Old Faithfuls geologiske hjerte afsløret

Old Faithful er Yellowstone National Parks mest berømte vartegn. Millioner af besøgende kommer til parken hvert år for at se gejseren bryde ud hvert 44.-125. minut. Men på trods af Old Faithfuls berømmelse, relativt lidt var kendt om den geologiske anatomi af strukturen og de væskebaner, der brænder gejseren under overfladen. Indtil nu.

Forskere fra University of Utah har kortlagt den overfladenære geologi omkring Old Faithful, afslører reservoiret af opvarmet vand, der føder gejserens overfladeudluftning, og hvordan jordens rystende opfører sig mellem udbrud. Kortet blev muliggjort af et tæt netværk af bærbare seismografer og af nye seismiske analyseteknikker. Resultaterne offentliggøres i Geofysiske forskningsbreve . Doktorand Sin-Mei Wu er den første forfatter.

For Robert Smith, en mangeårig Yellowstone-forsker og en fremtrædende forskningsprofessor i geologi og geofysik, undersøgelsen er kulminationen på mere end et årti med planlægning og kommer, da han fejrer sit 60. år med at arbejde i Amerikas første nationalpark.

"Her er den ikoniske gejser i Yellowstone, " siger Smith. "Det er kendt over hele verden, men den komplette geologiske VVS-installation af Yellowstones Upper Geyser Basin er ikke blevet kortlagt, og vi har heller ikke undersøgt, hvordan tidspunktet for udbrud er relateret til jordskælv før udbrud."

Små seismometre

Old Faithful er et ikonisk eksempel på en hydrotermisk funktion, og især funktionerne i Yellowstone National Park, som er underlagt to aktive magma reservoirer i dybder på 5 til 40 km dybde, der giver varme til det overliggende overfladenære grundvand. Nogle steder i Yellowstone, det varme vand viser sig i bassiner og kilder. I andre, det tager form af eksplosive gejsere.

Dusinvis af strukturer omgiver Old Faithful, herunder hoteller, en gavebutik og et besøgscenter. Nogle af disse bygninger, Parktjenesten har fundet, er bygget over termiske funktioner, der resulterer i overdreven varme under det byggede miljø. Som en del af deres plan om at styre Old Faithful-området, Park Service bad videnskabsmænd fra University of Utah om at udføre en geologisk undersøgelse af området omkring gejseren.

Årevis, studie medforfattere Jamie Farrell og Fan-Chi Lin, sammen med Smith, har arbejdet på at karakterisere magma-reservoirerne dybt under Yellowstone. Selvom geologer kan bruge seismiske data fra store jordskælv til at se træk dybt i jorden, parkens lavvandede undergrundsgeologi er forblevet et mysterium, fordi kortlægning af det ville kræve at fange hverdagens miniature-jordbevægelser og seismisk energi i en meget mindre skala. "Vi forsøger at bruge kontinuerlig jordrystning produceret af mennesker, biler, vind, vand og Yellowstones hydrotermiske kogninger og omdanner det til vores signal, " siger Lin. "Vi kan udvinde et nyttigt signal fra den omgivende baggrundsvibration på jorden."

Til dato, University of Utah har placeret 30 permanente seismometre rundt i parken for at registrere jordrystelser og overvåge jordskælv og vulkanske begivenheder. Prisen på disse seismometre, imidlertid, kan nemt overstige $10, 000. Små seismometre, udviklet af Fairfield Nodal til olie- og gasindustrien, reducere omkostningerne til mindre end $ 2, 000 pr enhed. De er små hvide dåser omkring seks tommer høje og er fuldstændig autonome og selvstændige. "Du skal bare tage den ud og stikke den i jorden, " siger Smith.

I 2015 med de nye instrumenter, Utah-teamet indsatte 133 seismometre i Old Faithful- og Geyser Hill-områderne i en to-ugers kampagne.

Sensorerne opfangede udbrud af intense seismiske rystelser omkring Old Faithful, cirka 60 minutter lang, adskilt af cirka 30 minutters ro. Når Farrell præsenterer disse mønstre, han spørger ofte publikum, på hvilket tidspunkt de tror, ​​at udbruddet af Old Faithful finder sted. Overraskende nok, det er ikke på toppen af ​​at ryste. Det er i slutningen, lige før alt bliver stille igen.

Efter et udbrud, gejserens reservoir fyldes igen med varmt vand, Farrell forklarer. "Når det hulrum fyldes op, du har mange varme bobler under tryk, " siger han. "Når de kommer op, de afkøles virkelig hurtigt, og de kollapser og imploderer." Den energi, der frigives af disse implosioner, forårsager rysten, der fører op til et udbrud.

En videnskabsmands støj er en anden videnskabsmands signal

Typisk, forskere skaber et seismisk signal ved at svinge en hammer på en metalplade på jorden. Lin og Wu udviklede beregningsværktøjerne, der ville hjælpe med at finde nyttige signaler blandt den seismiske støj uden at forstyrre det følsomme miljø i det øvre gejserbassin. Wu siger, at hun var i stand til at bruge de hydrotermiske egenskaber selv som en seismisk kilde, at studere, hvordan seismisk energi forplanter sig ved at korrelere signaler optaget ved sensoren tæt på en vedvarende kilde til andre sensorer. "Det er utroligt, at du kan bruge den hydrotermiske kilde til at observere strukturen her, " hun siger.

Ved analyse af data fra de seismiske sensorer, forskerne bemærkede, at rystelsessignaler fra Old Faithful ikke nåede den vestlige strandpromenade. Seismiske bølger udvundet fra et andet hydrotermisk træk i nord aftog og spredte sig betydeligt i næsten det samme område, hvilket tyder på, at et sted vest for Old Faithful var et underjordisk træk, der påvirker de seismiske bølger på en unormal måde. Med et tæt netværk af seismometre, holdet kunne bestemme formen, størrelse, og placeringen af ​​funktionen, som de mener er Old Faithfuls hydrotermiske reservoir.

Wu vurderer, at reservoiret, et netværk af revner og sprækker, gennem hvilke vand strømmer, har en diameter på omkring 200 meter, lidt større end University of Utahs Rice-Eccles Stadium, og kan rumme cirka 300, 000 kubikmeter vand, eller mere end 79 millioner gallons. Til sammenligning, hvert udbrud af Old Faithful frigiver omkring 30 m ³ af vand, eller næsten 8, 000 gallons. "Selvom det er et groft skøn, vi var overraskede over, at den var så stor, " siger Wu.

Videre arbejde

Holdet er langt fra færdige med at besvare spørgsmål om Yellowstone. De vendte tilbage til endnu en seismisk undersøgelse i november 2016 og planlægger deres udsendelse i 2017, at begynde efter parkvejene lukker til vinteren. Wu ser på, hvordan lufttemperaturen kan ændre strukturen i undergrunden og påvirke udbredelsen af ​​seismiske bølger. Farrell bruger holdets seismiske data til at forudsige, hvordan jordskælvsbølger kan give genlyd gennem regionen. Smith ser frem til at udføre lignende analyse i Norris Geyser Basin, det varmeste geotermiske område i parken. Lin siger, at University of Utahs forskningsprogram i Yellowstone skylder Smiths årtier lange forhold til parken, muliggør nye opdagelser. "Du har brug for nye teknikker, "Lin siger, "men også de langsigtede forhold."