Die Geysire und Fumarolen des Yellowstone-Nationalparks gehören zu den bekanntesten und beliebtesten geologischen Merkmalen unseres Planeten. Jedes Jahr reisen Millionen von Besuchern in den Park, um die hoch aufragenden Eruptionen von Old Faithful, die blubbernden Schlammkessel von Artists Paint Pots, das kristallklare Wasser und die schillernden Farben von Grand Prismatic Spring und die gestapelten Travertinterrassen von Mammoth Hot zu bestaunen Federn.
Diejenigen, die den Park besucht haben, haben sich vielleicht gefragt: „Woher kommt das ganze heiße Wasser?“ Eine diese Woche in Nature veröffentlichte Studie, die von W. Steven Holbrook von Virginia Tech und Kollegen vom US Geological Survey und der Universität Aarhus in Dänemark mitverfasst wurde, liefert atemberaubende unterirdische Bilder, die diese Frage zu beantworten beginnen.
Das Forschungsteam verwendete geophysikalische Daten, die von einem Helikopter gesammelt wurden, um Bilder des unterirdischen „Rohrleitungs“-Systems von Yellowstone zu erstellen. Die Methode erkennt Merkmale mit ungewöhnlichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften, die auf eine hydrothermale Veränderung hinweisen.
„Die Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringer Magnetisierung ist wie ein Fingerabdruck der hydrothermalen Aktivität, der sich sehr deutlich in den Daten zeigt“, sagte Holbrook, Professor für Geophysik und Leiter der Abteilung für Geowissenschaften am College of Science der Virginia Tech. „Die Methode ist im Wesentlichen ein Detektor für hydrothermale Pfade.“
Bilder aus der Studie zeigen, dass die Geologie des Parks seine heißen Quellen grundlegend prägt. Heiße hydrothermale Flüssigkeiten steigen fast senkrecht aus Tiefen von mehr als 1 km (oder 0,62 Meilen) auf, um zu den wichtigsten hydrothermalen Feldern des Parks zu gelangen. Unterwegs vermischen sie sich mit flacherem Grundwasser, das innerhalb und unter den vulkanischen Lavaströmen des Parks fließt, die auch auf den Bildern zu sehen sind. Verwerfungen und Brüche lenken den Aufstieg hydrothermaler Gewässer, während Lavastromgrenzen die seichten Grundwasserleiter kontrollieren.
Das Projekt füllt eine langjährige Wissenslücke über die Grundlagen der charismatischen hydrothermalen Eigenschaften von Yellowstone. Über die hydrothermalen Oberflächeneigenschaften des Parks ist viel bekannt, darunter die Chemie und Temperatur von Schlammtöpfen und Quellen, das Eruptionsintervall von Geysiren und die einzigartigen thermophilen Bakterien, die in und um diese Eigenschaften herum leben.
Ebenso verfügen Wissenschaftler über ein wachsendes Wissen über die tieferen Wärmequellen und tektonischen Aktivitäten, indem sie Erdbeben verfolgen, die dort auftreten. Es ist jedoch wenig darüber bekannt, wie die hydrothermalen Merkmale der Oberfläche miteinander und mit den tieferen Wärme- und Flüssigkeitsquellen verbunden sind.
„Unser Wissen über Yellowstone hat seit langem eine unterirdische Lücke“, sagte Holbook. „Es ist wie ein ‚Mystery-Sandwich‘ – wir wissen viel über die Oberflächenmerkmale aus direkter Beobachtung und ziemlich viel über das magmatische und tektonische System mehrere Kilometer unter der Erde aus geophysikalischen Arbeiten, aber wir wissen nicht wirklich, was sich in der Mitte befindet. Das Projekt hat es uns erstmals ermöglicht, diese Lücken zu schließen.“
Um die Daten zu sammeln, verwendete das Team ein einzigartiges Instrument namens „SkyTEM“, das aus einer großen Drahtschleife besteht, die unter einem Hubschrauber gezogen wird. Während der Hubschrauber fliegt, sendet die Schleife wiederholt elektromagnetische Signale nach unten, die eine Reaktion von elektrisch leitfähigen Körpern im Untergrund hervorrufen.
Diese Reaktion wird aufgezeichnet und später analysiert, um detaillierte Querschnitte entlang der Fluglinien zu erstellen. Die Technik ist in Umgebungen wie Yellowstone sehr effektiv: Hydrothermale Flüssigkeiten verändern das Gestein, das sie durchqueren, und verwandeln Gestein in Tonmineralien – zum Beispiel die Schlammtöpfe an der Oberfläche – die eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, aber eine unterdrückte Magnetisierung aufweisen.
Da der Hubschrauber beim Schleppen des SkyTEM-Instruments mit Geschwindigkeiten von 40 bis 50 Meilen pro Stunde fliegen kann, konnten die an der Studie beteiligten Wissenschaftler große Teile des weitläufigen, 3.500 Quadratmeilen großen Nationalparks abdecken, sagte Holbrook.
„Einer der einzigartigen Aspekte dieses Datensatzes ist seine umfassende Abdeckung dieses riesigen Systems“, fügte Holbrook hinzu. „Wir konnten nicht nur tief unter die hydrothermalen Merkmale blicken, sondern auch sehen, wie benachbarte Merkmale im Untergrund über große Entfernungen miteinander verbunden sein könnten. Das war zuvor noch nie möglich.“
Eines der Rätsel, mit denen sich die neue Arbeit befasst, ist, ob verschiedene hydrothermale Gebiete im Park kontrastierende tiefe Flüssigkeitsquellen und -pfade aufweisen. Das Team fand eine bemerkenswerte Ähnlichkeit in der Tiefenstruktur unter Gebieten wie dem Norris Geyser Basin und dem Lower Geyser Basin, was darauf hindeutet, dass Kontraste in der Chemie und den Temperaturen dieser Gebiete nicht durch tiefe Prozesse verursacht werden. Stattdessen erzeugen wahrscheinlich unterschiedliche Vermischungsgrade mit flachem Grundwasser die große Vielfalt der Eigenschaften heißer Quellen im Park.
Insgesamt generierte das Projekt laut Holbrook mehr als 2.500 Meilen an Hubschrauberlinien, eine enorme Datenmenge. Nach der Veröffentlichung der Studie im vergangenen Monat veröffentlichte das Forschungsteam die Daten, damit andere weitere Untersuchungen durchführen können.
„Der Datensatz ist so groß, dass wir mit diesem ersten Artikel nur an der Oberfläche gekratzt haben“, fügte Holbrook hinzu. „Ich freue mich darauf, weiter an diesen Daten zu arbeiten und zu sehen, was andere sich einfallen lassen. Es wird ein Datensatz sein, der immer wieder neue Ergebnisse liefert.“
Bevor er 2017 an die Virginia Tech kam, war Holbrook Teil des Department of Geology and Geophysics an der University of Wyoming in Laramie, Wyoming. Er war auch Co-Direktor des Wyoming Center for Environmental Hydrology and Geophysics. Er sagte: „Ich habe mehrere Exkursionen unternommen, um bodengestützte geophysikalische Daten in Yellowstone zu sammeln.
Carol Finn vom US Geological Survey und Hauptautorin der Studie sagte: „Während die Luftdaten noch gesammelt wurden, sahen wir die ersten Bilder über Old Faithful und wussten sofort, dass unser Experiment funktioniert hatte – dass wir es zum ersten Mal konnten , stellen Sie sich die Flüssigkeitswege vor, über die lange spekuliert wurde.
Sie fügte hinzu: „Unsere Arbeit hat in einer Reihe von Disziplinen beträchtliches Interesse geweckt, darunter Biologen, die Gebiete mit Grundwasser- und Gasvermischungen mit Regionen extremer mikrobiologischer Vielfalt verbinden möchten, Geologen, die das Volumen von Lavaströmen abschätzen möchten, und Hydrologen, die an der Modellierung von Fließwegen interessiert sind von Grundwasser und Thermofluid. Mit dem Papier als Leitfaden und der Veröffentlichung der Daten und Modelle werden wir die Forschung in diesen verschiedenen wissenschaftlichen Gemeinschaften ermöglichen.“
Ein Rätsel, das Holbrook weiter verfolgen möchte, sind Beweise für entfernte Verbindungen zwischen isolierten hydrothermalen Oberflächengebieten. Die SkyTEM-Daten zeigen Hinweise auf unterirdische Verbindungen zwischen hydrothermalen Systemen, die bis zu 6 Meilen voneinander entfernt sind.
„Das könnte Auswirkungen auf die Co-Evolution von thermophilen Bakterien und Archaea haben“, sagte Holbrook. „Die Vorstellung, dass luftgestützte geophysikalische Daten etwas über das Leben mikroskopisch kleiner Organismen, die in der Nähe heißer Quellen leben, aufklären könnten, ist eine faszinierende Idee.“
Carol Finn, Geophysikalische Bildgebung des hydrothermalen Rohrleitungssystems von Yellowstone, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04379-1. www.nature.com/articles/s41586-021-04379-1