integrated geophysical approach for the detection and assessment of ground ice at Parsons Lake, Northwest Territories

Michael Angelopoulos, Wayne H. Pollard, Nicole Couture

In the proceedings of: GEO2010 Calgary: 63rd Canadian Geotechnical Conference & 6th Canadian Permafrost Conference

Session: M3-E

ABSTRACT: The mapping of ground ice distribution is fundamentally important for oil and gas development in the Arctic because the melting of ice within permafrost destabilizes the ground, which could lead to damage to infrastructure. Although borehole drilling provides accurate subsurface information, the process is expensive, time consuming, and only gives point samples. Alternative geophysical techniques like capacitively-coupled resistivity (CCR) and ground-penetrating radar (GPR), however, are non-destructive, relatively cheap, and surveys can be conducted over a large area. The success of geophysical tools in permafrost environments depends on the variations in physical properties between unfrozen/frozen materials and ice-rich/ice-poor sediments. Although GPR delineates structure and CCR quantifies subsurface electrical properties, the tools have rarely been used together in permafrost areas. In order to test the accuracy of the technology, this study correlates geophysical outputs with ground-truth data at four boreholes from Parsons Lake, a potential hydrocarbon development site in the Mackenzie Delta, NWT. Geophysical research was conducted in July 2009 and March 2010, and the borehole data is from March/April 2004. For three out of four boreholes, gravimetric ice content significantly controls electrical resistivity in winter at site-specific rates with 95% confidence. The R2 values are 0.46, 0.56, and 0.62. Hence, there are additional environmental factors that need to be considered to improve the regression model, such as salinity, unfrozen water content, and ice structure; we hope to quantify ice structure with GPR in the future. Summer geophysical data, however, correlated poorly with the winter borehole data, partially because of the likely influence of additional unfrozen water content in the shallow subsurface.

RÉSUMÉ: La détection de glace sous-terrain est fondamentalement important pour le développement de pétrole et de gaz dans l'Arctique, parce que la fonte de la glace dans le pergélisol déstabilise la terre, qui pourrait mener à des dommages aux infrastructures. Bien que les trous de forage fournissent des informations précises, le processus coûte cher, prend du temps, et donne seulement des échantillons de points. Les techniques géophysiques alternatives comme la résistivité électrique et le géoradar, cependant, sont non destructives, relativement bon marché, et peuvent être utilisées pour examiner une grande superficie. Le succès des outils géophysiques dans des environnements pergélisolées dépend des variations des propriétés physiques entre les matériaux dégelés/congelés et les sédiments riches en glace/pauvre en glace. Bien que le géoradar délimite la structure et que la résistivité mesure les propriétés électriques, ces outils ont rarement été utilisés ensemble dans des régions pergélisolées. Afin d'examiner l'exactitude de la technologie, cette étude corrèle les résultats géophysiques avec des données obtenues de quatre forages à Parsons Lake, un site potentiel de développement d'hydrocarbure dans le delta du Mackenzie, NWT. La recherche géophysique a s'est déroulé en juillet 2009 et mars 2010, et les données des forages ont été recueuillies en mars et avril 2004. Pour trois des quatre trous, le contenu gravimétrique de glace détermine de manière significative la résistivité électrique durant l'hiver avec une confiance de 95%. Les valeurs de R2 pour les trois trous sont 0.46, de 0.56, et 0.62. Par conséquent, il y a des facteurs environnementaux additionnels qui doivent être considérés pour améliorer le modèle de régression, tel que la salinité, l'eau dégelée, et la structure de glace; nous espérons mesurer ce dernier avec le géoradar à l'avenir. Les données géophysiques d'été, cependant, ne sont pas bien corrélées avec les données des forages en hiver, en raison probablement de l'influence de l'eau dégelée additionnelle dans la sous-surface peu profonde.

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