur Bestimmung der komplexen Permittivität von Eis und Permafrost. 2019.

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