Old Faithful est le monument le plus célèbre du parc national de Yellowstone. Des millions de visiteurs viennent au parc chaque année pour voir le geyser éclater toutes les 44 à 125 minutes. Mais malgré la renommée d'Old Faithful, on savait relativement peu de choses sur l'anatomie géologique de la structure et les voies de fluide qui alimentent le geyser sous la surface. Jusqu'à maintenant.

Des scientifiques de l'Université de l'Utah ont cartographié la géologie proche de la surface autour d'Old Faithful, révélant le réservoir d'eau chauffée qui alimente l'évent de surface du geyser et le comportement des secousses du sol entre les éruptions. La carte a été rendue possible par un réseau dense de sismographes portables et par de nouvelles techniques d'analyse sismique. Les résultats sont publiés dans Lettres de recherche géophysique . Le doctorant Sin-Mei Wu est le premier auteur.

Pour Robert Smith, chercheur de longue date à Yellowstone et éminent professeur de recherche en géologie et géophysique, l'étude est l'aboutissement de plus d'une décennie de planification et intervient alors qu'il célèbre ses 60 ans de travail dans le premier parc national des États-Unis.

"Voici le geyser emblématique de Yellowstone, " Smith dit. " C'est connu dans le monde entier, mais la plomberie géologique complète de l'Upper Geyser Basin de Yellowstone n'a pas été cartographiée et nous n'avons pas étudié comment le moment des éruptions est lié aux tremblements de terre précurseurs avant les éruptions.

Petits sismomètres

Old Faithful est un exemple emblématique d'une caractéristique hydrothermale, et en particulier des caractéristiques du parc national de Yellowstone, qui repose sur deux réservoirs de magma actifs à des profondeurs de 5 à 40 km de profondeur qui fournissent de la chaleur aux eaux souterraines sus-jacentes près de la surface. Dans certains endroits de Yellowstone, l'eau chaude se manifeste dans les piscines et les sources. Chez les autres, il prend la forme de geysers explosifs.

Des dizaines de structures entourent Old Faithful, y compris les hôtels, une boutique de cadeaux et un centre d'accueil. Certains de ces bâtiments, le Service du Parc a trouvé, sont construits sur des caractéristiques thermiques qui entraînent une chaleur excessive sous l'environnement bâti. Dans le cadre de leur plan de gestion de la zone Old Faithful, le Park Service a demandé à des scientifiques de l'Université de l'Utah de mener une étude géologique de la zone autour du geyser.

Pendant des années, les co-auteurs de l'étude Jamie Farrell et Fan-Chi Lin, avec Smith, ont travaillé pour caractériser les réservoirs de magma profondément sous Yellowstone. Bien que les géologues puissent utiliser les données sismiques de grands tremblements de terre pour voir les caractéristiques profondes de la terre, la géologie souterraine peu profonde du parc est restée un mystère, car sa cartographie nécessiterait de capturer les mouvements du sol miniatures quotidiens et l'énergie sismique à une échelle beaucoup plus petite. "Nous essayons d'utiliser des secousses continues produites par l'homme, voitures, vent, l'eau et les ébullitions hydrothermales de Yellowstone et les convertir en notre signal, " dit Lin. "Nous pouvons extraire un signal utile de la vibration ambiante du sol de fond."

À ce jour, l'Université de l'Utah a placé 30 sismomètres permanents autour du parc pour enregistrer les secousses du sol et surveiller les tremblements de terre et les événements volcaniques. Le coût de ces sismomètres, cependant, peut facilement dépasser 10 $, 000. Petits sismomètres, développé par Fairfield Nodal pour l'industrie pétrolière et gazière, réduire le coût à moins de 2 $, 000 par unité. Ce sont de petits bidons blancs d'environ six pouces de haut et sont totalement autonomes et autonomes. "Tu viens de le sortir et de le planter dans le sol, " dit Smith.

En 2015, avec les nouveaux instruments, l'équipe de l'Utah a déployé 133 sismomètres dans les régions d'Old Faithful et de Geyser Hill pour une campagne de deux semaines.

Les capteurs ont détecté des rafales de tremblements sismiques intenses autour d'Old Faithful, environ 60 minutes, séparés par environ 30 minutes de calme. Lorsque Farrell présente ces modèles, il demande souvent au public à quel moment ils pensent que l'éruption d'Old Faithful a lieu. Étonnamment, ce n'est pas au pic des tremblements. C'est à la fin, juste avant que tout redevienne calme.

Après une éruption, le réservoir du geyser se remplit à nouveau d'eau chaude, Farrell explique. « Au fur et à mesure que cette cavité se remplit, vous avez beaucoup de bulles chaudes sous pression, " dit-il. " Quand ils montent, ils se refroidissent très rapidement et ils s'effondrent et implosent. » L'énergie libérée par ces implosions provoque les tremblements menant à une éruption.

Le bruit d'un scientifique est le signal d'un autre scientifique

Typiquement, les chercheurs créent un signal sismique en balançant un marteau sur une plaque métallique au sol. Lin et Wu ont développé les outils de calcul qui aideraient à trouver des signaux utiles parmi le bruit sismique sans perturber l'environnement sensible dans le Upper Geyser Basin. Wu dit qu'elle a pu utiliser les caractéristiques hydrothermales elles-mêmes comme source sismique, étudier la propagation de l'énergie sismique en corrélant les signaux enregistrés au niveau du capteur proche d'une source persistante à d'autres capteurs. "C'est incroyable que vous puissiez utiliser la source hydrothermale pour observer la structure ici, " elle dit.

Lors de l'analyse des données des capteurs sismiques, les chercheurs ont remarqué que les signaux de tremblement d'Old Faithful n'atteignaient pas la promenade ouest. Les ondes sismiques extraites d'une autre caractéristique hydrothermale du nord ont ralenti et se sont dispersées de manière significative dans presque la même zone, ce qui suggère que quelque part à l'ouest d'Old Faithful se trouvait une caractéristique souterraine qui affecte les ondes sismiques de manière anormale. Avec un réseau dense de sismomètres, l'équipe pourrait déterminer la forme, Taille, et l'emplacement de l'élément, qu'ils croient être le réservoir hydrothermal d'Old Faithful.

Wu estime que le réservoir, un réseau de fissures et de fractures à travers lequel l'eau s'écoule, a un diamètre d'environ 200 mètres, un peu plus grand que le Rice-Eccles Stadium de l'Université de l'Utah, et peut contenir environ 300, 000 mètres cubes d'eau, ou plus de 79 millions de gallons. Par comparaison, chaque éruption d'Old Faithful libère environ 30 m ³ de l'eau, ou près de 8, 000 gallons. "Bien que ce soit une estimation approximative, nous avons été surpris qu'il soit si grand, " dit Wu.

La poursuite des travaux

L'équipe est loin d'avoir fini de répondre aux questions sur Yellowstone. Ils sont revenus pour une autre campagne sismique en novembre 2016 et planifient leur déploiement en 2017, commencer après la fermeture des routes du parc pour l'hiver. Wu étudie comment la température de l'air pourrait modifier la structure souterraine et affecter la propagation des ondes sismiques. Farrell utilise les données sismiques de l'équipe pour prédire comment les ondes sismiques pourraient se répercuter dans la région. Smith est impatient de mener une analyse similaire dans le Norris Geyser Basin, la zone géothermique la plus chaude du parc. Lin dit que le programme de recherche de l'Université de l'Utah à Yellowstone doit beaucoup à la relation de plusieurs décennies de Smith avec le parc, permettant de nouvelles découvertes. "Vous avez besoin de nouvelles techniques, " Lin dit, "mais aussi ces relations à long terme."