2.5.1 Größenordnu
Ein- und mehrjährige arktisches Meereis ist in der sommerlichen Schmelzperiode mit Permeabilitäte zwischen 10" und
lO'^
m2 hoch- bis mittelpermeabel (Abb. 2.13, Abb. 2.14). In der Größenordnu ist die Meereispermeabilitä mit Permeabilitäte von Sandschüttunge oder Karstgesteinen vergleichbar. Fü hydraulische Gradienten, definiert als das Verhältni zwischen der Höhendifferen der Fluidpegelständ und ihrer lateralen Distanz, von 0.1 bis 0.5 werden damit Fluidbewegungen übe Distanzen auf der Meterskala mit Perkolationszeiten von Stunden möglichwas auf eine potentiell hohe Beweglichkeit der Flüssigphas währen der sommerlichen Schmelzperiode hinweist.
Die Permeabilitäte aus den Feld- und Labormessungen haben unterschiedliche Größenordnunge Zwar sind die Permeabilitätsstatistike in Abb.2.13 und 2.14 nicht direkt vergleichbar, da im Feld die Werte ausschließlic aus den Eismittenhorizonten eingehen, währen im Labor sie aber aus allen Horizonten stammen.
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Abb. 2.26: Feldmessung (Bohrlochrnethode) versus Labormessung (Dekan-Permearneter).
Die Labormessung wurde jeweils an dem direkt unterhalb der Lochbodenfläch angrenzenden Eiskernstüc von 6 cm Läng durchgeführt Mit eingezeichnet ist die fiktive Ausgleichsgerade fü gleiche Permeabilitätswert zwischen Feld- und Labormessung.
Doch zeigt auch der in Abb. 2.26 dargestellte Vergleich der Feldmessungen mit Labormessungen an Eiskernstücke direkt unterhalb der Sacklochfläche Abweichungen von ungefäh 2 Größenordnunge Im Feld wurden übe den gesamten Wertebereich höher Permeabilitäte als im Labor gemessen.
Aus der Fehlerabschätzun beider Meßverfahre lä sich eine Differenz von maximal einer Größenordnu mit einer Überschätzu der Permeabilitä im Feld und einer Unterschätzun im Labor erkläre (s. Abschn. 2.3.1.5, 2.3.2.2).
Eine zusätzlich Erklärungsmöglichke der Permeabilitätsunterschied bieten die verschiedenen Raumskalen und Anordnungen der beiden Meßverfahren So wird im Labor die Permeabilitä auf der Zentimeter- und im Feld auf der Dezimeterskala gemessen. Außerde ist im Labor eine serielle Schichtanordnung realisiert, in der die Schicht mit der niedrigsten Permeabilitä die Gesamtpermeabilitä bestimmt (GI. 2.17). Dagegen ist es im Feld eine gemischte parallele und serielle Anordnung, in der einzelne Durchlässigkeitspfad die Permeabilitä bestimmen. Der Einfluà des sogenannten Skaleneffekts auf die Permeabilitä wurde an kristallinen Gesteinen von Brace (1980, 1984) und Clauser (1 992) nachgewiesen und von Neumann (1990) interpretiert. Sie unterschieden zwischen Labormessungen auf der Skala von 1-10 cm, In-Situ-Bohrlochmessungen auf der Skala von 1-1 000 m und regionalen Messungen durch Tracertests und Erdbebenanalysen auf der Skala von 1-100 km. In den Datensätze beider
Autoren steigt die mittlere Permeabilitä mit dem Übergan von Labor- auf die Bohrlochskala um 3 Größenordnung an. Da sich die Größenskal um mehrere Größenordnung verschieben, muà in der Übertragun auf die beiden hier untersuchten Meßverfahre von geringeren Änderunge in der Permeabilitä ausgegangen werden, die jedoch trotzdem noch die Verschiebungen von 1 bis 2 Größenordnung erkläre könnten
Die mittleren Permeabilitäte aus der zentralen Arktis 1996 sind gegenübe denen aus der nördliche Laptevsee 1995 sowohl im Feld von 8 auf 4.0-1 0"1 m2 als auch im Labor von 7.7 auf 1.1 - 1 0'" m2 signifikant reduziert.
Die reduzierten Permeabilitäte lassen sich auf die unterschiedlichen Eis- und Wetterbedingungen währen der beiden Expeditionen zurückführ (Tabelle 1 .I). So sind die Messungen in der zentralen Arktis Überwiegen auf mehrjährige Eis niedriger Salinitä und unter niedrigeren Temperaturen durchgeführ worden. Die Porositä des Eises ist geringer als fü das einjährig Eis, wodurch mit dem gefundenen funktionalen Zusamenhang von k(n) mit GI. 2.20 sich auch die Permeabilitä reduziert.
Zum Vergleich mit Werten aus der Literatur steht bislang als einzig veröffentlicht Feldstudie zur Permeabilitä die Messung von Milne (1977) auf einer Sommerkampagne in die kanadische Arktis zur Verfügung Milne beobachtete an zwei verschiedenen Sacklöcher auf mehrjährige Eis die Pegelanstiege. Reanalysiert man seine Daten, so könne aus seinen Beobachtungen mit GI. 2.12 Permeabilitätswert von 1.7-10"10 und 3.9-10"10 m2 abgeleitet werden. Da die Bohrlöche keine seitliche Abdichtung hatten, sind die Permeabilitäte als obere Grenzwerte zu betrachten. Sie sind annähern gleich dem geometrischen Mittel der Messungen in der zentralen Arktis 1996 in mehrjährige Eis.
Reanalysierte Labormessungen an Neueis von Saito und Ono (1978) ergeben Permeabilitäte zwischen 1 O"I3 und 3-1 0'12 m2. Kasai und Ono (1 984) finden Werte zwischen 10"14 und 10"" m2 und Saeki et al. (1986) zwischen 10"
l3 und l O ' ^ m2. Sie stimmen in der Größenordnu mit den vorliegenen Labormessungen an Neueis überein
2.5.2 Heterogenitä und Anisotropie
Sommerliches, ein- und mehrjährige arktisches Meereis ist ein hydraulisch sehr heterogenes Medium. Messungen an verschiedenen Eisstationen belegen die Heterogenitä auf der Kilometerskala (Abb. 2.13, 2.14).
Profilmessungen an einzelnen Eiskernen belegen sie auf der Dezimeterskala (Abb. 2.23). Auf beiden Skalen umfaß der Wertebereich 5-6 Größenordnunge Der Wertebereich fü die Permeabilitäte von Neueis reduziert sich auf 2-3 Größenordnung und hat damit deutlich niedrigere Streuweiten (Abb. 2.14).
Die hydraulische Heterogenitä des Meereises wird maßgeblic durch die Variabilitä in der effektiven Porositä verursacht. Die effektiven Porositäte in ein- und mehrjährige Eis Überdeckte 3 Größenordnunge die des
effektiver Porositä beschreiben
(GI.
2.18, 2.20). Dabei ist fü Neueis der Exponent mit 3.9 zu 1.6 mehr als doppelt so hoch als der fü ein- und mehrjährige Eis. Die unterschiedlichen k(neff)-Relationen deuten auf zwei verschiedene Evolutionsmechanismen des Porenraums hin. Sie werden im Rahmen der Anwendung des Porenraummodells in Abschn. 2.7.4 diskutiert.Neben der effektiven Porositä nimmt die mikroskopische Porenraumstruktur Einfluà auf die Permeabilität Dies läà sich aus der Streuung der Daten in den k(neff)-Relationen vermuten. So existieren Datenpaare mit gleicher Porositä
aber um 2 Größenordnung unterschiedlicher Permeabilitat (Abb. 2.1 9). Ein höhere großporige Anteil erhöh die Permeabilität Der großporig Anteil ist wie der gesamte Porenraum durch die Bedingungen währen des Eiswachstums festgelegt und im Laufe der saisonalen Zyklen durch Drainage- , Schmelz-, und Rekristallisierung Veränderunge unterworfen. Die direkte Auswirkung der strukturverändernde Prozesse auf die Permeabilitä lieà sich mit den hier vorgestellten Messungen nur bedingt nachweisen. In den Eistankexperimenten reduzierten Untereisströmunge währen der Wachstumsphase zwar die mittlere Korngröà der Eiskristalle beträchtlich doch blieb die Permeabiltätserniedrigun unterhalb von einer Größenordnu (Abb. 2.24). Am Oberflächenei konnte festgestellt werden, da die Permeabilitä mit dem Eisalter abnimmt (Abb. 2.22). Diese Tendenz wird neben Strukturveränderunge natürlic auch durch die Abnahme der Porositä bei fortschreitender Entsalzung gestützt
Die Weitungsexperimente mit temperierter Meßflüssigke könne als Simulation einer Schmelzwasserperkolation ohne Gefrieroption interpretiert werden. Unberücksichtig sind darin Porenraumveränderungen die aufgrund von Sälinitätsdifferenz zwischen den Soleschichten und perkolierender Sole auftreten, da nicht Sole sondern Dekan den Porenraum füllt Die Experimente zeigen, da die Perkolation von temperiertem Dekan die Permeabilitä des Eises diskontinuierlich verändert Der Wärmeflu ins Eis ist durch die Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Eis bestimmt. Sie erhöh sich in den Versuchen gleichmäßi so da davon ausgegangen werden kann, da sich auch das Porenraumvolumen innerhalb der Perkolationsphase kontinuierlich erhöht Daraus folgt, da der k(n)-Zusammenhang Sprungstellen aufweisen muß Die Permeabilitätssprün tragen mit zu der gemessenen Streuung der Datenpunkte in der k(n)-Abhängigkei bei. Jedoch sind die Permeabiltätsänderung in den Weitungsexperimenten mit einem Faktor von 2 bis 3 im Vergleich zu den gemessenen Differenzen von 2 Größenordnung fü gleiche Porositäte relativ klein.
Zur Charakterisierung impermeabler Schichten kann keine kritische Porositä
angegeben werden, unterhalb der das Eis impermeabel ist. Auch hier spielen die struktu~erändernde Prozesse, vor allem das Ausfrieren von Schmelzwasser im Drainagesystem, eine entscheidende Rolle. Die PGV der impermeablen Schichten ist dabei gekennzeichnet durch das fast vollständig Fehlen des großporige Anteils der Drainagestruktur oberhalb von 1 m m Porenweite (Abb. 2.21). Die Vermutung liegt nahe, da perkolierendes
Schmelzwasser in den Drainagestrukturen ausfriert und die dominanten Durchflußpfad verschließt Einerseits ist der Salzgehalt des Schmelzwassers in ein- und mehrjährige Eis gering, so da im Sommer innerhalb eines positiven vertikalen Temperaturgradienten das Schmelzwasser in tieferen Eishorizonten gefrieren kann. Andererseits baut sich aufgrund hoher Schmelzraten und Tümpelbildun ein ausreichend hoher hydrostatischer Druck auf, um Anteile des Wassers in den Porenraum perkolieren zu lassen.
Die durch das Ausfrieren von Schmelzwasser bedingten impermeablen Schichten sind gegenübe nachfolgenden Temperaturerhöhunge nicht reversibel. Die in mehrjährige Eis beobachteten impermeablen Schichten könne demnach in vorherigen Wärmeperiode entstanden sein. Anders verhäl sich Eis, das durch Kühlun bis unter die Ausfällungstemperatu von Natriumchlorid (-22.g°C impermeabel geworden ist. Hier weitet eine nachfolgende Erwärmun den Porenraum wieder. Damit erklär sich auch, warum das Eis nach einer Wintersaison im darauffolgenden Sommer ähnlich hydraulische Eigenschaften hat. Die Messungen belegen, da mehrjährige Eis hydraulisch leitend bleibt. Die fehlende Identifizierbarkeit von effektiv impermeablen Zonen in den Feldmessungen deutet darauf hin, da die impermeablen Zonen der Mittenhorizonte im Sommer in ihrer räumliche Ausdehnung unterhalb der Dezimeterskala beschränk sind bzw. dünne horizontal verlaufende Schichten bilden und sich in ihrer Näh immer auch einzelne Durchlässigkeitspfad befinden müssen
Meereis ist hydraulisch anisotrop. So wurde fü säulige Eis der größ richtungsabhängig Unterschied in den Permeabilitäte gemessen (Abb. 2.15). Er läà sich auf den anisotropen Aufbau des Primär und Sekundärporenraume zurückführe Die bevorzugte Durchlässigkei herrscht in vertikaler Richtung, der Hauptentwicklungsrichtung des Drainagesystems.
Regeln sich die C-Achsen darübe hinaus lateral in eine Vorzugsrichtung ein, wie es fü arktisches Festeis unter Einwirkung stationäre Untereisströmunge bekannt ist (Weeks und Ackley, 1986), so tritt auch eine laterale Anisotropie in der hydraulischen Durchlässigkei auf. Sie ist allein durch die Ausrichtung der Soleschichten, also durch die Anisotropie des Primarporenraumes bestimmt.
An einer Eisprobe mit ausgeprägte Primarporenanisotropie wurden laterale Unterschiede in der Permeabilitä um einen Faktor 6 gemessen (Abb. 2.1 5b).
Im Vergleich zur vertikalen Anisotropie von 2 Größenordnung sind sie zwar klein, jedoch nicht vernachlässigbar Auch fü teilverfestigte, metallische Legierungen, die in ihrem dendritischen Aufbau dem säulige Eis geometrisch ähnlic sind, sind Anisotropien zwischen lateraler und vertikaler Permeabilitä bekannt. Nasser-Rafi et al. (1985) zitieren in ihrer Arbeit vergleichbare Werte fü die Unterschiede der richtungsabhängige Permeabilitäte von ungefäh einer Größenordnun
Die Anisotropien von granularem Eis und Eis aus drainierten Preßeisrücke regionen mit Porositäte übe 0.4 sind deutlich geringer ausgeprägt Das Eis ist annähern isotrop. Die Unterschiede in den richtungsabhängige Permeabilitäte reduzieren sich auf Werte unterhalb einer Größenordnun Neben den vornehmlich vertikal ausgerichteten Drainagessystemen muà demnach fü diesen Eistyp der Porenraum in gleicher Größenordnu auch in horizontaler Richtung geweitet und verbunden sein.