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Gleichstromgeoelektrik zur Erkundung der inneren Struktur und der Dicke von Meereis

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Flinspach, D. (2005): Gleichstromgeoelektrik zur Erkundung der inneren Struktur und der Dicke von Meereis , Diplom thesis, Ludwig-Maximilian-Universität München.
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Die Kenntnis der inneren Struktur von Meereis ist bei vielen Messverfahren Voraussetzung für die exakte Bestimmung der Dicke von Meereis. In dieser Arbeit soll erstmalig das Verfahren der Gleichstromgeoelektrik zur zweidimensionalen und dreidimensionalen Erkundung der inneren Struktur von Meereis eingesetzt werden.Zur bestmöglichen Erfassung von Inhalt und Aussage der Ergebnisse sowie zur optimalen Beurteilung von deren Genauigkeit und Qualität wird zunächst die Theorie der Gleichstromgeoelektrik und Inversion so knapp und vollständig wie im Rahmen dieser Arbeit möglich hergeleitet. Für horizontal geschichtete Zweischichtfälle, bei denen der spezifische Widerstand der unteren Schicht kleiner ist als derjenige der oberen Schicht, wurde ein neues Verfahren zur Auswertung einer Tiefensondierung entwickelt. Die Messdaten der Tiefensondierung werden dabei durch eine modifizierte Fermifunktion angepasst, wodurch sich unmittelbar die Mächtigkeit der oberen Schicht sowie die spezifischen Widerstände beider Schichten ergeben.Anhand von synthetischen Modellen für Ostsee- und arktisches Meereis wurde systematisch untersucht, in welchem Wertebereich der 2D-invertierten spezifischen Widerstände die Grenze zwischen Meereis und Meerwasser anzusiedeln ist. In diesem Zusammenhang wird ein Postulat zur Eingrenzung des möglichen Wertebereichs für die Eisdicke anhand von invertierten Äquiresistivitätsflächen aufgestellt. Anhand dieser systematischen Analyse werden außerdem die Wertebereiche der Inversionsparameter eingeschränkt und die optimalen Inversionsprogramme für die vorliegende Problemstellung ausgesucht.In dieser Arbeit wurden die Inversionsprogramme DC2DInvRes, DC3DInvRes, DC2D-Topo und DC3DTopo in Kooperation mit der Universität Leipzig sowie RES2DINV und RES3DINV in Kooperation mit der Technischen Universität Berlin genutzt. Als Inversionsmethode wurde dabei die robuste Smoothness-Constrained -Inversion als Modifikation der Marquardt-Levenberg-Inversion gewählt.Die gleichstromgeoelektrischen Messungen wurden während der beiden Expeditionen ARK20-2 im Sommer 2004 in der Arktis sowie IRIS2005 im Frühjahr 2005 in der Ostsee durchgeführt. Am 2D-Messdatensatz einer Multielektroden-Anordnung über einen Presseisrücken in der Arktis (ARK20-2) wird die Prozessierung mittels DC2DInvRes bis zum endgültigen Modellergebnis anschaulich dargestellt. Es werden Bohr- und EM31-Daten zum Vergleich sowie zur endgültigen Spezifizierung des möglichen Bereichs der Grenze zwischen den Medien Meereis und Meerwasser herangezogen. Im Anschluß werden die 3D-Messdaten mehrerer Multielektroden-Profile über einen Presseisrücken in der Ostsee (IRIS2005) mittels DC2DTopo und DC3DTopo prozessiert und das Ergebnis mit Bohrdaten verglichen. In diesem Zusammenhang wird der Wertebereich der möglichen Eisdicken anhand des Kriteriums optimaler Korrelation bei minimaler Streuung zwischen den erbohrten und den geoelektrisch ermittelten Eisdicken eingeschränkt. Es folgt die Einführung eines Faktors f bzw. f _ der geoelektrischen Meereisdickenunterschätzung in Abhängigkeit von der wahren bzw. geoelektrisch ermittelten Eisdicke. Das endgültige Inversionsergebnis wird durch Streckung der Modellzellen mit dem Faktor 1/f erhalten. Anhand der endgültigen Inversionsergebnisse für die beiden Presseisrücken aus ARK20-2 bzw. IRIS2005 konnte die Meereisdicke bis auf eine Ungenauigkeit von 1 m bzw. 2 m bestimmt werden. Aus dem Vergleich der Inversionsergebnisse von ARK20-2 und IRIS2005 wird ersichtlich, dass die geoelektrische Bestimmung der Meereisdicke stark von der Jahreszeit, dem Alter des Eises und vom Widerstandskontrast zwischen Meereis und Meerwasser abhängt. Die Schlussfolgerungen aus den Inversionsergebnissen von ARK20-2 bzw. IRIS2005 können demnach nur bezüglich mehrjährigen, sommerlichen Presseises bzw. sehr jungen, winterlichen Presseises verallgemeinert und übertragen werden.Zuletzt wird das Inversionsergebnis der Messdaten aus der Ostsee mit den Meereisdicken verglichen, die sich durch ein hubschraubergestütztes elektromagnetisches Messverfahren ergeben. Dieses unterschätzt die Mächtigkeit von Presseis. Es wird ein Lösungsansatz zur Behebung der elektromagnetischen Meereisdickenunterschätzung vorgeschlagen.

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