Heterogeneous response of hydrogeological systems to the Izmit and Düzce (Turkey) earthquakes of 1999

Abstract

At four sites in Turkey and Armenia the physico-chemical properties of thermal and mineral waters were monitored continuously during the Izmit and Düzce earthquakes that occurred along the North Anatolian fault in August and November 1999. The epicentral distances between the moment magnitude (M_w) 7.6 Izmit earthquake and the monitoring locations were 313, 488, 1,161, and 1,395 km. At the most distant site, the specific electrical conductivity of mineral water from a flowing artesian well dropped co-seismically and postseismically by 7%. No changes were observed at the other sites, although the estimated earthquake strains and peak ground accelerations are much higher. A similar pattern was observed after the Düzce earthquake, which happened three months after the Izmit event. The response of a hydrogeological system seems to depend on the site characteristics rather than on the nature of the earthquake. A hydrogeological model for the sensitive observation site farthest from the Izmit earthquake explains the observations in terms of a changed mixing ratio between two fluid components. Passing seismic waves may trigger a local pore-pressure increase according to the mechanism of advective overpressure. The preconditions for this mechanism, free gas bubbles in the aquifer in combination with a trap for rising bubbles, is probably not fulfilled by the other groundwater systems.

Résumé

Les caractéristiques physico-chimiques d'eaux thermo-minérales de quatre sites de Turquie et d'Arménie ont été suivies en continu au cours des séismes d'Izmit et de Düzce, qui se sont produits le long de la faille nord-anatolienne en août et novembre 1999. Les distances à l'épicentre entre le séisme d'Izmit de magnitude (Mw) 7,6 et les sites suivis étaient de 313, 488, 1.161, et 1.395 km. Pour le site le plus éloigné, la conductivité électrique spécifique d'une eau minérale provenant d'un puits artésien jaillissant a baissé de 7% à la suite du séisme. Aucun changement n'a été observé aux autres sites, bien que les contraintes estimées du séisme et les accélérations du sol au moment du pic aient été plus importantes. Les mêmes effets ont été observés à la suite du séisme de Düzce, qui s'est produit 3 mois après celui d'Izmit. La réponse du système hydrogéologique paraît dépendre des caractéristiques du site plutôt que de la nature du séisme. Un modèle hydrogéologique pour le site d'observation sensible le plus éloigné du séisme d'Izmit explique les observations par un changement du rapport de mélange entre deux composantes du fluide. Les ondes sismiques qui circulent peuvent produire par détente une augmentation locale de la pression porale, conformément au mécanisme de surpression advective. Les conditions requises pour ce mécanisme, des bulles de gaz libre dans l'aquifère avec un piège pour les bulles libérées, ne sont probablement pas réunies dans les autres aquifères.

Resumen

Se ha controlado en continuo las propiedades físico-químicas de aguas termales y minerales en cuatro emplazamientos de Turquía y Armenia durante los terremotos de Izmit y Düzce, que tuvieron lugar a lo largo de la falla Norte de la Anatolia en agosto y noviembre de 1999. La distancia entre el epicentro del terremoto de Izmit, que tuvo un momento angular (Mw) de 7,6, y los puntos de registro eran de 313, 488, 1.161, y 1.395 km. En este último, la conductividad eléctrica específica de un agua mineral captada en un pozo artesiano descendió durante y después del seísmo en un porcentaje del 7%. No se observó cambio alguno en los otros puntos, aunque las deformaciones estimadas del terremoto y las aceleraciones máximas del terreno son mucho mayores. Algo similar sucedió tras el terremoto de Düzce, 3 meses después del de Izmit. La respuesta de un sistema hidrogeológico parece depender de las características del emplazamiento más que de la naturaleza del terremoto. Un modelo hidrogeológico para el punto sensible más alejado del epicentro del terremoto de Izmit explica las observaciones en términos del cambio producido en la relación de mezcla de dos fluidos componentes. Las ondas sísmicas pueden iniciar un cambio de la presión de poro a escala local, de acuerdo con el mecanismo de sobrepresión advectiva. Las condiciones necesarias para dicho mecanismo—existencia de burbujas de gas libres en el acuífero y de una trampa para las burbujas que ascienden—probablemente no se cumplían en los sistemas hidrogeológicos restantes.