Old Faithful är Yellowstone National Parks mest kända landmärke. Miljontals besökare kommer till parken varje år för att se gejsern få ett utbrott var 44-125:e minut. Men trots Old Faithfuls berömmelse, relativt lite var känt om strukturens geologiska anatomi och de vätskebanor som driver gejsern under ytan. Tills nu.

Forskare från University of Utah har kartlagt den ytnära geologin kring Old Faithful, avslöjar reservoaren av uppvärmt vatten som matar gejserns ytventilation och hur markskakningen beter sig mellan utbrotten. Kartan möjliggjordes av ett tätt nätverk av bärbara seismografer och genom nya seismiska analystekniker. Resultaten publiceras i Geofysiska forskningsbrev . Doktoranden Sin-Mei Wu är den första författaren.

För Robert Smith, en mångårig Yellowstone-forskare och framstående forskningsprofessor i geologi och geofysik, studien är kulmen på mer än ett decenniums planering och kommer när han firar sitt 60:e år som arbete i USA:s första nationalpark.

"Här är den ikoniska gejsern i Yellowstone, " säger Smith. "Det är känt över hela världen, men den fullständiga geologiska rörläggningen av Yellowstones övre gejserbassäng har inte kartlagts och vi har inte heller studerat hur tidpunkten för utbrott är relaterad till markskakningar före utbrott."

Små seismometrar

Old Faithful är ett ikoniskt exempel på en hydrotermisk funktion, och särskilt av funktionerna i Yellowstone National Park, som är underliggande av två aktiva magma-reservoarer på djup av 5 till 40 km djup som ger värme till det överliggande grundvattnet nära ytan. På vissa platser i Yellowstone, det varma vattnet visar sig i bassänger och källor. I andra, det tar formen av explosiva gejsrar.

Dussintals strukturer omger Old Faithful, inklusive hotell, en presentbutik och ett besökscenter. Några av dessa byggnader, Park Service har hittat, är byggda över termiska egenskaper som resulterar i överdriven värme under den byggda miljön. Som en del av deras plan att förvalta Old Faithful-området, Park Service bad forskare vid University of Utah att genomföra en geologisk undersökning av området runt gejsern.

I åratal, studie medförfattare Jamie Farrell och Fan-Chi Lin, tillsammans med Smith, har arbetat med att karakterisera magma-reservoarerna djupt under Yellowstone. Även om geologer kan använda seismiska data från stora jordbävningar för att se särdrag djupt i jorden, parkens grunda geologi under ytan har förblivit ett mysterium, för att kartlägga det skulle kräva att man fångar vardagliga miniatyrmarkrörelser och seismisk energi i mycket mindre skala. "Vi försöker använda kontinuerlig markskakning producerad av människor, bilar, vind, vatten och Yellowstones hydrotermiska kokningar och omvandlar det till vår signal, " säger Lin. "Vi kan extrahera en användbar signal från den omgivande bakgrundsvibrationen på marken."

Hittills, University of Utah har placerat 30 permanenta seismometrar runt parken för att registrera markskakningar och övervaka jordbävningar och vulkaniska händelser. Kostnaden för dessa seismometrar, dock, kan lätt överstiga $10, 000. Små seismometrar, utvecklad av Fairfield Nodal för olje- och gasindustrin, minska kostnaden till mindre än $2, 000 per enhet. De är små vita behållare som är cirka sex tum höga och är helt autonoma och fristående. "Du tar bara ut den och sticker den i marken, " säger Smith.

2015, med de nya instrumenten, Utah-teamet placerade ut 133 seismometrar i områdena Old Faithful och Geyser Hill för en tvåveckorskampanj.

Sensorerna fångade upp skurar av intensiva seismiska skakningar runt Old Faithful, ca 60 minuter lång, åtskilda av cirka 30 minuters tystnad. När Farrell presenterar dessa mönster, han frågar ofta publiken vid vilken tidpunkt de tror att utbrottet av Old Faithful äger rum. Förvånande, det är inte på toppen av att skaka. Det är i slutet, strax innan allt blir tyst igen.

Efter ett utbrott, gejserns reservoar fylls igen med varmt vatten, Farrell förklarar. "När det hålrummet fylls upp, du har många varma trycksatta bubblor, " säger han. "När de kommer upp, de svalnar väldigt snabbt och de kollapsar och imploderar." Energin som frigörs av dessa implosioner orsakar skakningar som leder fram till ett utbrott.

En vetenskapsmans brus är en annan vetenskapsmans signal

Vanligtvis, forskare skapar en seismisk signal genom att svänga en hammare på en metallplatta på marken. Lin och Wu utvecklade beräkningsverktygen som skulle hjälpa till att hitta användbara signaler bland det seismiska bruset utan att störa den känsliga miljön i Upper Geyser Basin. Wu säger att hon kunde använda de hydrotermiska funktionerna som en seismisk källa, att studera hur seismisk energi fortplantar sig genom att korrelera signaler som registrerats vid sensorn nära en ihållande källa med andra sensorer. "Det är fantastiskt att du kan använda den hydrotermiska källan för att observera strukturen här, " hon säger.

När man analyserar data från de seismiska sensorerna, forskarna märkte att tremorsignaler från Old Faithful inte nådde den västra strandpromenaden. Seismiska vågor som utvunnits från ett annat hydrotermiskt drag i norr saktades ner och spreds avsevärt i nästan samma område, vilket tyder på att någonstans väster om Old Faithful var en underjordisk funktion som påverkar de seismiska vågorna på ett onormalt sätt. Med ett tätt nätverk av seismometrar, laget kunde bestämma formen, storlek, och platsen för funktionen, som de tror är Old Faithfuls hydrotermiska reservoar.

Wu uppskattar att reservoaren, ett nätverk av sprickor och sprickor genom vilka vatten rinner, har en diameter på cirka 200 meter, lite större än University of Utahs Rice-Eccles Stadium, och kan rymma cirka 300, 000 kubikmeter vatten, eller mer än 79 miljoner gallon. Som jämförelse, varje utbrott av Old Faithful släpper cirka 30 meter ³ av vatten, eller nästan 8, 000 liter. "Även om det är en grov uppskattning, vi blev förvånade över att den var så stor, " säger Wu.

Ytterligare arbete

Teamet är långt ifrån färdiga med att svara på frågor om Yellowstone. De återvände för en annan seismisk undersökning i november 2016 och planerar sin utbyggnad 2017, att börja efter att parkvägarna stänger för vintern. Wu tittar på hur lufttemperaturen kan förändra strukturen under ytan och påverka utbredningen av seismiska vågor. Farrell använder lagets seismiska data för att förutsäga hur jordbävningsvågor kan eka genom regionen. Smith ser fram emot att genomföra liknande analys i Norris Geyser Basin, det hetaste geotermiska området i parken. Lin säger att University of Utahs forskningsprogram i Yellowstone beror mycket på Smiths decennier långa relation med parken, möjliggör nya upptäckter. "Du behöver nya tekniker, "Lin säger, "men också de där långvariga relationerna."