Les geysers et les fumerolles du parc national de Yellowstone comptent parmi les caractéristiques géologiques les plus emblématiques et les plus populaires de notre planète. Chaque année, des millions de visiteurs se rendent dans le parc pour s’émerveiller devant les imposantes éruptions d’Old Faithful, les chaudrons de boue bouillonnante d’Artists Paint Pots, l’eau cristalline et les couleurs irisées de Grand Prismatic Spring et les terrasses en travertin empilées de Mammoth Hot. Ressorts.
Ceux qui ont visité le parc se sont peut-être demandé : « D’où vient toute l’eau chaude ? Une étude publiée cette semaine dans Nature, co-écrite par W. Steven Holbrook de Virginia Tech et ses collègues de l’US Geological Survey et de l’Université d’Aarhus au Danemark, fournit de superbes images du sous-sol qui commencent à répondre à cette question.
L’équipe de recherche a utilisé des données géophysiques recueillies à partir d’un hélicoptère pour créer des images du système de « plomberie » souterrain de Yellowstone. La méthode détecte des caractéristiques avec des propriétés électriques et magnétiques inhabituelles indiquant une altération hydrothermale.
« La combinaison d’une conductivité électrique élevée et d’une faible magnétisation est comme une empreinte digitale de l’activité hydrothermale qui apparaît très clairement dans les données », a déclaré Holbrook, professeur de géophysique et chef du département de géosciences du Virginia Tech’s College of Science. « La méthode est essentiellement un détecteur de voie hydrothermale. »
Les images de l’étude montrent que la géologie du parc façonne profondément ses sources chaudes. Les fluides hydrothermaux chauds montent presque verticalement, à partir de profondeurs de plus de 1 km (ou 0,62 miles), pour arriver aux principaux champs hydrothermaux du parc. En cours de route, ils se mélangent aux eaux souterraines moins profondes qui coulent à l’intérieur et sous les coulées de lave volcanique du parc, qui sont également visibles sur les images. Les failles et les fractures guident l’ascension des eaux hydrothermales, tandis que les limites des coulées de lave contrôlent les aquifères souterrains peu profonds.
Le projet comble un manque de connaissances de longue date sur les fondements des caractéristiques hydrothermales charismatiques de Yellowstone. On en sait beaucoup sur les caractéristiques hydrothermales de surface du parc, y compris la chimie et la température des mares et des sources de boue, l’intervalle d’éruption des geysers et les bactéries thermophiles uniques qui vivent dans et autour de ces caractéristiques.
De même, les scientifiques ont un corpus croissant de connaissances sur les sources de chaleur plus profondes et l’activité tectonique en suivant les tremblements de terre qui s’y produisent. Mais on sait peu de choses sur la façon dont les caractéristiques hydrothermales de surface sont reliées les unes aux autres et aux sources plus profondes de chaleur et de fluides.
« Notre connaissance de Yellowstone a longtemps eu une lacune souterraine », a déclaré Holbook. « C’est comme un » sandwich mystérieux « – nous en savons beaucoup sur les caractéristiques de surface grâce à l’observation directe et pas mal sur le système magmatique et tectonique à plusieurs kilomètres de travaux géophysiques, mais nous ne savons pas vraiment ce qu’il y a au milieu. projet nous a permis de combler ces lacunes pour la première fois. »
Pour collecter les données, l’équipe a utilisé un instrument unique appelé « SkyTEM » qui consiste en une grande boucle de fil remorquée sous un hélicoptère. Pendant que l’hélicoptère vole, la boucle envoie des signaux électromagnétiques répétés vers le bas qui provoquent une réponse des corps électriquement conducteurs dans le sous-sol.
Cette réponse est enregistrée et ensuite analysée pour produire des coupes transversales détaillées le long des lignes de vol. La technique est très efficace dans des environnements comme Yellowstone : les fluides hydrothermaux modifient les roches qu’ils traversent, transformant la roche en minéraux argileux – par exemple, les pots de boue de surface – qui ont une conductivité électrique accrue mais une magnétisation supprimée.
Parce que l’hélicoptère est capable de se déplacer à des vitesses de 40 à 50 mph tout en remorquant l’instrument SkyTEM, les scientifiques impliqués dans l’étude ont pu couvrir de vastes étendues du parc national tentaculaire de 3 500 milles carrés, a déclaré Holbrook.
« L’un des aspects uniques de cet ensemble de données est sa couverture étendue de cet énorme système », a ajouté Holbrook. « Nous avons pu non seulement regarder en profondeur sous les caractéristiques hydrothermales, mais aussi voir comment les caractéristiques adjacentes pourraient être connectées dans le sous-sol sur de grandes distances. Cela n’avait jamais été possible auparavant. »
L’un des mystères abordés par les nouveaux travaux est de savoir si différentes zones hydrothermales du parc présentent des sources et des voies de fluides profonds contrastées. L’équipe a trouvé une similitude remarquable dans la structure profonde sous des zones telles que Norris Geyser Basin et Lower Geyser Basin, suggérant que les contrastes dans la chimie et les températures de ces zones ne sont pas causés par des processus profonds. Au lieu de cela, des degrés variables de mélange avec les eaux souterraines peu profondes créent probablement la grande variété de caractéristiques des sources chaudes dans le parc.
Dans l’ensemble, le projet a généré plus de 2 500 miles de lignes d’hélicoptères, une énorme quantité de données, selon Holbrook. Lors de la publication de l’étude le mois dernier, l’équipe de recherche a publié les données afin que d’autres puissent entreprendre des recherches supplémentaires.
« L’ensemble de données est si volumineux que nous n’avons fait qu’effleurer la surface avec ce premier article », a ajouté Holbrook. « J’ai hâte de continuer à travailler sur ces données et de voir ce que d’autres trouveront également. Ce sera un ensemble de données qui continuera à donner. »
Avant de rejoindre Virginia Tech en 2017, Holbrook faisait partie du Département de géologie et de géophysique de l’Université du Wyoming à Laramie, Wyoming. Il a également codirigé le Wyoming Center for Environmental Hydrology and Geophysics. Il a déclaré: « J’ai fait plusieurs sorties sur le terrain pour collecter des données géophysiques au sol à Yellowstone. Les données aéroportées couvrent beaucoup plus de terrain beaucoup plus rapidement que nous ne le pourrions en faisant de la randonnée dans l’arrière-pays. »
Carol Finn de l’US Geological Survey et auteur principal de l’étude a déclaré : « Alors que les données aéroportées étaient encore en cours de collecte, nous avons vu les premières images d’Old Faithful et avons su instantanément que notre expérience avait fonctionné – que nous pouvions, pour la première fois , imaginez les voies fluides qui avaient longtemps été spéculées. »
Elle a ajouté : « Notre travail a suscité un intérêt considérable dans un éventail de disciplines, y compris les biologistes cherchant à relier les zones de mélange d’eaux souterraines et de gaz à des régions d’extrême diversité microbiologique, les géologues souhaitant estimer les volumes de coulées de lave et les hydrologues intéressés par la modélisation des voies d’écoulement. des eaux souterraines et des fluides thermiques. Avec le document comme guide et la publication des données et des modèles, nous faciliterons la recherche dans ces diverses communautés scientifiques.
Un mystère que Holbrook souhaite approfondir est la preuve de connexions distantes entre des zones hydrothermales de surface isolées. Les données SkyTEM montrent des preuves de liens souterrains entre des systèmes hydrothermaux distants de jusqu’à 6 milles.
« Cela pourrait avoir des implications pour la co-évolution des bactéries thermophiles et des Archaea », a déclaré Holbrook. « L’idée que les données géophysiques aéroportées pourraient éclairer quelque chose sur la vie des organismes microscopiques vivant autour des sources chaudes est une idée fascinante. »
Carol Finn, Imagerie géophysique du système de plomberie hydrothermale de Yellowstone, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-021-04379-1. www.nature.com/articles/s41586-021-04379-1