Ökade grundvattennivåer och volymer efter stora jordbävningar har observerats runt om i världen, men detaljerna i denna process har förblivit oklara på grund av brist på grundvattendata direkt före och efter en jordbävning. Lyckligtvis, forskare från universiteten Kumamoto och Kwansei Gakuin (Japan) och UC Berkley (USA) insåg att de hade en unik forskningsmöjlighet att analysera grundvattennivåförändringar runt Kumamoto City efter att stora jordbävningar drabbade området 2016.

Förändringar i den hydrologiska miljön efter en jordbävning, som dammar eller brunnar som torkar upp, det plötsliga uppkomsten av rinnande vatten, eller en höjning av vattennivån har registrerats sedan romartiden. Olika teorier har föreslagits för orsaken till sådana förändringar, såsom fluktuationer i porvattentrycket (trycket från grundvatten som hålls i porerna eller luckor i stenar och jord), ökad vattengenomsläpplighet, och vattenrörelser genom nya sprickor.

För att identifiera den faktiska orsaken, data måste samlas in från observationsplatser i brunnar, vattenkällor, och floder. Dock, speciellt i fallet med jordbävningar i inlandet, det är i allmänhet sällsynt att dessa platser är spatiotemporally arrangerade i ett område där en stor jordbävning har inträffat. Dessutom, det är ännu ovanligare att ha tillräckligt med data för att jämföra före och efter katastrofen. Dessa svårigheter har varit en vägspärr för att få en tydlig bild av hur hydrologiska miljöer förändras efter jordbävningar.

Kumamoto City, på den södra japanska ön Kyushu, är känd för sitt vatten. Nästan 100 % av stadens dricksvatten kommer från grundvatten i området så det finns många observationsbrunnar i området som kontinuerligt registrerar vattennivå och kvalitetsdata. Tidigt på morgonen (japansk tid) den 16 april, 2016, en jordbävning med magnituden 7,0 drabbade staden vilket resulterade i en mängd grundvattendata både före och efter jordbävningen. Forskare vid Kumamoto University insåg denna unika möjlighet att bedöma hur jordbävningar kan förändra hydrologiska miljöer mer i detalj än någonsin tidigare, så de etablerade ett internationellt samarbete för att studera evenemanget.

En onormal höjning av grundvattennivån inträffade efter huvudchocken och var särskilt märkbar i påfyllningsområdet för grundvattenflödessystemet. Vattennivån nådde sin topp inom ett år efter huvudchocken på cirka 10 meter och, även om det har lugnat ner sig efteråt, vattennivåerna var fortfarande höga mer än tre år senare. Detta ansågs bero på ett inflöde av vatten från en plats som inte var en del av den hydrologiska cykeln före jordbävningen, så forskare försökte fastställa källorna genom att använda stabila isotopförhållanden av vatten.

De stabila isotopförhållandena för vatten på jordens yta förändras något med olika processer (avdunstning, kondensation, etc.) så att de blir unika markörvärden beroende på plats. Dessa markörer gör det möjligt att bestämma de processer som påverkade ett vattenprov samt dess källa.

En jämförelse av före- och efteruppsättningarna av stabila isotopförhållanden visade att, före jordbävningen, grundvattnet i Kumamoto City-området kom huvudsakligen från bergsakviferer på låga höjder, jordvatten i laddningsområden, och läckage från det centrala Shirakawa-flodområdet. Efter jordbävningen, forskarna tror att seismiska sprickor på den västra sidan av berget Aso ökade permeabiliteten för bergsakvafären som släppte ut grundvatten mot flödessystemets påfyllningsområde och ökade vattennivåerna. Vidare, Grundvattennivåerna i utflödesområdet som hade sjunkit omedelbart efter huvudchocken var nästan återställda inom bara ett år.

"Vår forskning är den första som i detalj fångar de hydrologiska miljöförändringarna orsakade av en stor jordbävning, ", sade studieledaren Docent Takahiro Hosono. "Fenomenet vi upptäckt kan inträffa var som helst på jorden i områden med klimat och geologiska förhållanden som liknar Kumamoto. Vi hoppas att vår forskning kommer att vara användbar både för akademiker och för upprättandet av riktlinjer för regional vattenanvändning i en katastrof."