Большинство посетителей приезжает в Йеллоустон, чтобы увидеть выстреливающие в небо гейзеры, но кандидат наук Кэрол Финн приехала посмотреть, что находится под ними. Проведя аэрогеофизическую съемку, ее рабочая группа обнаружила сюрпризы, которые изменили наши представления о знаковых термальных источниках этого парка.
«Это действительно самый известный парк в мире», — говорит Кэрол, геофизик-исследователь из Геологической службы США.
«Мы проводили полеты для аэросъемки в межсезонье, когда нет посетителей, но парк традиционно привлекает всеобщее внимание. Так что мы не смогли бы сделать это без поддержки Йеллоустонского национального парка».
В 2016 году над Йеллоустоном взлетел вертолет с подвешенным внизу оборудованием для электромагнитной и магнитной разведки. Маршрут аэросъемки проходил по всему парку, выстраивая сетку профиль за профилем. Он покрыл более 4200 км маршрута, собрав данные с воздуха, не касаясь драгоценного парка.
«Электромагнитный прибор позволяет нам косвенно измерять удельное электрическое сопротивление грунта… Магнитометр измеряет магнитное поле Земли, и мы можем вносить поправки для получения сигналов из геологии», — говорит Кэрол.
Целью исследователей было создать карту удельного сопротивления подземных объектов Йеллоустона. Различные значения удельного сопротивления помогают определить различные материалы, в первую очередь флюиды, глины, вулканические породы и разломы. Данные дадут ученым представление о том, что и где находится под Йеллоустоном.
«Первый разрез, который мы увидели во время полетов, относился к гейзеру Старый служака (Old Faithful), и мы поняли, что съемка сработала. Мы просто не знали, что означают эти данные».
Над Йеллоустонским парком пролетает вертолет с оборудованием для геофизических исследований. Источник: Кэрол Финн, кандидат наук
Круговорот воды в гейзерах
В то время как рабочая группа Кэрола надеялась получить представление о геологическом строении парка, никто не ожидал, что данные прольют свет на его знаменитые термальные источники.
«Я привыкла использовать данные магнитного поля на вершинах других вулканов, чтобы идентифицировать большие богатые глиной районы как потенциальные источники оползней. Так что я не думала о них как об индикаторах газа и/или флюидов, поднимающихся с глубины», — разъясняет Кэрол.
«Возможность различать холодные грунтовые воды и высокотемпературные флюиды стала неожиданностью. Способность использовать магниторазведочные данные, чтобы сказать что-либо о гидротермальной системе — этого я не ожидала».
Ее открытие теперь опубликовано в журнале Nature и представляет каналы миграции флюидов, которые приводят в действие термальные источники Йеллоустона. Сравнив данные с похожего участка в Таупо, Новая Зеландия, Кэрол смогла интерпретировать данные, полученные в результате новой съемки.
«Одна из вещей, которую я узнала, заключалась в возможности идентифицировать «отпечатки пальцев» этой большой гидротермальной системы», — говорит Кэрол.
«Есть четыре компонента системы горячих вод или гидротермальной системы Йеллоустона: обильные осадки, разломы, магма и горячие породы, а также пространства между потоками лавы или иногда внутри самого потока лавы».
Кэрол возле Серного источника в Йеллоустоне — месте, где высокотемпературные воды выходят на поверхность из-под земли. Источник: Кэрол Финн, кандидат наук
В Йеллоустоне выпадает много осадков, и это запускает систему.
Разломы (трещины) в земле позволяют пресной воде с поверхности уходить в глубину на четыре-пять километров. Там она нагревается, что заставляет жидкости снова подниматься вверх. По пути к поверхности эта горячая вода взаимодействует с горными породами, в результате чего вода насыщается солями, а химический состав самих горных пород изменяется.
Соли позволили Кэрол различать пресную воду и термальные флюиды, текущие под землей.
«Основываясь на наших данных, мы можем увидеть характерный признак пресной воды, такой как таяние снега, потому что ее удельное сопротивление выше, чем у термальных флюидов».
Ей удалось проследить, как горячие флюиды поднимались вверх по разломам и текли по боковым каналам, прежде чем выйти на поверхность в виде термальных источников в парке, таких как гейзер Старый служака или термальные озера.
Данные Кэрол позволили ей увидеть, где и как вода течет с поверхности в глубину и обратно: впервые в истории парка.
Геофизические данные Кэрол показывают, где пресная вода сверху стекает в недра, нагревается и поднимается обратно на поверхность в виде горячих флюидов. Источник: Кэрол Финн, кандидат наук
Разломы: Откуда берется пар для гейзеров
Еще один большой сюрприз в данных изменил то, как ученые понимали механику гейзеров Йеллоустона.
Предыдущие модели предполагали, что, хотя термальные флюиды действительно поднимались через разломы, они затем задерживались глубоко под землей в резервуарах-ловушках с более молодыми потоками лавы наверху. Разломы никогда не доходили до уровня рядом с поверхностью.
Считалось, что под этими лавовыми шапками горячие флюиды были вынуждены двигаться в боковом направлении, пока не достигали края лавового потока — и только после этого пробивались на поверхность.
«И это имеет смысл, поскольку это то, что вы наблюдаете своими глазами. Вы стоите в конце бассейна и видите источники. Это правда, так может происходить на самом деле», — разъясняет Кэрол.
В знаменитый гейзер Старый служака (Old Faithful) в Йеллоустоне пар поступает из разломов, через которые термальные воды поднимаются на поверхность.
Но вместо того, чтобы найти под термальными источниками Йеллоустона глубокие резервуары жидкости, покрытые потоками лавы, рабочая группа Кэрол обнаружила разломы, ведущие к поверхности, с шапками из глины.
«Что же мы увидели: что все термальные области связаны с разломами, отображаемыми как разрывы в структуре удельного сопротивления. Кроме того, низкая магнитная восприимчивость и удельное сопротивление указывают на толстые слои глины, которые образуются над разломами или трещинами, по которым выходят наверх термальные флюиды и газ».
Геофизические данные показали, что области с небольшим количеством термальных источников, такие как центральная кальдера, не подстилаются глинами, и под ними не проходят каналы миграции термальных флюидов. В большинстве случаев разломы не блокируются потоками лавы, а подходят к поверхности, напрямую питая гейзеры.
Опасные зоны и микроорганизмы
Получив в ходе съемки так много данных для изучения, рабочая группа Кэрол нацелилась на некоторые из наименее исследованных и наиболее опасных мест в парке.
«Вероятно, мы проведем подробную работу в Йеллоустонском озере, чтобы узнать, могут ли геофизические данные рассказать нам что-нибудь о кратерах гидротермального взрыва, которые на самом деле представляют самую большую опасность в парке».
Йеллоустонское озеро является местом крупнейшего в мире гидротермального взрыва, оставившего после себя кратер шириной 2,6 км около 13 800 лет назад. Вдобавок в результате более поздних событий (некоторые из которых произошли совсем недавно — в 1989 году), валуны и скалы были отброшены на много метров.1
Мало что известно о гидротермальных взрывах, когда пар под давлением и горячие жидкости извергаются снизу, выбрасывая в воздух горные породы и почву. Пока что они непредсказуемы.
Понимание того, как они формируются, поможет сохранить знаменитый парк в безопасности. Но помимо гидрогеологии данные Кэрол уже находят более неожиданные применения.
Большой призматический источник (Grand Prismatic Spring) в Йеллоустоне приобрел свои яркие цвета благодаря химическому составу термальных вод и колониям микроорганизмов, которые питаются его энергией.
«Один биолог сказал мне: «мы давно знали о геохимии, но мне впервые удалось увидеть каналы движения флюидов и газов и то, как они смешиваются и попадают на поверхность», — говорит Кэрол.
«Это влияет на внешнее проявление микроорганизмов, поскольку это и есть их основная пища».
Вскоре Кэрол будет работать вместе с биологами, используя данные съемки в исследованиях, изучающих микроорганизмы, которые питаются химической энергией высокотемпературных флюидов.
Какими бы впечатляющими ни выглядели гейзеры Йеллоустона с поверхности, скрытый мир под ним поразил исследователей. Время покажет, какие взрывные результаты отобразятся в данных в будущем.
1Гидротермальные взрывы. (данные отсутствуют) Геологическая служба США. Информация от 30 мая 2022 г. с веб-сайта <https://www.usgs.gov/volcanoes/yellowstone/hydrothermal-explosions>