Influences of Snow Cover on Thermal and Mechanical Processes in steep Permafrost Rock Walls

Abstract

Degradation of rock permafrost can cause instability due to influences on rock- and ice-mechanical properties. Permafrost conditions can be altered by thermal processes and, thus, also mechanical properties of rocks. Snow cover controls the seasonal occurrence of thermal processes.<br /> A conceptual approach is presented to explain snow cover influences on steep permafrost rock walls. This approach combines snow cover with thermal and mechanical processes. To support the conceptual approach, empirical data is presented to evaluate snow cover, the thermal and the mechanical regime. A combination of temperature data loggers, photos of automatic cameras and avalanche probe measurements allows the reconstruction of the temporal and spatial development of snow cover. Four snow stages can be distinguished and an overall cooling effect derived. <br /> In laboratory measurements, p-wave velocities of 22 different alpine rocks are tested and the influence of ice pressure on seismic velocities is evaluated. P-wave velocity increases dependent on lithology due to freezing and increase is dominated by an increase of the velocity of the rock matrix due to ice pressure. These findings are incorporated into a novel time-average equation and provide the basis for the applicability of refraction seismics in permafrost rock walls. <br /> The influence of snow cover on the thermal regime was investigated with the use of Seismic Refraction Tomography (SRT), Electrical Resistivity Tomography (ERT) and thermal modelling. Long lasting snow cover in 2013 delayed heat transport processes by insulating the underground and prevented active-layer thaw while snow cover absence resulted in deep thawing in 2012. Thus, snow cover plays a key role of permafrost evolution on slope facet scale. <br /> Snow cover is the main controlling factor of discontinuity movement and rock decay. The snow cover controls the occurrence of thermal expansion/contraction and volumetric expansion as it prevents these processes, while favouring ice segregation due to isolation. Volumetric expansion increases short-term cryostatic pressure, whereas ice segregation leads to seasonal cryostatic pressure. Active-layer thaw decreases shear strengths during summer and increases instability seasonally. <br /> The conceptual approach explains rock stability on seasonal and system scale. Therefore, this study delivers the basis in the understanding of stability of permafrost rock walls.

<strong>Einflüsse der Schneedecke auf thermale und mechanische Prozesse in steilen Permafrost-Felswänden </strong><br /> Die Degradation von Fels-Permafrost kann durch den Einfluss auf fels- und eismechanische Eigenschaften Felsinstabilität verursachen. Thermale Prozesse können die Permafrost-Bedingungen verändern und dadurch auch die mechanischen Eigenschaften von Felsen. Die Schneedecke kontrolliert das saisonale Auftreten dieser thermalen Prozesse.<br /> Ein konzeptioneller Ansatz wird vorgestellt, um den Einfluss der Schneedecke auf steile Permafrost-Felswände zu erklären. Dieser Ansatz kombiniert die Schneedecke mit thermalen sowie mechanischen Prozessen. Um den konzeptionellen Ansatz zu belegen, werden empirische Daten zur Schneebedeckung, zum thermalen und mechanischen Regime ausgewertet. Die Kombination von Temperaturdatenloggern, automatischen Kamerafotos sowie Lawinensonden-Messungen ermöglicht die Rekonstruktion der zeitlichen und räumlichen Schneedeckenentwicklung. Vier Schneephasen können unterschieden werden und ein überwiegend kühlender Effekt abgeleitet werden.<br /> In Labormessungen wurden P-Wellengeschwindigkeiten an 22 alpinen Felsproben getestet und der Einfluss des Eisdrucks auf seismische Geschwindigkeiten evaluiert. P-Wellengeschwindigkeiten steigen in Abhängigkeit der Lithologie durch Gefrieren und dieser Anstieg wird dominiert durch einen vom Eisdruck verursachten Anstieg der Felsmatrixgeschwindigkeit. Diee Erkenntnisse sind in eine neue Durchschnittszeit-Gleichung eingeflossen und stellen die Basis für die Anwendung der Refraktionsseismik in Permafrost-Felswänden dar. <br /> Der Einfluss der Schneedecke auf das thermale Regime wurde mit Hilfe von Refraktionsseismik-Tomographie (SRT), elektrischer Widerstandstomographie (ERT) und thermaler Modellierung untersucht. Die lang anhaltende Schneebedeckung in 2013 verzögerte Wärmetransportprozesse durch Isolierung des Untergrundes und verhinderte das Auftauen der Auftauschicht während die Abwesenheit der Schneedecke 2012 zu tiefgründigem Auftauen führte. Die Schneedecke spielt folglich eine Schlüsselrolle in der Entwicklung des Permafrostes auf der Hang-Fazies-Skale. <br /> Die Schneedecke ist der Hauptkontrollfaktor von Trennflächenbewegungen und Felszersatz und kontrolliert das Auftreten thermaler Expansion/Kontraktion sowie Volumenexpansion. Sie verhindert diese Prozesse, während die Eissegregation durch die Isolierungswirkung des Schnees begünstigt wird. Volumenexpansion führt zum kurzfristigen Anstieg kryostatischen Drucks, wohingegen die Eissegregation zu einem saisonalem kryostatischen Druckanstieg führt. Das Auftauen der Auftauschicht verringert die Scherfestigkeiten im Sommer und verursacht saisonal Instabilität.<br /> Der konzeptionelle Ansatz erklärt Felsstabilität auf saisonaler wie auch Systemskale. Diese Studie liefert damit die Grundlage zum Verständnis der Felsstabilität in Permafrost-Felswänden.