Fabian Kneier

• During lower sea levels in glacial periods, deep permafrost formed on large continental shelf areas of the Arctic Ocean. Subsequent sea level rise and coastal erosion created subsea permafrost, which generally degrades after inundation under the influence of a complex suite of marine, near-shore processes. Global warming is especially pronounced in the Arctic, and will increase the transition to and the degradation of subsea permafrost, with implications for atmospheric climate forcing, offshore infrastructure, and aquatic ecosystems. This thesis combines new geophysical, borehole observational and modelling approaches to enhance our understanding of subsea permafrost dynamics. Three specific areas for advancement were identified: (I) sparsity of observational data, (II) lacking implementation of salt infiltration mechanisms in models, and (III) poor understanding of the regional differences in key driving parameters. This study tested the combination of spectral ratios of the ambient vibration seismic wavefield, together withDuring lower sea levels in glacial periods, deep permafrost formed on large continental shelf areas of the Arctic Ocean. Subsequent sea level rise and coastal erosion created subsea permafrost, which generally degrades after inundation under the influence of a complex suite of marine, near-shore processes. Global warming is especially pronounced in the Arctic, and will increase the transition to and the degradation of subsea permafrost, with implications for atmospheric climate forcing, offshore infrastructure, and aquatic ecosystems. This thesis combines new geophysical, borehole observational and modelling approaches to enhance our understanding of subsea permafrost dynamics. Three specific areas for advancement were identified: (I) sparsity of observational data, (II) lacking implementation of salt infiltration mechanisms in models, and (III) poor understanding of the regional differences in key driving parameters. This study tested the combination of spectral ratios of the ambient vibration seismic wavefield, together with estimated shear wave velocity from seismic interferometry analysis, for estimating the thickness of the unfrozen sediment overlying the ice-bonded permafrost offshore. Mesoscale numerical calculations (10^1 to 10^2 m, thousands of years) were employed to develop and solve the coupled heat diffusion and salt transport equations including phase change effects. Model soil parameters were constrained by borehole data, and the impact of a variety of influences during the transgression was tested in modelling studies. In addition, two inversion schemes (particle swarm optimization and a least-square method) were used to reconstruct temperature histories for the past 200-300 years in the Laptev Sea region in Siberia from two permafrost borehole temperature records. These data were evaluated against larger scale reconstructions from the region. It was found (I) that peaks in spectral ratios modelled for three-layer, one-dimensional systems corresponded with thaw depths. Around Muostakh Island in the central Laptev Sea seismic receivers were deployed on the seabed. Derived depths of the ice-bonded permafrost table were between 3.7-20.7 m ± 15 %, increasing with distance from the coast. (II) Temperatures modelled during the transition to subsea permafrost resembled isothermal conditions after about 2000 years of inundation at Cape Mamontov Klyk, consistent with observations from offshore boreholes. Stratigraphic scenarios showed that salt distribution and infiltration had a large impact on the ice saturation in the sediments. Three key factors were identified that, when changed, shifted the modelled permafrost thaw depth most strongly: bottom water temperatures, shoreline retreat rate and initial temperature before inundation. Salt transport based on diffusion and contribution from arbitrary density-driven mechanisms only accounted for about 50 % of observed thaw depths at offshore sites hundreds to thousands of years after inundation. This bias was found consistently at all three sites in the Laptev Sea region. (III) In the temperature reconstructions, distinct differences in the local temperature histories between the western Laptev Sea and the Lena Delta sites were recognized, such as a transition to warmer temperatures a century later in the western Laptev Sea as well as a peak in warming three decades later. The local permafrost surface temperature history at Sardakh Island in the Lena Delta was reminiscent of the circum-Arctic regional average trends. However, Mamontov Klyk in the western Laptev Sea was consistent to Arctic trends only in the most recent decade and was more similar to northern hemispheric mean trends. Both sites were consistent with a rapid synoptic recent warming. In conclusion, the consistency between modelled response, expected permafrost distribution, and observational data suggests that the passive seismic method is promising for the determination of the thickness of unfrozen sediment on the continental Arctic shelf. The quantified gap between currently modelled and observed thaw depths means that the impact of degradation on climate forcing, ecosystems, and infrastructure is larger than current models predict. This discrepancy suggests the importance of further mechanisms of salt penetration and thaw that have not been considered – either pre-inundation or post-inundation, or both. In addition, any meaningful modelling of subsea permafrost would have to constrain the identified key factors and their regional differences well. The shallow permafrost boreholes provide missing well-resolved short-scale temperature information in the coastal permafrost tundra of the Arctic. As local differences from circum-Arctic reconstructions, such as later warming and higher warming magnitude, were shown to exist in this region, these results provide a basis for local surface temperature record parameterization of climate and, in particular, permafrost models. The results of this work bring us one step further to understanding the full picture of the transition from terrestrial to subsea permafrost.…
• Als zu glazialen Zeiten der Meeresspiegel niedriger lag, konnte sich tiefer Permafrost (Dauerfrostboden) in weiten Teilen der Kontinentalschelfgebiete des arktischen Ozeans bilden. Durch den darauf folgenden Meeresspiegelanstieg und Küstenerosion wurde dieser überflutet und es entstand submariner Permafrost. Seit der Überflutung wird dieser durch eine Reihe komplexer mariner Prozesse in der küstennahen Zone degradiert. Die Klimaerwärmung ist in der Arktis besonders ausgeprägt, wodurch sich die Überflutung durch Küstenerosion sowie diese Degradationsprozesse in Zukunft weiter intensivieren werden. Dies wird weitreichende Konsequenzen für das Klimasystem (Freisetzung von Treibhausgasen), Offshore-Infrastruktur als auch aquatische Ökosysteme haben. Diese Dissertation kombiniert neue geophysikalische, Bohrlochbeobachtungs-basierte und Modellierungsansätze, um unser Verständnis der speziellen Dynamik des submarinen Permafrosts zu verbessern. Drei spezifische Bereiche wurden identifiziert, welche das derzeitige Verständnis zum submarinenAls zu glazialen Zeiten der Meeresspiegel niedriger lag, konnte sich tiefer Permafrost (Dauerfrostboden) in weiten Teilen der Kontinentalschelfgebiete des arktischen Ozeans bilden. Durch den darauf folgenden Meeresspiegelanstieg und Küstenerosion wurde dieser überflutet und es entstand submariner Permafrost. Seit der Überflutung wird dieser durch eine Reihe komplexer mariner Prozesse in der küstennahen Zone degradiert. Die Klimaerwärmung ist in der Arktis besonders ausgeprägt, wodurch sich die Überflutung durch Küstenerosion sowie diese Degradationsprozesse in Zukunft weiter intensivieren werden. Dies wird weitreichende Konsequenzen für das Klimasystem (Freisetzung von Treibhausgasen), Offshore-Infrastruktur als auch aquatische Ökosysteme haben. Diese Dissertation kombiniert neue geophysikalische, Bohrlochbeobachtungs-basierte und Modellierungsansätze, um unser Verständnis der speziellen Dynamik des submarinen Permafrosts zu verbessern. Drei spezifische Bereiche wurden identifiziert, welche das derzeitige Verständnis zum submarinen Permafrost maßgeblich einschränken, und in dieser Arbeit gezielt weiterentwickelt wurden: (I) Die spärliche Verfügbarkeit von Beobachtungsdaten, (II) die fehlende Implementation von Salzinfiltrationsmechanismen in Modelbeschreibungen und (III) das mangelnde Verständnis der regionalen Unterschiede von treibenden Einflußparametern. Hierfür wurde die Kombination spektraler Amplitudenverhältnisse der Umgebungsschwingungen im seismischen Wellenfeld (seismisches Hintergrundrauschen) mit der aus seismischer Interferometrie abgeschätzten Scherwellengeschwindigkeit zur Bestimmung der Mächtigkeit der aufgetauten Sedimentschicht oberhalb des eisgebundenen Permafrosts im Meeresboden getestet. Numerische Simulationen (auf der Skala von 10^1 bis 10^2 m, tausende Jahre) wurden zur Entwicklung und Lösung der gekoppelten Wärmeleitungs- und Salztransportgleichungen unter Berücksichtigung von Phasenübergängen angewandt. Hierbei wurden die Modelparameter zur Untergrundbeschaffenheit aus Bohrlochdaten bestimmt und die Auswirkungen verschiedener Parameter während der Meeresüberflutung untersucht. Zusätzlich wurden zwei Inversionsalgorithmen (Partikelschwarmoptimierung und ein Verfahren der kleinsten Quadrate) verwendet, um die Temperaturen der letzten 200-300 Jahre in der Laptewsee-Region in Sibirien anhand zweier Temperaturdatensätze aus Permafrostbohrlöchern zu rekonstruieren. Diese Daten wurden im Vergleich zu größerskaligen Rekonstruktionen aus der Region ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, (I) dass die Höchstwerte im spektralen Amplitudenverhältnis, die für den eindimensionalen Fall eines 3-Schicht-Systems modelliert wurden, mit der Auftautiefe zusammenhingen. Seismische Instrumente wurden auf dem Meeresboden um die Insel Muostakh, in der zentralen Laptewsee gelegen, ausgebracht. Die gefundenen Tiefen der eisgebundenen Permafrosttafel lagen zwischen 3.7-20.7 m ± 15 %, und nahmen mit zunehmender Entfernung zur Küste zu. (II) Die modellierten Temperaturen während des Übergangs zum submarinen Permafrost entsprachen ab etwa 2000 Jahren nach der Überflutung isothermischen Bedingungen bei Cape Mamontov Klyk, in Übereinstimmung zu den Beobachtungen in den Bohrlöchern. Stratigrafische Szenarien zeigten, dass die Salzverteilung und -infiltration großen Einfluß auf den Sättigungszustand des Poreneises im Sediment hatte. Drei Schlüsselfaktoren wurden identifiziert, welche, wenn diese verändert wurden, die modellierte Auftautiefe des Permafrosts am stärksten beeinflussten: Die Temperaturen am Meeresboden, die Küstenerosionsrate und die Anfangstemperatur zum Zeitpunkt der Überflutung. Salztransport unter Berücksichtigung von Diffusion und beliebigen dichte-getriebenen Mechanismen unterschätzte die beobachteten Auftautiefen um circa 50 % über hunderte bis tausende von Jahren nach der Überflutung. Diese Abweichung wurde konsistent an allen drei Untersuchungsstandorten in der Laptewsee-Region gefunden. (III) In den Temperaturrekonstruktionen wurden deutliche Unterschiede im lokalen Temperaturverlauf zwischen den Standorten in der westlichen Laptewsee und im Lena Delta festgestellt. Dazu gehörte ein Übergang zu wärmeren Temperaturen ein Jahrhundert später in der westlichen Laptewsee, sowie ein Maximum der Erwärmung drei Jahrzehnte später als im Lena Delta. Die lokale Permafrost-Oberflächentemperaturhistorie auf der Insel Sardakh im Lena Delta glich den zirkumarktischen mittleren Trends. Im Gegensatz dazu stimmte Mamontov Klyk in der westlichen Laptewsee nur im jüngsten Jahrzehnt mit den arktischen Trends überein und glich vielmehr dem mittleren Trend der Nordhemisphäre. Beide Standorte stimmten mit einer schnellen, synoptischen und kürzlichen Erwärmung überein. Abschließend lässt sich festhalten, dass auf Grund der Übereinstimmung zwischen modelliertem Verhalten, erwarteter Permafrostverteilung und Beobachtungsdaten die passiv-seismische Methode vielversprechend für die Dickebestimmung der ungefrorenen Sedimente im arktischen Meeresboden ist. Durch die hier quantifizierte Diskrepanz zwischen aktuell modellierter und beobachteter Auftautiefen wird klar, dass die Auswirkung der Degradation auf Klimaantrieb, Ökosysteme und Infrastruktur größer ist als dies von aktuellen Modellen vorhergesagt wird. Um diese Diskrepanz zu eliminieren, müssen weitere bisher unberücksichtigte Mechanismen der Salzeindringung und des Auftauens vor oder nach der Überflutung in zukünftigen Modellen mit einbezogen werden. Des weiteren folgt aus dieser Arbeit, dass Modellierungen des submarinen Permafrosts die hier identifizierten Schlüsselfaktoren und ihre regionalen Unterschiede berücksichtigen müssen, um ihre Aussagekraft sicher zu stellen. Die Permafrostbohrlöcher liefern bisher fehlende, auf kurzer Zeitskala gut-aufgelöste Temperaturinformationen in der arktischen Küstentundra. Da lokale Abweichungen von zirkumarktischen Rekonstruktionen in dieser Region nachgewiesen werden konnten, stellen die Ergebnisse eine Grundlage für lokale Temperaturverlaufs-Parametrisierungen in Klima- und insbesondere Permafrostmodellen zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen die Richtung für zukünftige Forschungs- und Modellierungsvorhaben und stellen einen wichtigen Schritt dar, um den Übergang von terrestrischem zu submarinem Permafrost zu verstehen.…