Detection of subsurface permafrost features with ground‐penetrating radar, Barrow, Alaska

Abstract

A ground‐penetrating radar (GPR) survey was conducted in May 1999 on the 1 km2 Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) grid 5 km east of Barrow, Alaska. Spatially continuous measurements were collected along established transects while the active layer remained frozen. The primary objectives were to determine the ‘long‐term’ position of the permafrost table, to recognize ice wedges and ice lenses, and to locate the organic–mineral soil interface. GPR signal and core collection were performed in tandem to verify signal interpretation, to calibrate the instrument, and to determine optimal GPR data‐collection parameters. Two‐way travel times from the antenna to subsurface reflectors were compared with measured depths obtained from soil cores to estimate an average pulse propagation velocity of 0.13 m/ns through the frozen soil. The most conspicuous subsurface reflectors were ice wedges, which gave high‐amplitude hyperbolic reflections. Owing to its higher ice content, the approximate long‐term position of the permafrost table could be traced laterally across the profile. Radar interpretations were obscured by the effects of cryoturbation, and because some horizons lack sufficient contrast in electrical properties. Highly detailed information can be obtained by collecting radar data at relatively slow speeds of advance, by using faster scanning rates (>32 scans/s), and by employing high‐frequency antennas (>400 MHz). Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.RÉSUMÉUn levé réalisé avec un radar dont les ondes pénètrent dans le sol a été réalisé en mai 1999 sur un km2 appartenant à la grille établie pour suivre l'évolution de la couche active circumpolaire (CALM), 5 km a l'est de Barrow, Alaska. Des mesures ont été réalisées le long de transects alors que la couche active était gelée. Les premiers objectifs étaient de déterminer la position à long terme de la table du pergélisol, de reconnaître les coins et les lentilles de glace, et de localiser le contact entre les sols organiques et minéraux. Les données radar et des carottes de sondages ont été recueillies au même moment pour vérifier l'interprétation des données radar, calibrer l'instrument et déterminer les meilleurs paramètres d'enregistrement. Deux facons de calculer les temps de parcours depuis l'antenne jusqu'aux réflecteurs souterrains ont été comparés avec des mesures obtenues par sondages, pour estimer une vitesse moyenne de propagation de 0.13 m/ns à travers le sol gelé. Les réflecteurs les plus apparents ont été les coins de glace qui donnent des réflexions hyperboliques de grande amplitude. En raison de leur haute teneur en glace, la position approximative à long terme de la table du pergélisol a pu être reconnue le long des profils. Les interprétations sont obscurcies par les effects des cryoturbations et aussi, parce que certains horizons n'ont pas un contraste suffisant dans leurs propriétés électriques. Une information hautement détaillée peut être obtenue par la méthode radar en utilisant des vitesses lentes d'avancée, de rapides vitesses de scannages (>32 scans/s) et en utilisant des antennes de hautes fréquence (>400 MHz). Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.

Geophysical mapping of palsa peatland permafrost

“…The GPR data worked well for identifying the permafrost table with high confidence, especially in the top 2 m where sediment cores could be easily obtained for validation and signal velocity estimates. This suitability of GPR for identifying permafrost interfaces in the top 1-2 m has been shown in several studies (e.g., Doolittle et al, 1992;Hinkel et al, 2001;Moorman et al, 2003). The ERT data, using the setup in this study, do not yield data in the uppermost part of the ground and also have higher uncertainty where resistivity contrasts are high (Fig.…”

“…Ground penetrating radar (GPR) has been used extensively in permafrost studies for identifying the boundaries of permafrost (e.g., Arcone et al, 1998;Doolittle et al, 1992;Hinkel et al, 2001;Moorman et al, 2003), characterizing ground ice structures (De Pascale et al, 2008;Hinkel et al, 2001;Moorman et al, 2003), and estimating seasonal thaw depth and moisture content of the active layer (Gacitua et al, 2012;Westermann et al, 2010). Electrical resistivity tomography (ERT) has also been widely applied in permafrost studies (Hauck et al, 2003;Ishikawa et al, 2001;Kneisel et al, 2000), the majority of which focus on mountain permafrost.…”

Comparison of geophysical investigations for detection of massive ground ice (pingo ice)

“…This presents a useful distinction to enable the study of permafrost and to characterize areas of permanently frozen ground [Scott et al, 1990;Dallimore and Davis, 1992;Moorman et al, 2003]. Thus, geophysical techniques are widely accepted in permafrost and periglacial process studies such as those of the active layer [Doolittle et al, 1990;Hinkel et al, 2001], rock glaciers [e.g., Vonder Mühll and Schmid, 1993;F. Lehmann et al, unpublished manuscript, 1999], palsas [Doolittle et al, 1992], and pingos [Kovacs and Morey, 1985;Ross et al, 2005].…”

High‐resolution seismic and ground penetrating radar–geophysical profiling of a thermokarst lake in the western Lena Delta, Northern Siberia

“…These activities complement shallow seismic (Chirp) measurements collected as a presurvey of the sediment fill in the preceding summer season (see Figure 1). GPR sounding is an established technique for permafrost investigations (Annan and Davis, 1976;Arcone et al, 1998;Judge et al, 1991;Robinson et al, 1997;Hinkel et al, 2001), active layer surveys (Doolittle et al, 1990) and lake-sediment profiling (Mellet, 1995). Mellet (1995) and Moorman and Michel (1997) have shown the potential of the GPR method for surveying sediments through a lake-ice cover.…”