Геохимия, 2022, T. 67, № 10, стр. 921-941

Предвестники землетрясений в изменениях ионного и газового состава подземных вод: обзор мировых данных

Г. Н. Копылова a*, С. В. Болдина a, Ю. К. Серафимова a

a Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр “Единая геофизическая служба Российской академии наук”, Камчатский филиал
683023 Камчатский край, Петропавловск-Камчатский, б-р Пийпа, 9, Россия

* E-mail: gala@emsd.ru

Поступила в редакцию 29.12.2021
После доработки 24.01.2022
Принята к публикации 03.02.2022

Аннотация

Рассматриваются аномалии в изменениях ионного и газового состава подземных вод перед землетрясениями (гидрогеохимические предвестники, далее ГГХП) по данным регулярных наблюдений в 10 самоизливающихся скважинах и источниках в сейсмоактивных районах России (полуостров Камчатка), Узбекистана, Японии и Исландии. С использованием расширенного набора параметров землетрясений показано, что ГГХП проявлялись в течение 1−9 месяцев в ближней и средней зонах очагов землетрясений с Мw = 5.3−7.8. Такие свойства гидрогеохимических предвестников позволяют их использовать для оценки магнитуды, удаленности, времени и воздействия ожидаемого сейсмического события в районе наблюдений. Представлена модель зарегистрированного предвестника в изменениях ионного состава подземной воды из самоизливающейся скважины, построенная по данным наблюдений за концентрациями анионов и катионов и математической модели смешивания двух контрастных по составу вод в зоне повышенной водопроводимости. На примере одной из скважин выполнены расчеты химического состава смешивающихся вод в водоносной системе и в стволе скважины. С использованием этой модели и данных наблюдений оценены параметры возмущенного состояния системы скважина – водовмещающая порода при подготовке землетрясения – время релаксации импульсов давления воды (t0) и время движения смешанной воды (τ0). Морфология и продолжительность ГГХП в изменениях ионного состава воды из скважины определяются соотношением параметров t0 и τ0. Для развития исследований ГГХП и их использования в прогнозировании землетрясений необходима техническая реконструкция системы гидрогеохимических наблюдений и создание моделей формирования ГГХП в отдельных скважинах.

Ключевые слова: скважина, химический состав подземной воды, землетрясение, магнитуда, гидрогеохимические предвестники, система скважина – водовмещающая порода, концептуальная модель, прогноз землетрясений

Список литературы

  1. Баренблатт Г.И., Желтов Ю.П. (1960) Об основных уравнениях фильтрации однородных жидкостей в трещиноватых породах. ДАН СССР. 132(3), 545-548.

  2. Барсуков В.Л., Серебренников В.С., Варшал Г.М., Гаранин А.В. (1979) Геохимические методы прогноза землетрясений. Геохимия. (3), 323-337.

  3. Гидрогеохимические предвестники землетрясений (1985). М.: Наука, 286 с.

  4. Киссин И.Г., Пиннекер Е.В., Ясько В.Г. (1982) Подземная гидросфера и сейсмические процессы. Основы гидрогеологии. 4. Геологическая деятельность и история воды в земных недрах. Новосибирск: Наука, 57-78.

  5. Киссин И.Г., Стклянин Ю.И. (1985) О формировании гидрогеохимических предвестников землетрясений. Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 23-29.

  6. Копылова Г.Н. (2001) Изменения уровня воды в скважине Елизовская-1, Камчатка, вызванные сильными землетрясениями (по данным наблюдений в 1987−1998 гг.). Вулканология и сейсмология. (2), 39-52.

  7. Копылова Г.Н. (2006) Сейсмичность как фактор формирования режима подземных вод. Вестник КРАУНЦ. Серия науки о Земле. 7(1), 50-66.

  8. Копылова Г.Н., Воропаев П.В. (2006) Процессы формирования постсейсмических аномалий химического состава термоминеральных вод. Вулканология и сейсмология. (5), 42-48.

  9. Копылова Г.Н., Болдина С.В. (2012) Аномальные изменения химического состава подземных вод в связи с Камчатским землетрясением 02.03.1992 г. (Mw = 6.9). Геофизические исследования. 13(1), 39-49.

  10. Копылова Г.Н., Болдина С.В. (2019) Гидрогеосейсмологические исследования на Камчатке: 1977–2017. Вулканология и сейсмология. (2). 3-20.

  11. Копылова Г.Н., Болдина С.В. (2020) Эффекты сейсмических волн в изменениях уровня воды в скважине: экспериментальные данные и модели. Физика Земли. (4). 102-122.:

  12. Копылова Г.Н., Гусева Н.В., Копылова Ю.Г., Болдина С.В. (2018) Химический состав подземных вод режимных водопроявлений Петропавловского геодинамического полигона, Камчатка: типизация и эффекты сильных землетрясений. Вулканология и сейсмология. (4), 43-62.

  13. Копылова Г.Н., Стеблов Г.М., Болдина С.В., Сдельникова И.А. (2010) О возможности оценок косейсмической деформации по данным уровнемерных наблюдений в скважине. Физика Земли. (1), 51-61.

  14. Копылова Г.Н., Сугробов В.М., Хаткевич Ю.М. (1994) Особенности изменения режима источников и гидрогеологических скважин Петропавловского полигона (Камчатка) под влиянием землетрясений. Вулканология и сейсмология. (2), 53-37.

  15. Копылова Г.Н., Таранова Л.Н. (2013) Сигналы синхронизации в изменениях химического состава подземных вод Камчатки в связи с сильными (Мw ≥ 6.6) землетрясениями. Физика Земли. (4), 135-144.

  16. Копылова Г.Н., Юсупов Ш.С., Серафимова Ю.К., Шин Л.Ю. (2019) Гидрогеохимические предвестники землетрясений (по данным наблюдений на полуострове Камчатка и в Узбекистане). Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. [Электронный ресурс]: Труды Седьмой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 29 сентября–5 октября 2019 г. (Отв. ред. Д.В. Чебров). Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 282-286.

  17. Копылова Г.Н., Юсупов Ш.С., Серафимова Ю.К., Шин Л.Ю., Болдина С.В. (2020) Гидрогеохимические предвестники землетрясений (на примере районов полуострова Камчатка, Россия, и Республики Узбекистан). Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 48(4), 5-20.

  18. Лаптев Ф.Ф., Соколов И.Ю. (1962) Сведения по химии подземных вод. Справочник гидрогеолога. (Под ред. М.Е. Альтовского). М.: Госгеолтехиздат, 165-229.

  19. Медведев С.В., Шпонхойер В., Карник В. (1965) Шкала сейсмической интенсивности MSK-64. М.: МГК АН СССР, 11 с.

  20. Ризниченко Ю.В. (1976) Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 9-27.

  21. Рикитаке Т. (1979) Предсказание землетрясений. М.: Мир, 388 с.

  22. Рябинин Г.В., Хаткевич Ю.М. (2009) Гидрогеохимические эффекты, предшествующие сильным землетрясениям Камчатки. Алгоритм идентификации и морфологический анализ. Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 13(1). 107-122.

  23. Уломов В.И., Мавашев Б.З. (1967) О предвестнике сильного тектонического землетрясения. ДАН СССР. 176(2), 319-321.

  24. Фирстов П.П., Макаров Е.О. (2018) Динамика подпочвенного радона на Камчатке и сильные землетрясения. Петропавловск-Камчатский: КамГУ им. Витуса Беринга, 148 с.

  25. Хаткевич Ю.М. (1994) О возможности среднесрочного прогноза землетрясений интенсивностью свыше пяти баллов, проявляющихся в г. Петропавловске-Камчатском. Вулканология и сейсмология. (1), 63-67.

  26. Хаткевич Ю.М., Рябинин Г.В. (2004) Гидрогеохимические исследования на Камчатке. Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки (Отв. ред. Е.И. Гордеев, В.Н. Чебров). Петропавловск-Камчатский: Камчатский печатный двор, 96-112.

  27. Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Кугаенко Ю.А., Левина В.И., Сенюков С.Л., Сергеев В.А., Шевченко Ю.В., Ящук В.В. (2013) Система детальных сейсмологических наблюдений на Камчатке в 2011 г. Вулканология и сейсмология. (1), 18-40.

  28. Чеброва А.Ю., Чемарёв А.С., Матвеенко Е.А., Чебров Д.В. (2020) Единая информационная система сейсмологических данных в Камчатском филиале ФИЦ ЕГС РАН: принципы организации, основные элементы, ключевые функции. Геофизические исследования. 21(3), 66-91.

  29. Шебалин Н.В. (1968) Методы использования инженерно-сейсмологических данных при сейсмическом районировании. Сейсмическое районирование СССР. (II). Гл. 6. М.: Наука.

  30. Юсупов Ш.С., Нурматов У.А., Шин Л.Ю. и др. (2014) Аномальные вариации гидрогеосейсмологических параметров в период возникновения Туябугузского и Маржанбулакского землетрясений 25 и 26 мая 2013 г. Доклады АН РУз: ФАН. (6), 38-40.

  31. Barberio, M. D., Barbieri, M., Billi, A., Doglioni, C., and Petitta, M. (2017) Hydrogeochemical changes before and during the 2016 Amatrice-Norcia seismic sequence (central Italy). Scientific Reports. 7(1), 11735.

  32. Bella F., Biagi P.F., Caputo M., Cozzi E., Della Monica G., Ermini A., Gordeev E.I., Khatkevich Y.M., Martinelli G., Plastino W., Scandone R., Sgrigna V., and Zilpimiani D. (1998) Hydrogeochemical anomalies in Kamchatka (Russia). Phys. Chem. Earth. 23(9–10), 921-925.

  33. Biagi P.F., Ermini A., Kingsley S.P., Khatkevich Y.M. and Gordeev E.I. (2000) Possible precursors in groundwater ions and gases content in Kamchatka (Russia). Phys. Chem. Earth. (A). 25(3). 295-305.

  34. Biagi P.F., Ermini A., Kingsley S.P., Khatkevich Y.M., Gordeev E.I. (2000a) Groundwater ion content precursors of strong earthquakes in Kamchatka (Russia). Pageopch. 157. 1359-1377.

  35. Biagi P.F., Ermini A., Cozzio E., Khatkevich Y.M. and Gordeev E.I. (2000b) Hydrogeochemical precursors in Kamchatka (Russia) related to the strongest earthquakes in 1988–1997. Natural Hazard. 21, 263-276.

  36. Biagi P.F., Piccolo R., Ermini A., Fujinawa Y., Kingsley S.P., Khatkevich Y.M., and Gordeev E.I. (2001) Hydrogeochemical precursors of strong earthquakes in Kamchatka: further analysis. Natural Hazards and Earth System Sciences. 1(1–2), 9-14.

  37. Boschetti T., Barbieri M., Barberio M.D., Billi A., Frondini S. and Petitta M. (2019). CO2 inflow and elements desorption prior to a seismic sequence, Amatrice-Norcia 2016, Italy. Geochem. Geophys. 20, 2303-2317.

  38. Chiodini G., Cardellini C., Di Luccio F., Selva G., Frondini F., Caliro S., Rosiello A., Beddini G. and Ventura G. (2020). Correlation between tectonic CO2 Earth degassing and seismicity is revealed by a 10-year record in the Apennines, Italy. Sci. Adv. 6, eabc2938.

  39. Cicerone R.D., Ebel J.E., Britton J. (2009). A systematic compilation of earthquake precursors. Tectonophysics 476, 371-396.

  40. Ingebritsen S.E., Galloway D.L., Colvard E.M., Sorey M.L., Mariner R.H. (2001) Time-variation of hydrothermal discharge et selected sites in the western United States: implications for monitoring. J. Volcanology and Geothermal Research. 111, 1-23.

  41. Ingebritsen S., Manga M. (2014). Earthquakes: Hydrogeochemical precursors. Nature Geoscience. 7(10), 697-698.

  42. Jordan T.H., Chen Y-T., Gasparini P., Madariaga R., Main I., Marzocchiet W., Papadopoulos G., Sobolev G., Yamaoka K., Zschau J. (2011) Operational earthquake forecasting. State of knowledge and guidelines for utilization. ICEF Final Report 30 May 2011. Annals of Geophysics. 54(4). 315-391.

  43. Kingsley S.P., Biagi P.F., Piccolo R., Capozzi V., Ermini A., Khatkevich Y.M., Gordeev E.I. (2001) Hydrogeochemical precursors of strong earthquakes: a realistic possibility in Kamchatka. Phys. Chem. Earth (C). 26(10–12), 769-774.

  44. Kopylova G., Boldina S. (2019) Anomalies in groundwater composition caused by earthquakes: examples and modeling issues. E3S Web of Conferences. 98, 01029.

  45. Kopylova G. and Boldina S. (2020) Hydrogeological Earthquake Precursors: A Case Study From the Kamchatka Peninsula. Front. Earth Sci. 8:576017.

  46. Kopylova, G., Boldina, S. (2021) Preseismic Groundwater Ion Content Variations: Observational Data in Flowing Wells of the Kamchatka Peninsula and Conceptual Model. Minerals. 11, 731.

  47. Martinelli G. (2020) Previous, current, and future trends in research into earthquake precursors in geofluids. Geosciences. 10(5), 189.

  48. Martinelli G., Facca G., Genzano N., Gherardi F., Lisi M., Pierotti L. and Tramutoli V. (2020a) Earthquake-Related Signals in Central Italy Detected by Hydrogeochemical and Satellite Techniques. Front. Earth Sci. 8:584716.

  49. Okada Y. (1985) Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space. Bulletin of the Seismological Society of America. 75(4). 1135-1154.

  50. Reddy D., Nagabhushanam P., Sukhija B.S. (2011). Earthquake (M 5.1) induced hydrogeochemical and δ18O changes: Validation of aquifer breaching − Mixing model in Koyna, India. Geophysical J. International. 184(1), 359-370.

  51. Skelton A., Andrén M., Kristmannsdóttir H., Stockmann G., Mörth C.-M., Sveinbjörnsdóttir A., Jónsson S., Sturkell E., Guõrúnardóttir H.R., Hjartarson H., Siegmund H., Kockum I. (2014) Changes in groundwater chemistry before two consecutive earthquakes in Iceland. Nature Geoscience. 7(10), 752-756.

  52. Skelton A., Liljedahl-Claesson L., Wästeby N., Andrén M., Stockmann G., Sturkell E., Mörth C.-M., Stefansson A., Tollefsen E., Siegmund H., Keller N., Kjartansdóttir R., Hjartarson H., Kockum I. (2019) Hydrochemical changes before and after earthquakes based on long-term measurements of multiple parameters at two sites in northern Iceland − A review. J. Geophys. Res. Solid Earth. 124, 2702-2720.

  53. Thomas D. (1988) Geochemical precursors to seismic activity. Pure Appl. Geophys. 126, 241-266.

  54. Tsunogai U., Wakita H. (1995) Precursory chemical changes in ground water: Kobe earthquake, Japan. Science. 269(5220), 61-63.

  55. Wang C.-Y. (2007) Liquefaction beyond the near field. Seismo. Res. Lett. 78, 512-517.

  56. Wang C.-Y., Manga M. (2010) Earthquakes and Water. Lecture Notes in Earth Sciences. 114. Berlin: Springer, 249.

  57. Wang Ch.-Y., Manga M. (2021) Water and Earthquakes. Lecture Notes in Earth System Sciences. Cham: Springer, Switzerland, 387.

  58. Wang R., Woith H., Milkereit C., Zschau J. (2004) Modeling of hydrogeochemical anomalies induced by distant earthquakes. Geophys. J. Int. 157, 717-726.

  59. Wästeby N., Skelton A., Tollefsen E., Andren M., Stockmann G., Liljedahl L.C., Sturkell E., Mörth M. (2014) Hydrochemical monitoring, petrological observation, and geochemical modeling of fault healing after an earthquake. J. Geophysical Research: Solid Earth. 119, 5727-5740.

  60. Zhou Z, Tian L, Zhao J, Wang H., Liu J (2020) Stress-Related Pre-Seismic Water Radon Concentration Variations in the Panjin Observation Well, China (1994–2020). Front. Earth Sci. 8:596283.

Дополнительные материалы отсутствуют.