Old Faithful - самая известная достопримечательность Йеллоустонского национального парка. Миллионы посетителей ежегодно приезжают в парк, чтобы увидеть, как гейзер извергается каждые 44-125 минут. Но, несмотря на известность Old Faithful, относительно мало было известно о геологической анатомии структуры и потоках жидкости, питающих гейзер под поверхностью. До сих пор.
Для Роберта Смита, давнего исследователя Йеллоустона и выдающегося профессора-исследователя в области геологии и геофизики, это исследование является кульминацией более чем десятилетнего планирования и проводится в то время, когда он отмечает свое 60-летие работы в первом национальном парке Америки..
«Вот знаменитый гейзер Йеллоустона», - говорит Смит. «Это известно во всем мире, но полное геологическое строение Верхнего бассейна гейзеров в Йеллоустоуне не было нанесено на карту, и мы не изучали, как время извержений связано с предшествующими толчками земли перед извержениями».
Малые сейсмометры
Old Faithful является культовым примером гидротермальных особенностей, и особенно особенностей в Йеллоустонском национальном парке, который подстилается двумя активными магматическими резервуарами на глубине от 5 до 40 км, которые обеспечивают теплом вышележащие почти- поверхностные подземные воды. В некоторых местах Йеллоустона горячая вода проявляется в бассейнах и родниках. В других случаях он принимает форму взрывных гейзеров.
Олд Фейтфул окружен десятками построек, включая отели, сувенирный магазин и центр для посетителей. Служба парков обнаружила, что некоторые из этих зданий построены с учетом тепловых характеристик, что приводит к чрезмерному нагреву под застройкой. В рамках своего плана по управлению территорией Old Faithful Служба парков попросила ученых Университета Юты провести геологическое исследование территории вокруг гейзера.
В течение многих лет соавторы исследования Джейми Фаррелл и Фан-Чи Лин вместе со Смитом работали над определением характеристик магматических резервуаров глубоко под Йеллоустоуном. Хотя геологи могут использовать сейсмические данные сильных землетрясений, чтобы увидеть детали глубоко в земле, неглубокая геология подповерхностного слоя парка остается загадкой, потому что для ее картирования потребовалось бы фиксировать ежедневные миниатюрные движения грунта и сейсмическую энергию в гораздо меньшем масштабе. «Мы пытаемся использовать непрерывное сотрясение земли, вызванное людьми, автомобилями, ветром, водой и гидротермальным кипением Йеллоустона, и преобразовать его в наш сигнал», - говорит Лин. «Мы можем извлечь полезный сигнал из фоновой вибрации земли».
На сегодняшний день Университет штата Юта разместил вокруг парка 30 постоянных сейсмометров для регистрации сотрясений грунта и отслеживания землетрясений и вулканических явлений. Однако стоимость этих сейсмометров может легко превысить 10 000 долларов. Небольшие сейсмометры, разработанные Fairfield Nodal для нефтегазовой промышленности, снижают стоимость до менее чем 2 000 долларов за единицу. Это маленькие белые канистры высотой около шести дюймов, полностью автономные и автономные. «Вы просто вынимаете его и воткнете в землю», - говорит Смит.
В 2015 году с новыми приборами группа из штата Юта развернула 133 сейсмометра в районах Old Faithful и Geyser Hill для проведения двухнедельной кампании.
Датчики зафиксировали всплески интенсивных сейсмических толчков вокруг Old Faithful продолжительностью около 60 минут, разделенных примерно 30-минутным затишьем. Когда Фаррелл представляет эти модели, он часто спрашивает аудиторию, в какой момент, по их мнению, происходит извержение Old Faithful. Удивительно, но не на пике тряски. Это в конце, как раз перед тем, как все снова стихнет.
После извержения резервуар гейзера снова наполняется горячей водой, объясняет Фаррелл.«По мере того, как эта полость заполняется, у вас появляется много горячих пузырьков под давлением», - говорит он. «Когда они появляются, они очень быстро остывают, разрушаются и взрываются». Энергия, высвобождаемая этими взрывами, вызывает толчки, ведущие к извержению.
Шум одного ученого - это сигнал другого ученого
Обычно исследователи создают сейсмический сигнал, ударяя молотком по металлической пластине на земле. Лин и Ву разработали вычислительные инструменты, которые помогли бы находить полезные сигналы среди сейсмического шума, не нарушая чувствительную среду в Верхнем бассейне гейзеров. Ву говорит, что ей удалось использовать сами гидротермальные объекты в качестве сейсмического источника, чтобы изучить, как распространяется сейсмическая энергия, сопоставляя сигналы, зарегистрированные датчиком, расположенным рядом с постоянным источником, с другими датчиками. «Удивительно, что вы можете использовать гидротермальный источник, чтобы наблюдать за структурой здесь», - говорит она.
При анализе данных сейсмических датчиков исследователи заметили, что сигналы толчков от Old Faithful не достигают западного променада. Сейсмические волны, извлеченные из другого гидротермального объекта на севере, замедлились и значительно рассеялись почти в том же районе, что позволяет предположить, что где-то к западу от Старого Верного был подземный объект, который аномально влияет на сейсмические волны. Имея плотную сеть сейсмометров, команда смогла определить форму, размер и расположение объекта, который, по их мнению, является гидротермальным резервуаром Old Faithful.
Ву оценивает, что водохранилище, представляющее собой сеть трещин и разломов, через которые течет вода, имеет диаметр около 200 метров, что немного больше, чем стадион Райс-Эклс в Университете Юты, и может вместить около 300 000 человек. кубометров воды, или более 79 миллионов галлонов. Для сравнения, каждое извержение Old Faithful выбрасывает около 30 м3 воды, или почти 8 000 галлонов. «Хотя это приблизительная оценка, мы были удивлены, что он такой большой», - говорит Ву.
Дальнейшая работа
Команда еще не закончила отвечать на вопросы о Йеллоустоуне. Они вернулись для еще одной сейсморазведки в ноябре 2016 года и планируют развертывание в 2017 году, когда дороги в парке закроются на зиму. Ву изучает, как температура воздуха может изменить структуру недр и повлиять на распространение сейсмических волн. Фаррелл использует сейсмические данные команды, чтобы предсказать, как волны землетрясения могут отразиться в регионе. Смит с нетерпением ждет возможности провести аналогичный анализ в бассейне гейзеров Норриса, самом жарком геотермальном районе парка. Лин говорит, что исследовательская программа Университета Юты в Йеллоустоуне во многом обязана многолетним отношениям Смита с парком, позволяющим делать новые открытия. «Вам нужны новые техники, - говорит Лин, - но также и долгосрочные отношения».