Applicability of frequency‐domain and time‐domain electromagnetic methods for mountain permafrost studies

Abstract The electromagnetic instruments EM‐31, GEM‐300 and PROTEM have been tested at various field sites during the PACE (Permafrost and Climate in Europe) project. In this paper the applicability of the different methods for permafrost studies in mountainous regions is evaluated and the results are compared with borehole data. The EM‐31 proved highly effective for mapping shallow permafrost and for active layer studies in various permafrost environments. The localities around each of the PACE boreholes were investigated for near‐surface heterogeneities. Results are presented as relative conductivity variations along the survey lines. Sensitivity studies concerning snow cover and instrument drift were also performed. The multi‐frequency instrument GEM‐300 was compared with the EM‐31 and showed good agreement for similar induction numbers (the relation between transmitter–receiver spacing, frequency and conductivity). However, care must be taken in choosing the appropriate frequency in GEM‐300 surveys, as the instrument response depends on the frequency as well as the ground resistivity. For high‐resistivity materials (e.g. rock glaciers with a high ice content), high frequencies (19,975 Hz with the GEM‐300 or the single‐frequency 9800 Hz for the EM‐31) are appropriate. In relatively low‐resistive material, resistivity variations with depth may lead to different responses for different frequencies. The time‐domain system PROTEM was used to determine permafrost depths. The exploration depth ranged between 100 and 300 m, depending on the upper layer resistivity. The results were especially encouraging for sites with a large contrast between the resistivity of the frozen and unfrozen layers (e.g. rock glaciers). Estimated permafrost thicknesses are in good agreement with borehole data. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd. RÉSUMÉ Les instruments électromagnétiques EM‐31, GEM 300 et PROTEM ont été testés en différents endroits dans le cadre du projet PACE (Pergélisol et Climat en Europe). Dans le présent article, l'application des différentes méthodes pour l'étude du pergélisol en montagne est évaluée et les résultats sont comparés avec les données des sondages. L'instrument EM‐31 s'est révélé hautement efficace pour cartographier le pergélisol superficiel et étudier la couche active dans différents environnements. Les zones proches de chaque sondage PACE ont été étudiées spécialement en ce qui concerne l'existence d'hétérogénéités proches de la surface. Les résultats sont présentés en terme de variation relative de conductivité selon les profils étudiés. Des études de sensibilité portant sur la couverture de neige et aussi sur la dérive des instruments ont été réalisées. L'instrument multifréquence GEM‐300 a été comparé avec le EM‐31 et a montré un bon accord pour des inductions similaires (en tenant compte de l'espacement de l'émetteur et du receveur, de la fréquence et de la conductivité). Toutefois, il faut être attentif à choisir la fréquence appropriée quand on utilise le GEM‐300 car la résponse de l'instrument dépend autant de la fréquence que de la résistivité du sol. Pour des matériaux hautement résistants (par exemple des glaciers rocheux avec une haute teneur en glace), de hautes fréquences (19975 Hz avec le GEM‐300 ou la fréquence simple de 9800 Hz avec le EM‐31) sont bien appropriées. Dans un matériau à faible résistivité, les variations de résistivité avec la profondeur peuvent donner des résponses différentes pour des fréquences différentes. Le système PROTEM a été utilisé pour déterminer les profondeurs du pergélisol. La profondeur d'exploration a atteint 100 à 300 m selon la résistivité des couches supérieures. Les résultats sont spécialement encourageants pour des sites où existe un grand contraste entre la résistivité des couches gelées et non gelées (par exemple, dans les glaciers rocheux). Les épaisseurs estimées du pergélisol sont en bon accord avec les données obtenues par les sondages. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.