Groundwater changes in relation to seismic activity: a case study from Eskipazar (Karabuk, Turkey)

Abstract

The reported study contributes to research on earthquake prediction. Between 2007 and 2009, changes were observed in two geothermal and mineral springs located in Eskipazar (∼3–5 km to the north of the North Anatolian Fault Zone) in Turkey, in relation to small-magnitude earthquakes. During pre-seismic and post-seismic activities, variations were observed in the hydrogeological parameters of the spring waters. Temperature increases of 0.4–1°C were measured in one of the springs prior to three different earthquakes. There was a slight increase in the spring discharge with respect to the first earthquake, which occurred closest to the spring. This led to a reduction in electrical conductivity (EC), total dissolved solids (TDS), Ca, HCO₃, δ¹³C, Al, Mn, and Fe concentrations in the spring water, whereas tritium and Se values increased. Several days before the third earthquake, which occurred at a shallower depth, a decrease was observed in the discharge, which led to a reduction in tritium, δ¹³C and Si concentrations. These variations could be explained by changes in the mixing ratio of waters of different genesis, depending on changes in permeability, pore pressure, and flow paths of the aquifer due to regional stress changes.

Résumé

L’étude décrite contribue aux recherches sur la prédiction des séismes. Entre 2007 et 2009, des changements ont été observés dans deux champs géothermaux et sources d’eau minéral localisées à Eskipazar (∼3–5 km au nord de la zone de la faille nord Anatolienne) en Turquie, en relation avec des séismes de faible amplitude. Durant les activités pré et post-sismiques, des variations des paramètres hydrogéologiques des sources ont été observées. Une température plus élevée de 0.4–1°C a été mesurée à une des sources avant trois évènements sismiques différents. Il y a eu une légère augmentation du débit à la source au moment du premier séisme dont l’épicentre était proche de cette source. Ceci s’est traduit par une diminution de la conductivité électrique (EC), du total des éléments dissous (TDS), des concentrations en Ca, HCO₃, δ¹³C, Al, Mn, et Fe de l’eau à la source, alors que le tritium et le Se augmentaient. Plusieurs jours avant le troisième séisme, qui a eu lieu à une plus faible profondeur, une diminution des débits a été observée, amenant une diminution du tritium, δ¹³C et concentration en Si. Ces variations peuvent s’expliquer par un changement dans la proportion de mélange d’eau de diverses origines, du fait de changements de la perméabilité, pression de pores et directions de flux au sein de l’aquifère en relation aux variations de stress régional.

Resumen

El estudio reportado contribuye a la investigación sobre la predicción de terremotos. Se observaron cambios entre 2007 y 2009, en dos manantiales geotermales y minerales localizados en Eskipazar (∼3–5 km al norte de la zona de falla de North Anatolian) en Turquía, relacionados a terremotos de pequeña magnitud. Durante las actividades pre sísmica y post sísmica, se observaron variaciones en los parámetros hidrogeológicos del agua de los manantiales. Se midieron incrementos de temperaturas de 0.4–1°C en uno de los manatiales antes a tres diferentes terremotos. Hubo un ligero incremento en la descarga del manantial con respecto al primer terremoto, que ocurrió en las cercanías del manantial. Este condujo a una reducción en la conductividad eléctrica (EC) y en las concentraciones de sólidos disueltos totales (TDS), Ca, HCO₃, δ¹³C, Al, Mn, y Fe en las aguas del manantial mientras que los valores de tritio y Se se incrementaron. Varios días antes del tercer terremoto, que ocurrió a una profundidad más somera, se observó una disminución en la descarga, lo cual condujo a una reducción en las concentraciones de tritio, δ¹³C y Si. Estas variaciones podrían ser explicadas por cambios en la relación de mezcla de las aguas de diferentes génesis, dependiendo de los cambios en la permeabilidad, presión poral, y trayectorias de flujo del acuífero debido a los cambios de las tensiones regionales.

摘要

本文有助于地震预报研究。在2007至2009年间, 位于土耳其Eskipazar (北Anatolian断裂带北部约3–5公里) 的两个热矿泉中观测到了小震级地震引起的变化。在地震活动前后, 观测到了泉水的水文地质参数变化。三次不同的地震前, 在一眼泉中观测到了0.4–1.0°C的温度升高。最靠近该泉的第一次地震发生时, 泉的排泄量有少量增加。这引起泉水电导率 (EC)、总溶解固体 (TDS)、Ca、HCO₃、δ¹³C、Al、Mn和Fe浓度的减少, 但氚和Se的浓度增大。在第三次地震 (震源较浅) 的前几天, 观测到了排泄量减小, 导致氚、δ¹³C和Si浓度的减小。这些变化可以归结为不同成因水的混合比例变化, 这取决于区域应力变化所致渗透率、孔隙压力和水流路径的变化。

Resumo

Este estudo contribui para a investigação da previsão da ocorrência de sismos. Entre 2007 e 2009 observaram-se alterações em duas fontes geotermais e minerais localizadas em Eskipazar (aprox. 3–5 km a norte da zona de falha da Anatólia do Norte), Turquia, relacionadas com sismos de baixa magnitude. Antes e após a actividade sísmica, observaram-se variações nos parâmetros hidrogeológicos de águas de nascentes. Verificou-se o aumento de 0.4–1°C na temperatura da água de uma das nascentes, antes da ocorrência de três sismos diferentes, e um ligeiro aumento dos caudais da nascente próxima do local de ocorrência do primeiro sismo. Isto conduziu a uma diminuição dos valores da condutividade elétrica (CE), dos sólidos dissolvidos totais (SDT), e das concentrações em Ca, HCO₃, δ¹³C, Al, Mn e Fe na água da nascente, enquanto que os valores de trítio e de Se aumentaram. Vários dias antes do terceiro sismo, que ocorreu a menor profundidade, verificou-se a redução dos caudais, o que conduziu à redução das concentrações em trítio, δ¹³C e Si. Estas variações derivam de misturas com proporções de águas de génese diferente, dependentes de mudanças da permeabilidade, da pressão intersticial e do fluxo subterrâneo, promovidas por modificações de stress regional relacionadas com a ocorrência de sismos.