Relief Formation in Geothermal Areas of the Kuril-Kamchatka Region: Geological Conditions and Geomorphological Effects

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of long-term geological and geomorphological field work on the Kuril Islands (Kunashir, Iturup, and Paramushir islands) and Kamchatka Peninsula have shown significant activity of denudation processes in thermal fields and surrounding areas, among which landslides and erosion are the most common. The laboratory studies indicate that gas-hydrothermal alteration of rocks in geothermal regions results in a significant change in their composition, weakening and decrease in strength. These factors contribute to the gravitational displacement in slopes, often with blocking of river valleys. Slope displacement and failure is additionally activated by the thermal water discharges and soils heating. Geothermal areas often have numerous traces of debris flows, often non-seasonal. The activation of linear erosion on exposed slopes can result in the formation of baldlands areas. Watercourses draining thermal fields can carry away significant amounts of suspended and dissolved material. It leads to an increase in denudation rates and the formation of erosion-denu-dation funnels and denudation basins in areas of hydrothermal explosions. It also causes an abnormal expansion of watercourse valleys within thermal fields compared to background areas. Our observations allow us to draw conclusions about surface deformation in geothermal fields, which is caused by the natural migration of thermal fluids and the exploitation of thermal deposits. Obviously, there is need to continue research of the geothermal areas at the Kuril-Kamchatka region using a wide range of geological, geomorphological and cartographic methods, including the innovative technologies such as radar interferometry.

About the authors

E. V Lebedeva

Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences

Email: Ekaterina.lebedeva@gmail.com
Moscow, Russia

J. V Frolova

Lomonosov Moscow State University

Email: ju_frolova@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Балдина Е.А., Лебедева Е.В., Аникина Н.В. Активность геоморфологических процессов на склонах речных долин в условиях газогидротермальных проявлений (по разновременным снимкам и ЦМР) // ИнтерКарто. ИнтерГИС. 2023. Т. 29. Ч. 1. С. 272–287. https://doi.org/10.35595/2414-9179-2023-1-29-272-287
  2. Baldina E.A., Lebedeva E.V., Anikina N.V. Activity of geomorphological processes on the slopes of river valleys in the conditions of gas-hydrothermal occurrences (based on multi-temporal images and DEM analysis). InterCarto. InterGIS., 2023, vol. 29, pp. 272–287. (In Russ.). https://doi.org/10.35595/2414-9179-2023-1-29-272-287
  3. Вулканизм, гидротермальный процесс и рудообразование / ред. С.И. Набоко. М.: Недра, 1974. 264 с.
  4. Vulkanizm, gidrotermal’nyi protsess i rudoobrazovanie [Volcanism, Hydrothermal Process and Ore Formation]. Naboko S.I., Ed. Moscow: Nedra Publ., 1974. 264 p.
  5. Двигало В.Н., Мелекесцев И.В. Геолого-геоморфологические последствия катастрофических обвальных и обвально-оползневых процессов в Камчатской Долине гейзеров (по данным аэрофотограмметрии) // Вулканология и сейсмология. 2009. № 5. С. 24–37.
  6. Dvigalo V.N., Melekestsev I.V. Geological and geomorphological consequences of catastrophic rockfall and rockfall — landslides processes in the Kamchatka Valley of Geysers (according to aerial photogrammetry). Vulkanol. Seismol., 2009, no. 5, pp. 24–37. (In Russ.).
  7. Калачева Е.Г. Ультракислые сульфатно-хлоридные воды вулкано-гидротермальных систем Курильских островов. Автореф. дисс. … д-ра геол-мин. наук. Новосибирск: ИГиМ, 2025. 43 с.
  8. Kalacheva E.G. Ultra-acidic sulfate-chloride waters of volcano-hydrothermal systems of the Kuril Islands. Extended Abstract of Dr. Sci. (Geol.-Miner.) Dissertation. Novosibirsk: Siberian State Univ. of Geosystems and Technologies, 2025. 43 p.
  9. Калачева Е.Г., Таран Ю.А. Роль гидротермальных систем Курильской островной дуги в выносе магматических компонентов // Вулканизм и связанные с ним процессы: матер. XX науч. конф., посвящ. Дню Вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2017. С. 169–172.
  10. Kalacheva E.G., Taran Yu.A. The role of hydrothermal systems of the Kuril Island arc in the removal of magmatic components. In Vulkanizm i svyazannye s nim protsessy: mater. XXVIII ezhegodnoi nauchn. konf., posvyashchennoi Dnyu vulkanologa [Volcanism and Related Processes: Proc. of the 28th Annual Sci. Conf. Dedicated to the Volcanologist Day]. Petropavlovsk- Kamchatsky: IViS DVO RAN, 2017, pp. 169–172. (In Russ.).
  11. Камчатка, Курильские и Командорские острова: История развития рельефа Сибири и Дальнего Востока / ред. И.В. Лучицкий. М.: Наука, 1974. 440 с.
  12. Kamchatka, Kuril’skie i Komandorskie ostrova. Istoriya razvitiya rel’efa Sibiri i Dal’nego Vostoka [Kamchatka, Kuril and Commander Islands. The History of the Development of the Relief of Siberia and the Far East]. Luchitskii I.V., Ed. Moscow: Nauka Publ., 1974. 440 p.
  13. Лебедева Е.В. Виды воздействия вулканической и поствулканической деятельности на флювиальный рельеф // Геоморфология. 2019. № 4. С. 49–66. https://doi.org/10.31857/S0435-42812019449-66
  14. Lebedeva E.V. Types of impact of volcanic and post-volcanic activity on the fluvial relief. Geomorfol., 2019, no. 4, pp. 49−66. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0435-42812019449-66
  15. Лебедева Е.В. Влияние газогидротермальной деятельности на формирование рельефа речных долин геотермальных зон // Геоморфология. 2022. Т. 53. № 5. С. 116–126. https://doi.org/10.31857/S043542812205008X
  16. Lebedeva E.V. Gas-hydrothermal activities impact on the relief formation of river valleys geothermal zones. Geomorfol., 2022, vol. 53, no. 5, pp. 116–126. https://doi.org/10.31857/S043542812205008X
  17. Лебедева Е.В., Балдина Е.А., Черноморец С.С., Котенков А.В. Оползне- и селеформирование в долине р. Гейзерной (Камчатка, Россия): причины и возможности потенциальной активизации // Изв. РАН. Сер. геогр. 2025. Т. 89. № 4. С. 650–668.
  18. Lebedeva E.V., Baldina E.A., Chernomorets S.S., Kotenkov A.V. Landslide and debris flow formation in the Geysernaya River valley (Kamchatka, Russia): Causes and possibilities of potential activation. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2025, vol. 89, no. 4, pp. 650–668. (In Russ.).
  19. Лебедева Е.В., Захаров А.Л., Котенков А.В. Формирование террас в долине реки с активными газогидротермальными проявлениями (на примере р. Гейзерной, п-ов Камчатка) // Геоморфология и палеогеография. 2024. Т. 55. № 3. С. 123–145. https://doi.org/10.31857/S2949178924030071
  20. Lebedeva E.V., Zakharov A.L., Kotenkov A.V. Formation of terraces in a river valley with active gashydrothermal manifestations (the Geysernaya River valley, Kamchatka Peninsula as an example). Geomorfol. Paleogeogr., 2024, vol. 55, no. 3, pp. 123–145. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S2949178924030071
  21. Лебедева Е.В., Сугробов В.М., Чижова В.П., Завадская А.В. Долина р. Гейзерной (Камчатка): гидротермальная деятельность и особенности рельефообразования // Геоморфология. 2020. № 2. С. 60−73. https://doi.org/10.31857/S0435428120020066
  22. Lebedeva E.V., Sugrobov V.M., Chizhova V.P., Zavadskaya A.V. The valley of the river Geysernaya (Kamchatka): hydrothermal activity and features of relief forming. Geomorfol., 2020, no. 2, pp. 60−73. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0435428120020066
  23. Леонов В.Л. Обвал и оползень, произошедшие 4 января 2014 г. в Долине Гейзеров, Камчатка, и их последствия // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2014. № 1. Вып. 23. С. 7–20.
  24. Leonov V.L. The collapse and landslide that occurred on January 4, 2014 in the Valley of Geysers, Kamchatka, and their consequences. Vestn. KRAUNTs. Nauki Zemle, 2014, vol. 23, no. 1, pp. 7−20. (In Russ.).
  25. Мелекесцев И.В. Вулканизм и рельефообразование. М.: Наука, 1980. 212 с.
  26. Melekestsev I.V. Vulkanizm i rel’efoobrazovanie [Volcanism and Relief Formation]. Moscow: Nauka Publ., 1980. 212 p.
  27. Пинегина Т.К., Делемень И.Ф., Дрознин В.А. и др. Камчатская Долина Гейзеров после катастрофы 3 июня 2007 г. // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 1. С. 33–44.
  28. Pinegina T.K., Delemen’ I.F., Droznin V.A., Kalacheva E.G., Chirkov S.A., Melekestsev I.V., Dvigalo V.N., Leonov V.L., Seliverstov N.I. Kamchatka Valley of Geysers after the catastrophe on 3 June 2007. Vestn. DVO RAN, 2008, no. 1, pp. 33−44. (In Russ.).
  29. Сугробов В.М., Сугробова Н.Г., Дрознин В.А., Карпов Г.А., Леонов В.Л. Жемчужина Камчатки — Долина Гейзеров. Научно-популярный очерк, путеводитель. Петропавловск-Камчатский: Камчатпресс, 2009. 108 с.
  30. Sugrobov V.M., Sugrobova N.G., Droznin V.A., Karpov G.A., Leonov V.L. Zhemchuzhina Kamchatki − Dolina Geyzerov [The Pearl of Kamchatka is the Valley of Geisers]. Petropavlovsk-Kamchatsky: Kamchatpress Publ., 2009. 108 p.
  31. Фролова Ю.В. Скальные грунты и методы их лабораторного изучения. М.: КДУ, 2015. 220 с.
  32. Frolova J.V. Skal’nye grunty i metody ikh laboratornogo izucheniya [Rocks and Methods of Their Laboratory Study]. Moscow: KDU Publ., 2015. 220 p.
  33. Фролова Ю.В., Гвоздева И.П., Чернов М.С., Кузнецов Н.П. Инженерно-геологические аспекты гидротермальных преобразований туфогенных пород Долины гейзеров (полуостров Камчатка) // Инженерная геология. 2015. № 6. С. 30–42.
  34. Frolova J.V., Gvozdeva I.P., Chernov M.S., Kuznetsov N.P. Geotechnical aspects of hydrothermal transformations of tuffaceous rocks of the Valley of Geysers (Kamchatka Peninsula). Inzh. Geol., 2015, no. 6, pp. 30–42. (In Russ.).
  35. Фролова Ю.В., Зеркаль О.В., Большаков И.Е. Гидротермальные преобразования пород как фактор развития оползневых процессов в геотермальных районах Курило-Камчатской островной дуги // Грунтоведение. 2023. № 2. С. 36−43. https://doi.org/10.53278/2306-9139-2023-2-21-36-43
  36. Frolova J.V., Zerkal O.V., Bolshakov I.E. Hydrothermal alteration of rocks as a factor of landslide development in geothermal areas of the Kuril-Kamchatka volcanoic arc. Gruntoved., 2023, no. 2, pp. 36−43. (In Russ.). https://doi.org/10.53278/2306-9139-2023-2-21-36-43
  37. Фролова Ю.В., Ладыгин В.М., Рычагов С.Н. Инженерно-геологические особенности гидротермально-метасоматических пород Камчатки и Курильских островов // Инженерная геология. 2011. № 1. С. 48–64.
  38. Frolova J.V., Ladygin V.M., Rychagov S.N. Engineering and geological features of hydrothermal-metasomatic rocks of Kamchatka and the Kuril Islands. Inzh. Geol., 2011, no. 3, pp. 40–54. (In Russ.).
  39. Чернов М.С., Ермолинский А.Б., Соколов В.Н., Разгулина О.В. Особенности активизации склоновых процессов в массивах глинистых грунтов термальных полей Южной Камчатки // Сергеевские чтения. Фундаментальные и прикладные вопросы инженерной геодинамики: матер. годичной сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии / ред. Е.А. Вознесенский, В.И. Осипов. М.: Геоинфо, 2023. Вып. 24. С. 77–80.
  40. Chernov M.S., Ermolinskii A.B., Sokolov V.N., Razgulina O.V. Features of slope processes activation in clay soil massifs of thermal fields of Southern Kamchatka. In Sergeevskie chtenia. Fundamental’nye i prikladnye voprosy inzhenernoi geodinamiki: materialy godichnoi sessii Nauchnogo soveta RAN po problemam geoekologii, inzhenernoi geologii i gidrogeologii. T. 24 [Sergeev Readings. Fundamental and Applied Issues of Engineering Geodynamics: Proc. of the Annual Session of the Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on the Problems of Geoecology, Engineering Geology, and Hydrogeology. Vol. 24]. Voznesenskii E.A., Osipov V.I., Eds. Moscow: Geoinfo Publ., 2023, pp. 77–80. (In Russ.).
  41. Ширшова В.Ю., Балдина Е.А., Лебедева Е.В. Опыт применения метода дифференциальной интерферометрии для определения смещений земной поверхности в Узон-Гейзерной вулкано-тектонической депрессии по данным sentinel-1a за 2017– 2022 годы // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 4. С. 133–146. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-4-133-146
  42. Shirshova V.Yu., Baldina E.A., Lebedeva E.V. The experience of using the differential interferometry method to determine the displacements of the Earth’s surface in the Uzon-Geysernaya volcano-tectonic depression according to Sentinel-1A data for 2017−2022. Sovrem. Probl. Distants. Zondir. Zemli Kosm., 2023, vol. 20, no. 4, pp. 133−146. (In Russ.). https://doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-4-133-146
  43. Школьный Д.И., Цыпленков А.С., Лебедева Е.В., Ефимова Л.Е. Внутригодовые изменения водного, твердого и растворенного стока реки Гейзерной // Вулканизм и связанные с ним процессы: матер. XXVIII ежегод. науч. конф., посвящ. Дню вулканолога. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2025. С. 398–401.
  44. Shkolnyi D.I., Tsyplenkov A.S., Lebedeva E.V., Efimova L.E. Intra-annual changes in runoff, sediment yield and dissolved load of the Geysernaya River. In Vulkanizm i svyazannye s nim protsessy: mater. XXVIII ezhegodnoi nauchn. konf., posvyashchennoi Dnyu vulkanologa [Volcanism and Related Processes: Proc. of the 28th Annual Sci. Conf. Dedicated to the Volcanologist Day]. Petropavlovsk- Kamchatsky: IViS DVO RAN, 2025, pp. 398–401. (In Russ.).
  45. Browne P.R.L., Lawless J.L. Characteristics of hydrothermal eruptions, with examples from New Zealand and elsewhere // Earth-Sci. Rev. 2001. Vol. 52. P. 299–331.
  46. Frolova J.V., Chernov M.S., Rychagov S.N., et al. The influence of hydrothermal argillization on the physical and mechanical properties of tuffaceous rocks: a case study from the Upper Pauzhetsky thermal field, Kamchatka // Bull. Eng. Geol. Environ. 2021. Vol. 80. P. 1635–1651. https://doi.org/10.1007/s10064-020-02007-2
  47. Frolova J.V., Ladygin V.M., Rychagov S.N., Zukhubaya D.Z. Effects of hydrothermal alterations on physical and mechanical properties of rocks in the Kuril-Kamchatka island arc // Inzh. Geol. 2014. Vol. 183. P. 80–95. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2014.10.011
  48. Hooper A., Zebker H., Segall P., Kampes B. A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR persistent scatterers // Geoph. Res. Let. 2004. Vol. 31. № 23. L23611. https://doi.org/10.1029/2004GL021737
  49. Hutter G. Geothermal Power Generation in the World 2015–2020 Update Report: Proceedings Worlds Geothermal Congress — 2020+1. Reykjavik, 2021. https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/ WGC/2020/01017.pdf
  50. Kalacheva E., Kotenko T., Voloshina E. Chemical weathering fluxes from Paramushir volcanic island (Kuril Island arc, Russia). E3S Web Conf. 2019. Vol. 98. Art. 08007. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199808007
  51. Kiryukhin A., Rutqvist J., Maguskin M. Modeling of the vertical deformations during exploitation of the Mutnovsky Geothermal Field, Kamchatka, Russia: Proceedings World Geothermal Congress 2015. Melbourne, Australia, 2015. https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/ WGC/2015/22086.pdf
  52. Koros W., O’Sullivan J., Pogacnik J., et al. Variability of geotechnical properties of materials within Wairakei subsidence bowl, New Zealand / Proceedings 37th New Zealand Geothermal Workshop. New Zealand, Taupo, 2015. P. 1–8.
  53. Lebedeva E.V., Baldina E.A., Medvedev A.A. Dynamics of slope processes in the Geysernaya river valley (Kamchatka) according to the data of interpretation of multi-temporal space images // Dokl. Earth Sci. 2022. Vol. 507. № 1. P. S9–S18. https://doi.org/10.1134/S1028334X22601262
  54. Lebedeva E.V., Chernomorets S.S. Debris flow activity and specific features of debris flow formation in the Geysernaya River valley (Kamchatka) // Rus. J. Pacific Geol. 2024. Vol. 18. № 1. P. S15–S27. https://doi.org/10.1134/S1819714024700179
  55. Lebedeva E.V., Zharkov R.V. Accumulative Landforms in Valleys with Gas-Hydrothermal Occurrences (from the Example of Watercourses of Some Volcanic Massifs in the Kuril-Kamchatka Region) // Dokl. Earth Sci. 2022. Vol. 506. Part 3. P. 7–18. https://doi.org/10.1134/S1028334X22700131
  56. Loche M., Scaringi G. Temperature and shear-rate effects in two pure clays: Possible implications for clay landslides // Results Eng. 2023. Vol. 20. Art. 101647. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101647
  57. Lund J.W., Toth A.N. Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review: proceedings World Geothermal Congress 2020+1. Reykjavik, Iceland, 2021. https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/ WGC/2020/01018.pdf
  58. Romero J.E., Polacci M., Watt S., et al. Volcanic lateral collapse processes in mafic arc edifices: a review of their driving processes, types and consequences // Front. Earth Sci. 2021. № 9. 23 p. https://doi.org/10.3389/feart.2021.639825
  59. Rouwet D., Sandri L., Marzocchi W., et al. Recognizing and Tracking Volcanic Hazards Related to Non- Magmatic Unrest: a Review // J. Appl. Volcanol. 2014. Vol. 3. № 17. P. 1–17.
  60. Scaringi G., Loche М. A thermo-hydro-mechanical approach to soil slope stability under climate change // Geomorph. 2022. Vol. 401. Art. 108108. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108108
  61. Voight B. Causes of landslides: Conventional factors and special considerations for geothermal sites and volcanic regions // Trans.-Geotherm. Resour. Counc. 1992. Vol. 16. P. 529–533.
  62. White P.J., Lawless J.V., Terzaghi S., Okada W. Advances in subsidence modelling of exploited geothermal fields / Proceedings World Geothermal Congress 2005. Turkey, Antalya, 2005. https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/ WGC/2005/0222.pdf (accessed 28.07.2025).
  63. Zerkal O.V., Gvozdeva I.P. Landslide activity and landslide hazard in Geyser Valley (Kamchatka Peninsula, Russia) / Natural hazards and risk research In Russia: Innovation and discovery In Russian science and engineering. Switzerland: Springer Int. Publ., 2019. Vol. 1. P. 317–344.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).