Vol 1, Issue 1, January 26, 2015

e‐NEWSLETTER Borehole Geophysics Research Laboratory

Earth System Science Organisation (ESSO),

Ministry of Earth Sciences, Government of India

 

Dr. Shailesh Nayak Chairman, Earth System Science Organisation  

Secretary to Govt. of India, Ministry of Earth Sciences  

“It gives me  immense pleasure to note that the Borehole Geophysics Research  Laboratory  (BGRL)  is  functional  and  has  started  an  e‐Newsletter to report its activities. 

Globally,  the  causes  for  intraplate  earthquakes  have  remained  an enigma  for scientists.  In several developing countries, such as  India,  the  impacts of such earthquakes are often quite alarming because of high population density and  the prolif‐eration of buildings which are not earthquake  resistant. Reservoir‐triggered earthquakes are a special case. Existing models do not explain the genesis of such earthquakes due to lack of observations  in  the near‐field. Therefore, scientific deep drilling  to gain access  to the near‐field of earthquakes is an emerging frontier area of seismological research. 

The Earth  System  Science Organization  (ESSO) – Ministry of Earth  Sciences has  recently launched a major national programme  “Scientific Deep Drilling  in  the Koyna  Intra‐plate Seismic  Zone, Maharashtra”.  The  BGRL  has  been  established  at  Karad  (near  Koyna)  to  implement this project, which  includes setting up a state‐of‐the‐art deep borehole obser‐vatory and a core repository. The  laboratory  is dedicated to deep borehole  investigations and advanced studies on core samples. The immediate need is to set up the infrastructure and capacity building in these areas of study. 

I complement the staff of the Borehole Geophysics Research Laboratory for the efforts to launch the inaugural issue of their e‐Newsletter. I wish them success in their endeavours”. 

The Koyna region located in the ~65 Ma old Dec‐can  Traps of western  India    is  a  classical  site of artificial water reservoir triggered seismicity (RTS) because of  (i) persistent seismicity  in the vicinity of  the  reservoir  for  the  past  five  decades  since the  impoundment  of  the  Shivajisagar  lake  in 1962, with 22 M≥5 earthquakes, more  than 200 M~4  earthquakes  and  several  thousand  smaller earthquakes, (ii) the largest RTS earthquake so far – M6.3 on 10 Dec 1967, (iii) strong association of the  earthquake  activity with  the  annual  loading and  unloading  cycles  of  the  Koyna  and  nearby Warna reservoirs, and (iv) isolated nature of the   

seismic zone, restricted to ~20 x 30 km2 area and up  to  10  km  in  depth, with  no  other  source  of activity within ~50 km of the Koyna Dam. There‐fore,  the  Koyna  RTS  site  is  an  excellent  natural laboratory  to  test  various earthquake prediction models and hypothesis. A deep fault zone obser‐vatory  at  Koyna  would  facilitate  study  of  pre‐seismic,  co‐seismic  and  post‐seismic  changes  in physical  and  chemical  parameters  in  an  intra‐plate,  active,  fault  zone  in  the  near‐field.  This experiment would provide  important constraints to comprehend the genesis of RTS.  

 

Harsh Gupta 

Inside… Project Director’s desk

Studies in progress

Field visits

Moments to cherish

Team-Koyna

SCIENTIFIC DRILLING TO INVESTIGATE RESERVOIR‐TRIGGERED EARTHQUAKES IN KOYNA 

Source: Atlas Copco

Koyna Dam 

It  is a proud moment  for the project staff “TEAM‐KOYNA” of the Borehole Geophysics Re‐

search Laboratory to bring out the inaugural issue of our Newsletter on the occasion of the 

66th Republic Day of our country. Within a short span of time since its inception on October 

7, 2014, the laboratory has made considerable progress in setting up its office from ground‐

zero and  initiating a number of scientific activities  including studies on cores, planning  for 

pilot boreholes and capacity building  for carrying out scientific deep drilling  investigations 

to study reservoir‐triggered earthquakes  in the Koyna  intra‐plate seismic zone, western In‐

dia. The seed for establishing the laboratory has been sown. This has been possible due to 

the unstinted support of ESSO‐Ministry of Earth Sciences (MoES), Government of India. The 

National  Centre  for  Antarctic  and Ocean  Research  (NCAOR), Goa  has  extended  valuable 

operational support for setting up the office, hiring of scientific and administrative staff, and 

in carrying out the project activities. Through this brief e‐newsletter, we wish to provide a 

snapshot of our activities during the past four months and the challenges that lay ahead.  

Looking back,  it has been an exciting  journey since the conceptualization of the project  in 

January 2010. Extensive discussions with national and  international scientists  including an 

International Workshop, organized by the MoES  and CSIR‐NGRI with support from Interna‐

tional  Continental  Scientific  Drilling  Program  (ICDP)  at  Hyderabad  and  Koyna  in March 

2011, provided  the necessary  inputs  for development of a project on  scientific drilling  to 

study  reservoir  triggered earthquakes occurring  in  the Koyna  region  for  the past  five dec‐

ades. It was clear that existing models to comprehend the genesis of triggered earthquakes 

suffer from lack of observations in the near‐field. At this time, the MoES formulated the de‐

tailed project plan including scientific deep drilling, setting up a deep fault zone observatory 

and establishing a dedicated  laboratory for borehole geophysics and core studies at Karad 

(near Koyna). The project was later approved by the Government of India. The first phase of 

the project was launched by MoES in the year 2012. In this phase, land as well as airborne 

geophysical  investigations  (including  LiDAR)  and  drilling  at  nine  sites  up  to  a maximum 

depth of 1522 m was carried out by the CSIR‐National Geophysical Research Institute during 

2012‐14. During the second  International  ICDP Workshop held at Koyna  in May 2014, the 

specifications  for deep scientific drilling down to 5 km, borehole measurements and moni‐

toring experiments were  finalized  in consultation with experts. On this day, we record our 

deep  sense  of  gratitude  to  Dr  Shailesh  Nayak,  Secretary  to  Govt.  of  India, MoES  under 

whose  dynamic  leadership  this  laboratory  has  been  established. We  remain  indebted  to 

Prof. Harsh Gupta, former Member, National Disaster Management Authority for his vision 

and  untiring  efforts  towards  developing  and  guiding  the  Koyna  Scientific  Drilling  Pro‐

gramme. Dr. B.K. Bansal, Advisor  (Geosciences), MoES has been  instrumental  in planning 

and execution of the project. Dr. S. Rajan, Director, NCAOR has provided valuable guidance 

for carrying out the operations of the project office. 

The immediate challenges for the office are three‐fold: (i) finalization of plans and scientific 

drilling of pilot borehole(s) to a depth of 3 km, measurements and monitoring, (ii) establish‐

ment of  infrastructure and facilities for a borehole geophysics and core studies  laboratory, 

and (iii) capacity building  in areas relevant to scientific deep drilling  investigations. TEAM‐

KOYNA  is gearing up  to meet  these challenges, and  seeks  the help and cooperation  from 

one and all in making this national scientific effort a success. 

Welcome to the inaugural issue of our biannual newsletter! 

From the Project Director’s desk  

Page 2 e-Newsletter Borehole Geophysics Research Laboratory

To succeed in your mission, you must have single-minded devotion to your goal. APJ Abdul Kalam

In the history of science, we often find that the study of some natural phenome-non has been the starting point in the development of a new branch of knowledge. CV Raman

Discipline is the bridge between goals and accom-plishment.

Jim Rohn

Detailed  geological  investigations  of  core  samples  from  bore‐

holes  KBH‐05  and  KBH‐07,  drilled  previously  in  the  Koyna  re‐

gion,  have been  initiated.  In  both boreholes, Deccan basalt  is 

found to overlie granitic basement rock, without the occurrence 

of  infra‐Trappean  sediments.  The  basement  rocks  comprise 

predominantly  granite‐gneiss  alternating  with  migmatitic‐

gneiss.  Near  the  basalt‐basement  contact,  the  granitoids  are 

highly  deformed,  represented  as  mylonite  and  ultramylonite 

followed by breccia and gouge at places. The deformation pat‐

tern varies with stress  localizations and strain gradients within 

the basement rock. Gneissosity  is preserved as remnant within 

less  deformed  zones  and  reoriented  along  the  shear  planes. 

Deformation  related  phyllosilicates  and  clay minerals  are  en‐

riched along  these sheared and  fractured planes. Cataclasite  is 

present at places within the granitic basement. Rocks are highly 

fractured with clear evidences of reddish iron staining at places. 

Slickenlines are commonly observed along these fractures, and 

are  sometimes  associated  with  gouge.  Cementation,  mineral 

precipitation and lithification are found to occur along fractures.  

Activities in progress ...

Page 3

Geological studies on core samples

Core sample of a breccia showing angular fragments of basement rock entrapped within a fine grained matrix

Core shows direct contact between basalt and granitic basement

Laboratory set-up for unconfined compressive strength (UCS) test: (a) Test specimen during the test, and (b) fracture developed on the test speci-men after the test.

-0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006Diametrical strain Axial strain

0

20

40

60

80

Str

ess,

MP

a

-0.004 -0.002 0 0.002 0.004Diamertical strain Axial strain

0

40

80

120

160

200

Str

ess

, MP

a

Plot showing stress-strain response of granite-gneiss basement rocks from borehole KBH-7 (c), and borehole KBH-1 (d).

Rock mechanical properties

Rock physical  and mechanical properties play  a  critical  role  in 

processes controlling the origin of earthquakes and deformation 

behavior of rocks. Laboratory measurements provide important 

constraints  to determine  the strength of  intact  rock mass,  i.e., 

the maximum  strength beyond which deformation  initiates. A 

combination of laboratory derived stress values with the in‐situ 

measurements of stress magnitude helps  in understanding  the 

effect of pore fluid pressure  in  lowering the tensile strength of 

the intact rock mass, which provides critical insights to triggered 

seismicity.  

Measurements of rock mechanical properties on the core sam‐

ples  from  the  Koyna  region  have  been  initiated,  utilizing  the 

facility  at CSIR‐Central  Institute  for Mining  and  Fuel Research, 

Dhanbad. A set of 18 samples of basement granite‐gneiss have 

been  tested  so  far.  The  measurements  include  compressive 

strength,  tensile  strength,  Young’s  modulus,  Poisson’s  ratio, 

cohesive strength of rocks and angle of internal friction. 

Preliminary results from the limited UCS tests carried out so far 

indicate  variations  in  the  compressive  strength  of  basement 

rock as a function of distance from the seismically active zone. 

This  is consistent with structural deformation observed  in core 

samples of basement granitoids in the vicinity of the Koyna seis‐

mic zone. Further detailed studies are underway. 

Contact

Basalt Basement

Granite-gneiss

Clast

Gouge

Fracture

Clast

Matrix

Granite-gneiss

Slickenline

Core showing fractured granite-gneiss and fragmented clasts en-trapped within gouge

Slickenlines present on a fractured surface of granite-gneiss basement rock

a b

c d

Page 4 e-Newsletter Borehole Geophysics Research Laboratory

The  entire  staff  appreciated  the  hard work put  in by   the drilling crew of M/S Mining  Associates  Private  Limited  to present  the most  valuable  information in  the  form of  core, unmasking  the na‐ture  of  basement  rock  underneath  the thick pile of Deccan flood basalt.  

Earlier, another short  field  trip was car‐ried  out  to  the  Koyna  dam  and  Rasati borehole  (KBH‐1)  sites.  Core  drilling down  to  1522 m  at  Rasati was  carried out by CSIR‐NGRI during 2012‐13 and a 4.5 Hz seismometer was  installed  in the granitic basement during February 2014. 

TEAM‐KOYNA had discussions about the role  of  artificial  water‐reservoir  trig‐gered  seismicity  in  the  Koyna‐Warna region, core drilling to constrain subsur‐face  geology  and  structure,  and  the need  for  installation  of  borehole  seis‐mometers in the granitic basement rock.  

Field Visits ...

Research is a field which allows scientists to  put  in  all  their  thoughts,  ideas,  and imagination to paint the big picture. Carl Sagan  (astronomer and  science commu‐nicator) had said – “If you wish  to make an apple pie from scratch, you must first invent  the universe”. Team‐Koyna made a short educational tour to Khadi‐Kolvan, the  site  of  borehole  KBH‐9  in  Ratnagiri District of Maharashtra,  to  get  an over‐view  of  on‐site  drilling  and  operational activities. The field party benefited from the experience of  Shri R B Chakraborty, former General Manager (Drilling), ONGC Ltd.  who  has  recently  joined  TEAM‐KOYNA.  The  scientists  were  introduced to various drilling and coring techniques, types  of  drill  rigs,    drill  rods,  drill  and core bits, and casing liners. 

Site selection for pilot borehole near Koyna

Scientific deep drilling down to ~5 km in the Koyna area and setting up a deep fault zone observatory to study pre‐seismic, co‐seismic and post‐seismic changes  in physical and chemical parameters  in the near‐field is planned.  Prior  to undertaking deep drilling,  a pilot borehole phase has been initiated with the aim of acquiring critical information through drilling of two 3km‐deep pilot boreholes, measurements and monitor‐ing. Monitoring of seismicity using borehole arrays installed in the base‐ment rocks at a depth of 3 km, together with the NGRI network of 6‐8 seismometers  in  the  granitic  basement  in  exploratory  boreholes  sur‐rounding the seismic zone, would provide a better assessment of focal parameters. Information obtained in this phase will guide the trajectory  

Team visit to proposed pilot hole site

Panoramic view of proposed pilot hole site near Koyna

of the main holes. Installation of temperature and pore pressure sensors will also be carried out. 

The first site is located next to the seismic cluster in the Koyna area. The second site is located in close proximity to the seismic 

cluster located to the south of the Warna reservoir. Reconnaissance surveys are ongoing to identify approx. 100m x 100m area 

for each drill site and their suitability for carrying out deep drilling.   

Page 5 Volume 1, Issue 1

Moments to cherish ...

The biannual e-Newsletter is brought out by Borehole Geophysics Research Laboratory, Karad, Maharashtra.

For e-Newsletter enquiries, contact:

Dr. Pinki Hazarika, Scientist C Phone: 02164-255060 Email: deepkoyna@gmail.com

Team-Koyna

From left, 1st row: Amol Patil, Akshwant Pansare, Nagaraju Podugu, Vikrant Bartakke, Satyabrata Das, Gaurav Athavale 2nd row: Surajit Misra, Vyasulu V. Akkiraju, Sukanta Roy, Ram Bikash Chak-raborty, G. Srihari Prasad, Abhijeet Patil 3rd row: Shruti Shukla, Nisha Tamse, Pallavi B. Tembhurni-kar, Pinki Hazarika, Saraswati Girap, Anjana Vaditale. 4th row: Girish Dantkale, Digant K. Vyas, Rakesh Kumar Tiwari, Deepjyoti Goswami (Amrita Yadav is not present in the picture).

Fill the brain with high thoughts, highest ideals, place them day and night before you and out of that will come great work. (Swami Vivekananda) If you follow the crowd, you will go no further than the crowd. But if you walk alone, and find your own way, you will likely find yourself in places no one has ever been before. (Albert Einstein) A slip of foot you may soon recover, but a slip of the tongue you may never get over. (Benjamin Franklin)

Contact: Project Director, Borehole Geophysics Research Laboratory, ESSO-Ministry of Earth Sciences, Near RTO office, Padali (Kese), Karad-Patan Road, P.O. Supane 415114, Karad, Maharashtra (India). Tel +91-2164-255060; Email: deepkoyna@gmail.com