Hydrogeoseismological Research in Kamchatka: 1977–2017

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

This paper is concerned with the main stages in the setting-up and technical development of a system specializing in physical and chemical parameters of groundwater at a network of wells and springs in the Petropavlovsk Geodynamic Test Area, Kamchatka. The focus is on a description of hydrogeochemical and hydrogeodynamic precursors to Kamchatka earthquakes (Мw = 6.6‒7.8) that occur a few weeks to a few months before a seismic event, manifesting themselves in anomalous changes in chemical composition and groundwater level. The precursors are discussed in application to their use at specialized councils on earthquake prediction. It is shown that the system of automated observation of groundwater parameters at wells as developed at the Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences (KB GS RAS) is capable of identifying hydrogeodynamic precursors of water-level in near real time and of providing, in some particular cases, quantitative estimates of pre-seismic and coseismic deformation of water-saturated rocks. This can be useful in geophysical monitoring and intermediate-term prediction of strong earthquakes for the Kamchatka region.

Full Text

Restricted Access

About the authors

G. N. Kopylova

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gala@emsd.ru
Russian Federation, bul'var Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatskii, 683006 Russia

S. V. Boldina

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences

Email: gala@emsd.ru
Russian Federation, bul'var Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatskii, 683006 Russia

References

  1. Багмет А.Л., Багмет М.И., Барабанов В.Л. и др. Исследование земноприливных колебаний уровня подземных вод на скважине “Обнинск” // Физика Земли. 1989. № 11. С. 84–95.
  2. Болдина С.В., Копылова Г.Н. Косейсмические эффекты сильных камчатских землетрясений 2013 г. в изменениях уровня воды в скважине ЮЗ-5 // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 2. Вып. № 30. С. 66–76.
  3. Болдина С.В., Копылова Г.Н. Эффекты Жупановского землетрясения 30 января 2016 г., Мw = 7.2, в изменениях уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1, Камчатка // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8. № 4. С. 863–880. doi: 10.5800/GT-2017-8-4-0321.
  4. Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты. М.: Наука, 2009. 328 с.
  5. Киссин И.Г., Пиннекер Е.В., Ясько В.Г. Подземная гидросфера и сейсмические процессы // Основы гидрогеологии. Т. 4. Геологическая деятельность и история воды в земных недрах. Новосибирск: Наука, 1982. С. 57–78.
  6. Копылова Г.Н. Анализ влияния сейсмичности на режим Пиначевских термопроявлений на Камчатке (по результатам наблюдений в 1979-1988 гг.) // Вулканология и сейсмология. 1992. № 2. С. 3–18.
  7. Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине Елизовская-1, Камчатка, вызванные сильными землетрясениями (по данным наблюдений в 1987–1998 гг.) // Вулканология и сейсмология. 2001. № 2. С. 39–52.
  8. Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка, вызванные землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2006. № 6. С. 52–64.
  9. Копылова Г.Н. Сейсмичность как фактор формирования режима подземных вод // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2006а. № 1. Вып. № 7. С. 50–66.
  10. Копылова (Гриц) Г.Н. Эффекты сейсмичности в режиме подземных вод (на примере Камчатского региона) // д/я. ... доктора геол.-мин. наук по специальности 25.00.07 – Гидрогеология. г. Петропавловск-Камчатский, 2010. 219 с.
  11. Копылова Г.Н. О вероятностном среднесрочном прогнозе сильных землетрясений Камчатки и параметризации предвестников // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Четвертой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 29 сентября – 5 октября 2013 г. Обнинск: ГС РАН, 2013. С. 382–386.
  12. Копылова Г.Н. Гидрогеосейсмологические исследования на Камчатке: 1977–2017 гг. // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Шестой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 1–7 октября 2017 г. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С. 16–19.
  13. Копылова Г.Н., Болдина С.В. О механизме гидрогеодинамического предвестника Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 г., Мw = 7.8 // Тихоокеанская геология. 2012. Т. 31. № 5. С. 104–114.
  14. Копылова Г.Н., Болдина С.В. Аномальные изменения химического состава подземных вод в связи с Камчатским землетрясением 02.03.1992 г. (Мw = 6.9) // Геофизические исследования. 2012а. Т. 13. № 1. С. 39–49.
  15. Копылова Г.Н., Болдина С.В. О связи изменений уровня воды в скважине Е-1, Восточная Камчатка, с активизацией вулкана Корякский в 2008–2009 гг. и сильными (М ≥ 5) землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2012б. № 5. С. 41–54. doi: 10.1134/S074204631205003X.
  16. Копылова Г.Н., Воропаев П.В. Процессы формирования постсейсмических аномалий химического состава термоминеральных вод // Вулканология и сейсмология. 2006. № 5. С. 42–48.
  17. Копылова Г.Н., Сизова Е.Г. О предвестнике землетрясений, проявляющемся в изменениях уровня воды в скважине Е-1, Камчатка // Вулканизм и связанные с ним процессы. Материалы конференции, посвященной Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2012. С. 116–125.
  18. Копылова Г.Н., Смолина Н.Н. Изменения уровня воды в скважинах Камчатки в период Олюторского землетрясения 20.04.2006 г., Мw = 7.6 // Вулканология и сейсмология. 2010. № 3. С. 36–49.
  19. Копылова Г.Н., Таранова Л.Н. Сигналы синхронизации в изменениях химического состава подземных вод Камчатки в связи с сильными (Мw ≥ 6.6) землетрясениями // Физика Земли. 2013. № 4. С. 135–144.
  20. doi: 10.7868/S0002333713040066.
  21. Копылова Г.Н., Куликов Г.В., Тимофеев В.М. Оценка состояния и перспективы развития гидрогеодеформационного мониторинга сейсмоактивных регионов России // Разведка и охрана недр. 2007. № 11. С. 75– 83.
  22. Копылова Г.Н., Сугробов В.М., Хаткевич Ю.М. Особенности изменения режима источников и гидрогеологических скважин Петропавловского полигона (Камчатка) под влиянием землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1994. № 2. С. 53–37.
  23. Копылова Г.Н., Болдина С.В., Смирнов А.А., Чубарова Е.Г. Опыт регистрации вариаций уровня и физико-химических параметров подземных вод в пьезометрических скважинах, вызванных сильными землетрясениями (на примере Камчатки) // Сейсмические приборы. 2016. № 4. С. 43–56. doi: 10.21455/si2016.4-4.
  24. Копылова Г.Н., Стеблов Г.М., Болдина С.В., Сдельникова И.А. О возможности оценок косейсмической деформации по данным уровнемерных наблюдений в скважине // Физика Земли. 2010. № 1. С. 51–61. doi: 10.1134/S1069351310010040.
  25. Копылова Г.Н., Болдина С.В., Смолина Н.Н. и др. Гидрогеосейсмические вариации уровня воды в пьезометрических скважинах Камчатки (по данным наблюдений 1987–2011 гг.) // Сейсмологические и геофизические исследования на Камчатке. К 50-летию детальных сейсмологических наблюдений / Под ред. Е.И. Гордеева, В.Н. Чеброва. Петропавловск-Камчатский: Новая книга, 2012. С. 236–269.
  26. Копылова Г.Н., Гусева Н.В., Копылова Ю.Г., Болдина С.В. Химический состав подземных вод режимных водопроявлений Петропавловского геодинамического полигона, Камчатка: типизация и эффекты сильных землетрясений // Вулканология и сейсмология. 2018. № 4. С. 43–62.
  27. Левина В.И., Гусев А.А., Павлов В.М. и др. Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г. с Мw = 7.8, I0 = 8 (Камчатка) // Землетрясения Северной Евразии в 1997 г. Обнинск: ГС РАН, 2003. С. 251–271.
  28. Манухин Ю.Ф. Влияние землетрясений на динамику термальных вод Камчатки // Тезисы докладов IX совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, Петропавловск-Камчатский, 1979. С. 135.
  29. Медведев С.В., Шпонхойер В., Карник В. Шкала сейсмической интенсивности MSK-64. М.: МГК АН СССР, 1965. 11 с.
  30. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979. 388 с.
  31. Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент // Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9–27.
  32. Сильные камчатские землетрясения 2013 года / Под ред. В.Н. Чеброва. Петропавловск-Камчатский: Холд. комп. “Новая книга”, 2014. 252 с.
  33. Уломов В.И., Мавашев Б.З. О предвестнике сильного тектонического землетрясения // Докл. АН СССР. № 2. 1967. Т. 176. С. 319–321.
  34. Хаткевич Ю.М. О возможности среднесрочного прогноза землетрясений интенсивностью свыше пяти баллов, проявляющихся в г. Петропавловске-Камчатском // Вулканология и сейсмология. 1994. № 1. С. 63–67.
  35. Хаткевич Ю.М., Рябинин Г.В. Гидродинамические и гидрогазохимические вариации параметров режима подземных вод в периоды подготовки и реализации Кроноцкого землетрясения 05.12.1997 г. // Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 г. Предвестники, особенности, последействия. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГАРФ, 1998. С. 134–147.
  36. Хаткевич Ю.М., Рябинин Г.В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке // Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки. Петропавловск-Камчатский: Камчатский печатный двор, 2004. С. 96–112.
  37. Чебров В.Н., Салтыков В.А., Серафимова Ю.К. Прогнозирование землетрясений на Камчатке. По материалам работы Камчатского филиала Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска в 1998–2009 гг. М.: Светоч Плюс, 2011. 304 с.
  38. Чебров В.Н., Кугаенко Ю.А., Абубакиров И.Р. и др. Жупановское землетрясение 30.01.2016 г. с КS = 15.7, MW = 7.2, I = 6 (Камчатка) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 1. Вып. 29. С. 5–16.
  39. Фирстов П.П., Копылова Г.Н., Соломатин А.В., Серафимова Ю.К. О прогнозировании сильного землетрясения в районе полуострова Камчатка // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 4. Вып. 32. С. 106–114.
  40. Bella F., Biagi P.F., Caputo E. et al. Hydrogeochemical anomalies in Kamchatka (Russia) // Phys. Chem. Earth. 1998. V. 23. № 9–10 P. 921–925.
  41. Biagi P.F., Ermini A., Kingsley S.P. et al. Possible precursors in groundwater ions and gases content in Kamchatka (Russia) // Phys. Chem. Earth. (A). 2000. № 3. V. 25. P. 295–305.
  42. Biagi P.F., Ermini A., Kingsley S.P. et al. Groundwater ion content precursors of strong earthquakes in Kamchatka (Russia) // Pageopch. 2000a. V. 157. P. 1359–1377.
  43. Biagi P.F., Ermini A., Cozzio E. et al. Hydrogeochemical precursors in Kamchatka (Russia) related to the strongest earthquakes in 1988–1997 // Natural Hazard. 2000b. V. 21. P. 263–276.
  44. Biagi P.F., Piccolo R., Ermini A. et al. Hydrogeochemical precursors of strong earthquakes in Kamchatka: further analysis // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2001. V. 1. № 1–2. P. 9–14.
  45. Gordeev E.I., Gusev A.A., Levin V.E. et al. Preliminary analysis of deformation at the Eurasia-Pacific-North America plate junction from GPS data // Geophys. J. Int. 2001. V. 147. P. 189–198.
  46. Kingsley S.P., Biagi P.F., Piccolo R. et al. Hydrogeochemical precursors of strong earthquakes: a realistic possibility in Kamchatka // Phys. Chem. Earth (C). 2001. V. 26. № 10–12. P. 769–774.
  47. Kopylova G.N., Boldina S.V., Smirnov A.A., Chubarova E.G. Experience in Registration of Variations Caused by Strong Earthquakes in the Level and Physicochemical Parameters of Ground Waters in the Piezometric Wells: the Case of Kamchatka // Seismic Instruments. 2017. V. 53. № 4. P. 286–295. doi: 10.3103/S0747923917040065.
  48. Okada Y. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space // Bull. of Seism. Soc. Amer. 1985. V. 75. P. 1135–1154.
  49. Wang R., Woith H., Milkereit C., Zschau J. Modeling of hydrogeochemical anomalies induced by distant earthquakes // Geophys. J. Int. 2004. V. 157. P. 717–726.
  50. Wang C.-Y., Manga M. Earthquakes and Water / Lecture Notes in Earth Sciences. V. 114. Berlin: Springer, 2010. 249 p. doi: 10.1007/978-3-642-00810-8.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Changes in the flow rate and water temperature of the Pinachevsky source 1 as a result of the Peter and Paul earthquake of November 24, 1971, MLH = 7.3 (zone of 7 point shocks) according to observations of Kamchatgeology OJSC from July 01, 1971 to August 1, 1972. The moment of the earthquake is shown by the arrow.

Download (189KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Location of observation stations and earthquake epicenters. a - Petropavlovsk geodynamic polygon (GWP) and epicenters of strong earthquakes (dates of earthquakes in the format dd.mm.yyyy and magnitude values ​​are indicated), accompanied by hydrogeological precursors, according to observations of KF FIC EGS RAS; b - hydrogeochemical and hydrogeodynamic observation stations on the territory of GWP as of 2017; 1 - hydrogeochemical observation stations (Pinachevo - GK-1 well, depth h = 1261 m and four sources; Frosty - Frost well 1, h = 600 m; Bakery - well G-1, h = 2500 m; Upper Paratunka - four wells, h = 125–1600 m); 2 - wells equipped with automatic systems for recording the physicochemical parameters of groundwater: Е-1 - piezometric well, h = 665 m; SW-5 - piezometric well, h = 800 m; Frosty 1 - self-flowing well, h = 600 m; 3 - active volcanoes; 4 - earthquake epicenters; 5 - Petropavlovsk-Kamchatsky; 6 - GWP territory in fig. 2a

Download (294KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Manifestations of various types of hydrogeoseismic variations in changes in the regime of observational sources and wells on the territory of the Petropavlovsk geodynamic test site depending on the parameters of earthquakes: magnitudes Mw and epicentral distance de, km according to observations of the CP FITS EGS RAS in 1977-1997. 1 - amplitude hydrogeochemical precursors and postseismic changes in the chemical composition of water and gas, an increase in the flow rates of sources and self-flowing wells; 2 - less pronounced hydrogeochemical precursors and postseismic changes in flow rates and chemical composition of water; 3, 4 - postseismic variations: 3 - an increase in flow rates and a change in the chemical composition of water, 4 - an increase in flow rates of sources; 5 - the region of the parameters Mw and de for earthquakes, before which hydrogeochemical precursors appeared.

Download (111KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Changes in the water level in the wells E-1 and SW-5 during the Kronotsky earthquake of December 5, 1997, Mw = 7.8. a - changes in water level in wells from September 9 to December 31, 1997 in comparison with daily precipitation according to the Pionerskaya meteorological station: the numbers I and II and two-sided horizontal arrows indicate the time intervals: I - manifestations of hydrogeodynamic short-circuit precursor (see sidebar fig. 2b: double-sided vertical arrows and numbers show the magnitudes of the amplitudes of the lowering of the water level); II - manifestations of a co-seismic jump in the lowering of the water level in the BZ-5 well (see the sidebar Fig. 2c: 11:27 - the time of the seismic waves entering according to the PET seismic station) and post-seismic variations of the water level.

Download (224KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Changes in the physicochemical parameters of groundwater in the BZ-5 well in January-July 2013 and changes in water level, temperature and conductivity, including co-and post-seismic variations due to earthquakes on February 28 and May 24, 2013 (indicated by arrows ). The inset shows the co-seismic rise of the water level after the seismic waves from the earthquake of February 28, 2013 (b) and the Okhotsk Sea earthquake on May 24, 2013 (in) according to 5-minute observations.

Download (302KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Changes in the water level in the well E-1 from October 1, 2012 to March 18, 2013, including the manifestation of the hydrogeodynamic precursor of GP_I and the postseismic rise due to the earthquake of February 28, 2013, Mw = 6.9. 1, 2 - data of 5-minute recording of atmospheric pressure and water level, 3 - average daily changes in water level with compensated barovariations, 4 - daily rate of change in water level taking into account the speed of the downward trend. The graph shows 4 arrows: January 1 - 16, 2013, the onset of the hydrogeodynamic precursor of GP_I; February 2 - 1, 2014, the date of submission of the forecasted opinion to the KF RES; February 3 - 28, 2013, the date of the earthquake. The horizontal dashed line is the threshold value of the daily rate of water level changes.

Download (199KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Hydrogeismic variations in the water level in the BZ-5 well during the Zhupanovsky earthquake of January 30, 2016, Mw = 7.2 (see. Fig. 2). a - changes in the water level in July 2012 - May 2016. in comparison with precipitation and the strongest earthquakes (shown by arrows and see Fig. 2): 1 - hourly average observations with compensated barovariations; 2 - seasonal variations of the water level together with a linear trend; 3 - residuals in changes in water level after compensating for annual seasonality and trend: a bold dotted line indicates a fragment of graphs during the period of the impact of the preparation and implementation of the Zhupanovsky earthquake, (see Fig. 7c); b - co-seismic rise in the water level after the entry of seismic waves (03:25); (c) hydrogeodynamic precursor and postseismic changes in the water level.

Download (295KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Changes in the water level in the well E-1 during the Zhupanovsky earthquake of January 30, 2016, Mw = 7.2. a - changes in the water level and its average daily rate from November 2015 to March 2016. in comparison with precipitation. The graph shows the average daily rate of water level change: the dotted line shows the threshold value of the rate of lowering the water level - 0.06 cm / day; the bold dotted line indicates a fragment of changes in the water level during the Zhupanovsky earthquake, shown in Fig. 8b: a - changes in the water level from December 30, 2015 to March 10, 2016, including hydrogeodynamic precursors and postseismic rise; b - change in the average daily rate of water level variations in comparison with its threshold value - 0.06 cm / day.

Download (216KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences