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R. Illnar:
"Seismische Kartierung von alpinem Permafrost im Lockergestein";
Betreuer/in(nen): E. Brückl; Department für Geodäsie und Geoinformation, 2015.

Hochalpine Täler, in denen Permafrost vorkommt, gehören zu den Gebieten, die am stärksten von einer Klimaänderung betroffen sind, und haben dadurch einen großen Einfluss auf das hydrologische Regime. Das ÖAW-Projekt "Permafrost in Austria" versucht genau diese Auswirkungen zu erfassen und zu verstehen.
Die vorliegende Arbeit behandelt eine punktweise Erfassung von Permafrost im Lockergestein. Im Rahmen der Diplomarbeit wurden im Krummgampental 32 seismische Feldmessungen von 2D-Profilen mit Längen von 90m bis 210m mittels Hammerschlag-Refraktionsseismik durchgeführt. Dabei wurden Profile auf den unterschiedlichen geomorphologischen Strukturen wie Schutthalden, Blockgletscher und Moränen gemessen. Um eine bessere Aussage über die detektierte P-Wellengeschwindigkeit treffen zu können, wurden noch vier seismische Profile auf dem an die Oberfläche ragenden Felsen zur Interpretation hinzugezogen. Aufgrund der refraktionsseismischen Daten werden durch eine Tauchwellentomographie die seismischen Geschwindigkeiten im Untergrund bestimmt. Um die einzelnen Tomographien berechnen zu können, werden für die Inversionen drei Startmodelle mit unterschiedlichen P-Wellengeschwindigkeiten für die Klasse des ungefrorenen Schuttes, des Permafrostes und des Felses erstellt. Danach wird ein Modell mit synthetisch erstellten seismischen Laufzeiten (Ersteinsätzen) für einen Permafrost ähnlichen ebenen Zweischichtfall generiert. Um den Einfluss der drei Startmodelle auf das Ergebnis der 1D-Tomographie zu testen wird dieses zuvor erstellte Modell mit jedem der drei Startmodelle berechnet. Anschließend wird die Dicke der Lockerschicht im Modell mit den synthetisch produzierten Ersteinsätzen variiert und eine Grafik zur Klassifizierung der folgenden Berechnungen erstellt. Dabei zeigt sich, dass sich die berechneten Geschwindigkeits-Tiefenkurven der 1D-Tomographie bei allen zuvor berechneten Modellen gut an die gewählte Geschwindigkeit des Permafrostes annähern. Anschließend werden alle 32 Profile 1D-tomographisch ausgewertet. Hier sieht man, dass die Berechnungen nur bei homogen geschichteten Profilen niedrige RMS-Werte liefern und laterale Änderungen im Geschwindigkeitsfeld direkt proportional mit den hohen RMS-Werten der Berechnung korrelierten. Dies führt zu der Bildung einer Schranke (RMS>5ms), ab der die Profile noch 2D-refraktionstomographisch ausgewertet werden. Durch diese 2D-Tomographien werden dann einzelne signifikante vertikale Schnitte gelegt und gemeinsam mit den Geschwindigkeits-Tiefenkurven der 1D-Tomographie als "kein Permafrost", "Permafrost möglich" und "Permafrost" klassifiziert.
Um eine finale Aussage über das Vorhandensein von Permafrost im Lockergestein zu tätigen, werden die seismischen Ergebnisse noch mit den zugehörigen mittleren Bodentemperaturdaten der winterlichen Schneedecke, aus dem ÖAW-Projekt "Permafrost in Austria" korreliert und anschließend in einem Orthofoto des Geländes kartiert.
Dabei zeigt sich, dass sich bei 48% der Profile die Klassifizierungen aus der Seismik mit den Ergebnissen aus der Temperaturklassifizierung decken. Bei 39% findet man eine mögliche Übereinstimmung der zwei unterschiedlichen Verfahren. Das heißt, dass eine Klassifizierung mit der vollen und der möglichen Übereinstimmung beider Verfahren 87% der Ergebnisse beinhaltet, was ein weiteres Indiz für ein gutes Zusammenspiel der beiden Verfahren darstellt.

High Alpine valleys, where permafrost occurs, are the areas which are most affected by a climate change and thus have a large impact on the hydrological regime. The Academy's project "Permafrost in Austria" is trying to accurately grasp and understand these effects.
This work deals with a point-wise detection of permafrost in unconsolidated soil. As part of the thesis 32 seismic refraction field measurements of 2D profiles were performed in Krummgampental by sledgehammer-seismic with lengths from 90-210m. The profiles were measured at different geomorphological structures, as scree, rock glaciers and moraines. In order to make a better statement about the detected P-wave velocity, 4 seismic profiles were measured on solid rocks. Because of the refraction seismic data the seismic velocities will be determined in the underground by a diving wave tomography. To calculate the individual tomography three starting models with different P-wave velocities, for the class of unfrozen debris, permafrost and solid rocks, are created for the inversions. Than a model with synthetically created seismic data (firstpicks), similar to a planar bilayer permafrost case is generated. In order to test the influence of the three starting models on the result of the 1D-tomography the synthetically model is calculated with each of the three starting models. Subsequently, in the synthetic generated model, the thickness of the active layer varies and a graph for classification of the following calculations is created. It is found that the curves of the calculated P-wave velocities of 1D-tomography, show a good approach at all previously calculated models to the selected speed of the permafrost. With this knowledge all 32 profiles will be calculated with the 1D-tomography. One can see that the calculations that provide low RMS-values only at homogeneously stratified profiles and lateral changes in velocity field correlate in direct proportion with the high RMS-values of the calculation. This leads to the formation of a limit (RMS> 5 ms). Based on this observation all profiles with RMS>5ms will be calculated with a 2D-refractiontomography. Then some significant vertical cuts are made through this 2D-tomographies, and together with the velocity-depthcurves of 1D-tomographies the profiles are classified as "no permafrost", "permafrost possible" and "permafrost".
To make a final statement about the presence of permafrost in unconsolidated soil, the seismic results are correlated with the temperature data of the weighted ground surface temperatures (wGST), which were collected in the Austrian Academy's project "permafrost in Austria". Finally the results are plotted into a classification map of the Krummgampental.
It turns out for 48% of the profiles, that the classifications from the seismic coincide with the results from the temperature classification. In 39% of the cases you find a possible match between the two different methods. That means that a composite classification with the full agreement of both procedures and the possible agreement includes 87% of the results, which is a further indication of a good interaction between the two approaches.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_239304.pdf