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- Original title:
- Long-term monitoring of permafrost-affected rock walls
- Original subtitle:
- Towards an automatic, continuous electrical resistivity tomography (AERT) monitoring for early warning systems
- Translated title:
- Langzeitüberwachung von Permafrost-beeinflussten Felswänden
- Translated subtitle:
- Zu einer automatischen, kontinuierlichen Geoelektrik (AERT) Überwachung für Frühwarnsysteme
- Author:
- Keuschnig, Markus
- Year:
- 2016
- Document type:
- Dissertation
- Faculty/School:
- Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
- Advisor:
- Krautblatter, Michael (Prof. Dr.)
- Referee:
- Krautblatter, Michael (Prof. Dr.); Schrott, Lothar (Prof. Dr.); Menzel, Annette (Prof. Dr.)
- Language:
- en
- Subject group:
- GEO Geowissenschaften
- Abstract:
- Subsurface monitoring of permafrost conditions at depths up to 20-30 m is crucial to assess the safety and reliability of mountain infrastructure, because permafrost degradation critically affects rock slope stability in high mountains. Thus, developing methods to provide information on thermal and hydrostatic subsurface properties is essential, especially as boreholes provide one-dimensional (1D) thermal data in a complex 3D terrain and usually cannot be installed in actively unstable rock masses. Electrical resistivity tomography (ERT) has been proven to be a straightforward monitoring tool for near surface bedrock permafrost for monthly or longer intervals. But as rockfalls are often prepared over periods of days or hours, ERT for early warning purposes should also detect short-term triggering events such as pressurised water flow. During the course of this Ph.D.- project, an open air laboratory (OpAL) for long-term monitoring of permafrost and mass movements was established in the summit region of the Kitzsteinhorn (3,203 m a.s.l.) and is now the best instrumented long-term monitoring site for permafrost and mass movements in Austria. The systemic and scale-oriented approach includes a combination of automated weather stations, remote sensing techniques, temperature measurements in shallow and deep boreholes, geophysical and geotechnical investigations to identify potentially critical thresholds for rock slope instabilities. The OpAL was developed and instrumented to provide answers to the following main research questions: (i) Is an automatic electrical resistivity tomography (AERT) capable to continuously monitor the state of frozen, steep permafrost affected bedrock? (ii) On which temporal and spatial scales can AERT monitor stability-relevant hydrostatic and thermal changes? (iii) Do iButtons provide sufficient accuracy to perform spatially and temporally highly resolved near-surface rock temperature (NSRT) measurements in complexly structured permafrost-affected rock walls? (iv) Is it possible to observe a temperature-resistivity (T-ρ) relationship under field conditions, what are the characteristics and are these T-ρ gradients comparable to laboratory results? To provide stability-relevant hydrostatic and thermal information with ERT, the first permanently installed AERT system was established on a steep, unstable permafrost rock wall to monitor subsurface electrical resistivity changes continuously. ERT is measured every 4h at the up to 67° steep rock wall below the Kitzsteinhorn cable car. Wenner datasets (n=996) were analysed from February 2013 to February 2014 in terms of data stability, raw data characteristics and measurement errors coinciding with potential disturbing factors. Strong resistivity changes coincided with rapid freezing or water inundating rock fractures. Automatically detected periods with large resistivity changes produce ERT time series with low resistivities extending from the bottom upwards during times of snowmelt. Fracture inventories, visual observations of cleftwater and NSRT measurements, provide indications that the flow of pressurised water in fractures warms the surrounding rock in an upward direction. Complementary to the AERT measurements, the spatial and temporal variations of NSRT are measured in a hitherto unknown coverage using a newly developed low-cost alternative based on miniature temperature loggers (iButtons). This includes an innovative adaptation procedure including preparation, installation and maintenance of the system. To meet the requirements for spatially and temporally distributed rock temperature measurements, the measurements were analysed regarding reliability and accuracy. The combination of AERT and NSRT measurements leads to the first comprehensive field evidence of a T-ρ relationship. The T-ρ relationship can be used as a proxy for the thermal state and in further consequence for stability-relevant information on the mechanical state of permafrost rock walls. Based on 1485 Wenner and rock temperature datasets, the T-ρ characteristics were analysed considering different depths of investigation. Linear regression modelling shows that analysed T-ρ relationships are highly significant with a p-value < 2.2e-16 and a R² of up to 0.64. The measured T-ρ gradients of 22.9 to 27.9 %/°C under permafrost conditions, are in the range of the laboratory results of 29.8±10.6 %/°C (Krautblatter, 2009). This Ph.D.-thesis presents (i) the first approach to monitor permafrost rock walls quasi-continuously with AERT where high apparent resistivity changes in 4h intervals may precede critical hydrostatic events confined by permafrost rocks including (ii) a newly developed strategy for spatially and temporally high resolution NSRT measurements. The combined methodological approach (AERT and NSRT measurements) results (iii) in the first comprehensive field evidence of the T-ρ relationship which has been postulated in the laboratory a few years ago. OpAL instrumentation and field monitoring techniques developed, tested and analysed in this PhD provide a framework that can be used for early warning systems in unstable permafrost-affected rock walls.
- Translated abstract:
- Permafrostveränderungen beeinflussen die Stabilität hochalpiner Felswände und Felsflanken. Daher ist die Überwachung von Permafrostbedingungen, bis in eine Tiefe von 20-30 m, essentiell für die Sicherheitsbeurteilung alpiner Infrastruktur. Für die Überwachung thermischer und hydrostatischer Bedingungen im komplexen, alpinen Gelände ist die Entwicklung von Methoden, die über punktuelle Bohrlochmessungen hinausgehen, von großer Bedeutung. Geoelektrik (ERT) ist eine bewährte Methode zur Überwachung von Felspermafrost in monatlichen oder längeren Messintervallen. Stabilitätsrelevante Faktoren wie Felstemperaturen oder Gebirgsfeuchte können sich jedoch innerhalb weniger Tage oder Stunden maßgeblich verändern. Auch kurzfristige Auslöser, wie erhöhte Kluftwasserdrücke, müssen daher mit einem möglichen ERT-Frühwarnsystems detektiert werden können. Im Verlauf dieser Doktorarbeit wurde ein Freiluftlabor für die Langzeitüberwachung von Permafrost und gravitativen Massenbewegungen im Bereich der Gipfelregion des Kitzsteinhorns (3.203 m ü. d. M.) eingerichtet. Dieses Freiluftlabor ist gegenwärtig der am besten instrumentierte Forschungsstandort für Permafrost und Massenbewegungen in Österreich. Basierend auf einer systemischen, skalenorientierten Überwachung von Atmosphäre (Wetterstationen), Oberfläche (Fernerkundung, Bewegung) und Untergrund (Bohrlochtemperaturen und Geophysik) werden Einflussfaktoren auf die Felsstabilität kontinuierlich überwacht um potentiell kritische Schwellenwerte zu identifizieren. Für diese Doktorarbeit bildet das Freiluftlabor die Basis für die Beantwortung der folgenden, übergeordneten Forschungsfragen: (i) Ist eine automatische ERT (AERT) geeignet den Zustand von steilen, Permafrost-beeinflussten Felswänden kontinuierlich zu überwachen? (ii) Auf welchen zeitlichen und räumlichen Skalen kann eine AERT stabilitätsrelevante hydrostatische und thermische Veränderungen detektieren? (iii) Bieten iButtons eine ausreichende Genauigkeit für die Durchführung hochaufgelöster räumlicher und zeitlicher NSRT Messungen in komplexen, Permafrost-beeinflussten Felswänden? (iv) Ist es möglich eine Temperatur-Resistivitäts-Beziehung (T-ρ) unter Feldbedingungen zu messen, welche Eigenschaften weist diese auf und sind die T-ρ Gradienten mit Laborergebnissen vergleichbar? Um kontinuierliche, stabilitätsrelevante thermische und hydrostatische Daten mit ERT zu erfassen, wurde erstmalig ein AERT System in einer steilen, instabilen und durch Permafrost-beeinflussten Felswand für kontinuierliche Messungen installiert. Dabei werden alle 4h Geoelektrikmessungen in der bis zu 67° steilen Felswand unterhalb der Kitzsteinhorn-Seilbahn durchgeführt. 996 aufeinanderfolgende Wenner Datensätze wurden von Februar 2013 bis Februar 2014 erfasst und hinsichtlich Datencharakteristik, Messfehler und deren potenziellen Einflussgrößen analysiert. Große Veränderungen in der Resistivität stimmen mit spontanem Gefrieren oder der Infiltration von Wasser überein. Automatisch erfasste Perioden mit großen Resistivitätsveränderungen ergeben ERT Zeitreihen, in welchen sich während der Schneeschmelze niedrige Resistivitäten von größeren Tiefen nach oben hin ausbreiten. Basierend auf Trennflächenanalysen, visuellen Beobachtungen von Kluftwasser und NSRT Messungen kann auf unter Druck stehendes Kluftwasser geschlossen werden, das den Untergrund von tieferen Bereichen in Richtung Oberfläche sättigt und erwärmt. Ergänzend zu den ERT Daten wurde die räumliche und zeitliche Verbreitung der NSRT in einem bisher noch nicht erreichten Umfang mit Hilfe einer neu entwickelten „low-cost“ Alternative auf Basis von Miniatur-Temperaturloggern (iButtons) erfasst. Diese beinhaltet ein innovatives Anpassungsverfahren einschließlich Vorarbeiten, Installation und Wartung. Um der hohen räumlichen und zeitlichen Variabilität der NSRT gerecht zu werden, wurden die Messungen hinsichtlich Verlässlichkeit und Genauigkeit analysiert. Mit diesem kombinierten methodischen Ansatz (AERT und NSRT Messungen) konnte erstmalig die T-ρ Beziehung unter Feldbedingungen nachgewiesen werden. Die T-ρ Beziehung kann als Proxy für den thermischen Zustand und in weiterer Folge als stabilitätsrelevante Information für den mechanischen Zustand von Permafrost-beeinflussten Felswänden verwendet werden. Basierend auf 1485 Wenner und NSRT Datensätzen wurden die T-ρ Beziehungen unter Berücksichtigung verschiedener Untersuchungstiefen analysiert. Lineare Regressionsmodelle zeigen einen hochsignifikanten T-ρ Zusammenhang mit einem p-value < 2,2e-16 und einem R² von bis zu 0,64. Die unter Permafrostbedingungen gemessenen T-ρ Gradienten von 22,9 bis 27,9 %/°C sind im Bereich der Labormessungen mit einem Gradienten von 29,8±10,6 %/°C (Krautblatter, 2009). Diese Doktorarbeit präsentiert (i) den ersten Ansatz für die kontinuierliche Überwachung von Permafrost-beeinflussten Felswände mit AERT ergänzt mit (ii) einer neu entwickelten Strategie für räumlich und zeitlich hochaufgelöste NSRT Messungen. Der kombinierte methodische Ansatz führt zum (iii) ersten umfangreichen Feldbeweis der bi-linearen Temperatur-Resistivitäts-Beziehung, welche bereits vor einigen Jahren unter Laborbedingungen nachgewiesen werden konnte. Die während dieser Doktorarbeit im Freiluftlabor entwickelten, getesteten und analysierten Instrumentierungen und Überwachungstechniken bilden eine Basis für Frühwarnsysteme in instabilen, von Permafrost-beeinflussten Felswänden.
- WWW:
- https://mediatum.ub.tum.de/?id=1325188
- Date of submission:
- 21.09.2016
- Oral examination:
- 22.11.2016
- File size:
- 12895441 bytes
- Pages:
- 123
- Urn (citeable URL):
- https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20161122-1325188-1-2
- Last change:
- 15.12.2016
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