Optimization of Statistical Modeling Parameters for Geophysical Fields in Permafrost Conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study examines the geocryological environment of a site near Norilsk’s Nickel Plant slag dump. The rectangular area spans 600 by 1000 meters. The goal is to assess permafrost properties within the geological section. The section is analyzed using geophysical methods to depths of 15 meters, with data validation through boreholes averaging 15 meters, one reaching 20 meters. Sparse and heterogeneous data necessitate interpolation for continuous models. Interpolation algorithms, including a three-dimensional Bayesian approach, were used with parameter tuning for search radius, neighbors, and covariance function type. This approach accounts for soil property variability and improves spatial model accuracy. The study adapts methods for reliable geocryological modeling. Analysis uses ArcGIS Pro, employing the empirical Bayesian method with validation through borehole and geomorphological data. Key conclusions include a methodology integrating geophysical investigations and statistical processing for permafrost modeling. The three-dimensional approach better captures environmental variability and enhances accuracy, confirmed by borehole data. For instance, the seasonally thawed layer’s thickness identified through geophysics aligns with geomorphological and lithological features. A three-dimensional method, Bayesian Kriging 3D, was adapted for permafrost conditions. Parameters like covariance function type, partitioning scale, and neighbors were studied. This is the first evaluation of empirical Kriging’s effectiveness in this area. The results support infrastructure planning and resource management, demonstrating advanced geostatistical techniques’ applicability for Arctic permafrost modeling.

References

  1. Акимов А. Т., Клишес Т. М., Мельников В. П., Снегирев А. М. Электромагнитные методы исследований криолитозоны / Под ред. В. Д. Бадалова. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1988. 48 с.
  2. Ельцов И. Н., Оленченко В. В., Фаге А. Н. Электротомография в Российской Арктике по данным полевых исследований и трехмерного численного моделирования // Neftegaz.RU. 2017. № 2. С. 54-64.
  3. Ершов Э. Д. Общая геокриология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. 682 с.
  4. Судакова М. С., Брушков А. В., Великин С. А., Владов М. Л., Зыков Ю. Д., Неклюдов В. В., Оленченко В. В., Пушкарев П. Ю., Садуртдинов М. Р., Скворцов А. Г., Царев А. М. Геофизические методы в геокриологическом мониторинге // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2022. № 6.
  5. Шестернев Д. М., Омельяненко П. А. Повышение эффективности реализации инженерно-геофизических методов при исследовании грунтов криолитозоны // Вестник Забайкальского государственного университета. 2018. № 5. С. 1184-1196.
  6. Костицын В. И., Хмелевской В. К. Геофизика: учебник; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. Пермь, 2018. 428 с.
  7. Herring T., Lewkowicz A. G., Hauck C., et al. Best practices for using electrical resistivity tomography to investigate permafrost // Permafrost and Periglacial Processes. 2023. No. 34(4). Pp. 494-512.
  8. Яицкая Н. А., Бригида В. С. Геоинформационные технологии при решении трехмерных геоэкологических задач: пространственная интерполяция данных // Геология и геофизика Юга России. 2022. № 12(1). С. 162-173.
  9. Камбалин И.О., Кошурников А.В., Балихин Е.И. Роль цифровых моделей рельефа для увеличения точности геофизических исследований техногенного металлического загрязнения в условиях криолитозоны (На примере Норильского полигона) // Арктика и Антарктика. 2024. № 4. С. 13-23. doi: 10.7256/2453-8922.2024.4.71872 EDN: NKJSBV URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=71872
  10. Douglas T. A., Hiemstra C. A., Anderson J. E., et al. Recent degradation of interior Alaska permafrost mapped with ground surveys, geophysics, deep drilling, and repeat airborne lidar // The Cryosphere. 2021. No. 15(8). Pp. 3555-3571.
  11. Долгаль А. С., Муравина О. М., Аузин А. А., Пономаренко И. А., Груздев В. Н. Сферы применения современных статистических методов обработки геофизической информации // Вестник ВГУ. Серия: Геология. 2019. № 4. С. 79-84.
  12. Осипов В. В. Анализ методов создания цифровых моделей поверхностей // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 1. Ч. 2.: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса "ГЕО-Сибирь-2011", 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. Новосибирск: СГГА, 2011. С. 82-86.
  13. Vegter S., Bonnaventure P. P., Daly S., Kochtitzky W. Modelling permafrost distribution using the temperature at top of permafrost (TTOP) model in the boreal forest environment of Whatì // NT. Arctic Science. 2024. No. 10(3). Pp. 455-475.
  14. Treat C. C., Virkkala A.-M., Burke E., Bruhwiler L., Chatterjee A., Hayes D. J., et al. Permafrost carbon: progress on understanding stocks and fluxes across northern terrestrial ecosystems // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2024. No. 129(2).
  15. Карта четвертичных отложений: R-45 (Норильск). Государственная геологическая карта Российской Федерации. Третье поколение. Норильская серия. Карта четвертичных образований, масштаб: 1:1000000 / ред. В. А. Радько. М.: ФГБУ "ВСЕГЕИ", 2016.
  16. Падерин П. Г., Деменюк А. Ф., Назаров Д. В., Чеканов В. И. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Серия Норильская. Лист R-45 – Норильск. Объяснительная записка. СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2016.
  17. Jorgenson M. T., Grosse G. Remote sensing of landscape change in permafrost regions: progress, challenges, and opportunities // Permafrost and Periglacial Processes. 2022. No. 33(4). Pp. 429-447.
  18. Overduin P. P., Wegner C., Kassens H., et al. Subsea permafrost dynamics and coastline retreat in the Arctic shelf: statistical modeling of observations // Geosciences. 2021. No. 11(12). Pp. 505.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).