Гейзеры и фумаролы Йеллоустонского национального парка являются одними из самых знаковых и популярных геологических объектов на нашей планете. Каждый год миллионы посетителей приезжают в парк, чтобы полюбоваться возвышающимися извержениями, пузырящимися грязевыми котлами Artists Paint Pots, кристально чистой водой и переливчатыми цветами и сложенными травертиновыми террасами.

Те, кто побывал в парке, возможно, задавались вопросом: «Откуда берется столько горячей воды?» Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature, в соавторстве с В. Стивеном Холбруком из Технологического института Вирджинии и его коллегами из Геологической службы США и Орхусского университета в Дании, предоставляет потрясающие изображения недр, которые начинают отвечать на этот вопрос.

Исследовательская группа использовала геофизические данные, собранные с вертолета, для создания изображений подземной «сантехнической» системы Йеллоустона. Метод обнаруживает особенности с необычными электрическими и магнитными свойствами, свидетельствующими о гидротермальных изменениях.

«Сочетание высокой электропроводности и низкой намагниченности похоже на отпечаток гидротермальной активности, который очень четко проявляется в данных», — сказал Холбрук, профессор геофизики и заведующий кафедрой наук о Земле в Научном колледже Технологического института Вирджинии. «Метод, по сути, представляет собой детектор гидротермального пути».

Изображения из исследования показывают, что геология парка сильно влияет на его горячие источники . Горячие гидротермальные жидкости поднимаются почти вертикально с глубины более 1 км (или 0,62 мили) и достигают основных гидротермальных полей парка. По пути они смешиваются с более мелкими грунтовыми водами, текущими внутри и под потоками вулканической лавы парка, которые также видны на изображениях. Разломы и трещины направляют подъем гидротермальных вод, а границы потока лавы контролируют неглубокие водоносные горизонты подземных вод.

Проект заполняет давний пробел в знаниях об основах харизматичных гидротермальных особенностей Йеллоустона. Многое известно о поверхностных гидротермальных особенностях парка, в том числе о химическом составе и температуре грязевых котлов и источников, интервалах извержения гейзеров и уникальных термофильных бактериях, которые живут внутри и вокруг этих особенностей.

Точно так же ученые накапливают все больше знаний о более глубоких источниках тепла и тектонической активности, отслеживая происходящие там землетрясения. Но мало что известно о том, как поверхностные гидротермальные объекты связаны друг с другом и с более глубокими источниками тепла и флюидов.

«В наших знаниях о Йеллоустоуне уже давно есть подповерхностный пробел», — сказал Холбук. «Это похоже на «загадочный бутерброд» — мы многое знаем о поверхностных особенностях из прямых наблюдений и изрядное количество о магматической и тектонической системе в нескольких километрах от геофизических исследований, но мы на самом деле не знаем, что находится посередине. проект впервые позволил нам заполнить эти пробелы».

Для сбора данных команда использовала уникальный инструмент под названием «SkyTEM», который состоит из большой петли из проволоки, буксируемой под вертолетом. Когда вертолет летит, петля посылает вниз повторяющиеся электромагнитные сигналы, которые вызывают реакцию электропроводящих тел под землей.

Этот ответ записывается и позже анализируется для получения подробных поперечных сечений вдоль линий полета. Этот метод очень эффективен в таких средах, как Йеллоустоун: гидротермальные флюиды изменяют породы, через которые они проходят, превращая их в глинистые минералы — например, в поверхностные грязевые горшки, которые обладают повышенной электропроводностью, но подавляют намагниченность.

По словам Холбрука, поскольку вертолет может двигаться со скоростью от 40 до 50 миль в час, буксируя прибор SkyTEM, ученые, участвовавшие в исследовании, смогли охватить большие участки растянувшегося национального парка площадью 3500 квадратных миль.

«Одним из уникальных аспектов этого набора данных является его обширный охват этой огромной системы», — добавил Холбрук. «Мы смогли не только заглянуть глубоко под гидротермальные объекты, но и увидеть, как соседние объекты могут быть связаны в недрах на больших расстояниях. Раньше это было невозможно».

Одна из загадок, раскрытых в новой работе, заключается в том, показывают ли разные гидротермальные зоны в парке контрастирующие глубинные источники и пути флюидов. Команда обнаружила удивительное сходство в глубинной структуре под такими областями, как бассейн Норрис Гейзер и Нижний бассейн Гейзера, предполагая, что контрасты в химическом составе и температуре этих областей не вызваны глубинными процессами. Вместо этого разная степень смешивания с неглубокими грунтовыми водами, вероятно, создает большое разнообразие характеристик горячих источников в парке.

В целом, по словам Холбрука, в ходе проекта было проложено более 2500 миль вертолетных маршрутов, что является огромным объемом данных. После публикации исследования в прошлом месяце исследовательская группа опубликовала данные, чтобы другие могли провести дополнительные исследования.

«Набор данных настолько велик, что мы только коснулись этой первой статьи», — добавил Холбрук. «Я с нетерпением жду возможности продолжить работу над этими данными и увидеть, что придумают другие. Это будет набор данных, который будет продолжать давать».

До прихода в Технологический институт Вирджинии в 2017 году Холбрук работал на факультете геологии и геофизики Университета Вайоминга в Ларами, штат Вайоминг. Он также был одним из руководителей Вайомингского центра экологической гидрологии и геофизики. Он сказал: «Я совершил несколько полевых поездок, чтобы собрать наземные геофизические данные в Йеллоустоуне. Однако данные, полученные с воздуха, охватывают гораздо большую территорию гораздо быстрее, чем мы могли бы путешествовать по сельской местности с помощью походного снаряжения».

Кэрол Финн из Геологической службы США и ведущий автор исследования сказала: «Пока собирались данные с воздуха, мы увидели первые изображения над Old Faithful и сразу поняли, что наш эксперимент сработал — что мы впервые смогли , изобразите пути движения жидкости, о которых давно предполагалось».

Она добавила: «Наша работа вызвала значительный интерес в целом ряде дисциплин, включая биологов, стремящихся связать области смешения грунтовых вод и газов с областями чрезвычайного микробиологического разнообразия, геологов, желающих оценить объемы потоков лавы, и гидрологов, заинтересованных в моделировании путей течения. подземных вод и термальной жидкости. С помощью документа в качестве руководства и публикации данных и моделей мы обеспечим проведение исследований в этих разнообразных научных сообществах».

Одна загадка, которую Холбрук заинтересован в дальнейшем прояснении, — это свидетельство отдаленных связей между изолированными поверхностными гидротермальными областями. Данные SkyTEM показывают наличие подземных связей между гидротермальными системами, которые находятся на расстоянии до 6 миль друг от друга.

«Это может иметь значение для совместной эволюции термофильных бактерий и архей», — сказал Холбрук. «Идея о том, что аэрогеофизические данные могут пролить свет на жизнь микроскопических организмов, живущих вокруг горячих источников, — захватывающая идея».