Das geologische Herz des Old Faithful im Yellowstone-Nationalpark

Luftbild des ausbrechenden Old Faithful im Yellowstone National Park. (Credits: Yellowstone National Park)
Luftbild des ausbrechenden Old Faithful im Yellowstone National Park. (Credits: Yellowstone National Park)

Der Old Faithful ist das berühmteste Wahrzeichen des Yellowstone-Nationalparks. Jedes Jahr kommen Millionen Besucher, um zu sehen, wie der Geysir alle 44-125 Minuten ausbricht. Aber trotz der Berühmtheit des Old Faithful war nur sehr wenig über die geologische Anatomie der Struktur und die Pfade des Wassers bekannt, die den Geysir unter der Oberfläche versorgen. Bis jetzt.

Wissenschaftler der University of Utah haben die oberflächennahe Geologie um den Old Faithful herum kartiert und das Reservoir mit erhitztem Wasser enthüllt, das den Schlot des Geysirs zur Oberfläche versorgt. Außerdem untersuchten sie, wie die Erschütterungen des Bodens sich zwischen den Eruptionen verhalten. Die Karte wurde durch ein dichtes Netzwerk tragbarer Seismografen und durch neue seismische Analysetechniken ermöglicht. Die Ergebnisse wurden in den Geophysical Research Letters veröffentlicht. Die Doktorandin Sin-Mei Wu ist die Erstautorin.

Für Robert Smith, einen langjährigen Yellowstone-Forscher und außerordentlichen Professor für Geologie und Geophysik, ist die Studie der Höhepunkt von mehr als einem Jahrzehnt der Planung. Sie kommt pünktlich zu seinem 60. Forschungsjahr im ersten Nationalpark der USA.

"Das hier ist der Kult-Geysir des Yellowstone-Nationalparks", sagte Smith. "Er ist auf der ganzen Welt bekannt, aber die gesamten geologischen Wasserbahnen des oberen Yellowstone-Geysirbeckens wurden bisher weder kartiert, noch haben wir untersucht, wie die Zeitpunkte der Eruptionen mit den vorangegangenen Bodenerschütterungen vor ihnen zusammenhängen."

Kleine Seismometer
Der Old Faithful ist ein ikonisches Beispiel für eine hydrothermale Struktur und besonders für die Strukturen im Yellowstone-Nationalpark, unter dem zwei aktive Magmakammern in Tiefen zwischen fünf und 40 Kilometern liegen. Die Magmakammern erhitzen das darüber liegende oberflächennahe Grundwasser. An manchen Orten im Yellowstone-Nationalpark manifestiert sich das heiße Wasser in Form von Teichen und Quellen. In anderen Fällen nimmt es die Form explosiver Geysire an.

Dutzende Gebäude umgeben den Old Faithful, darunter Hotels, ein Geschenkshop und ein Besucherzentrum. Einige der Gebäude, so hat der Park Service festgestellt, wurden auf thermalen Strukturen errichtet, was in großer Hitze unter ihnen resultiert. Als Teil ihres Plans, das Gebiet des Old Faithful zu verwalten, bat der Park Service die Wissenschaftler der University of Utah, eine geologische Untersuchung der Region um den Geysir durchzuführen.

Seit Jahren haben die Co-Autoren Jamie Farrell und Fan-Chi Lin zusammen mit Smith daran gearbeitet, die Magmakammern tief unter dem Yellowstone-Nationalpark zu charakterisieren. Obwohl Geologen seismische Daten von starken Erdbeben nutzen können, um Strukturen tief innerhalb der Erde zu sehen, blieb die oberflächennahe, unterirdische Geologie des Parks ein Rätsel. Das lag darin begründet, dass die Kartierung die tagtägliche Registrierung winziger Bodenbewegungen und seismischer Energien in viel kleineren Maßstäben erfordern würde.

"Wir versuchen, die stetigen Bodenerschütterungen von Menschen, Autos, Wind, Wasser und hydrothermalen Aktivitäten zu verwenden und sie in unser Signal zu konvertieren", sagte Lin. "Wir können ein nützliches Signal aus den ständigen Hintergrunderschütterungen herausfiltern."

Bis jetzt hat die University of Utah 30 permanente Seismometer im Park aufgestellt, um die Bodenerschütterungen aufzuzeichnen und Erdbeben und vulkanische Ereignisse zu überwachen. Die Kosten für diese Seismometer können jedoch leicht 10.000 US-Dollar übersteigen. Kleine Seismometer, entwickelt von FairfieldNodal für die Öl- und Gasindustrie, reduzieren die Kosten auf weniger als 2.000 US-Dollar pro Stück. Es sind kleine, weiße Kanister von etwa 15 Zentimetern Höhe, die völlig autonom sind. "Man nimmt sie einfach und steckt sie in den Boden", sagte Smith.

Im Jahr 2015 platzierte das Team der University of Utah 133 dieser neuen Seismometer im Gebiet des Old Faithful und Geyser Hill für eine zweiwöchige Beobachtungskampagne.

Die Sensoren zeichneten Ausbrüche intensiver seismischer Erschütterungen um den Old Faithful auf, etwa 60 Minuten lang und durch etwa 30 Minuten Stille voneinander getrennt. Wenn Farrell diese Muster präsentiert, fragt er die Zuschauer oft, an welchen Punkt ihrer Meinung nach eine Eruption des Old Faithful stattfindet. Überraschenderweise ist das nicht bei der Spitze der Erschütterungen der Fall, sondern kurz bevor alles wieder ruhig wird.

Nach einer Eruption füllt sich das Reservoir des Geysirs wieder mit heißem Wasser. "Während sich der Hohlraum füllt, gibt es viele heiße, verdichtete Blasen", sagte Farrell. "Wenn sie aufsteigen, kühlen sie sich sehr schnell ab und dann kollabieren und implodieren sie." Die von diesen Implosionen freigesetzte Energie erzeugt die Erschütterungen, die zu einer Eruption führen.

Schematische Darstellung des hydrogeologischen Systems um den Geysir Old Faithful, wie es von den Ergebnissen der aktuellen Studie vorgeschlagen wird. (Credit: Photo credit: Sin-Mei Wu)
Schematische Darstellung des hydrogeologischen Systems um den Geysir Old Faithful, wie es von den Ergebnissen der aktuellen Studie vorgeschlagen wird. (Credit: Photo credit: Sin-Mei Wu)

Des einen Forschers Rauschen ist des anderen Signal
Normalerweise erzeugen Forscher ein seismisches Signal mit einer aktiven Quelle, etwa einem Hammer, der auf eine Metallplatte am Boden trifft, was Erschütterungen auslöst. Lin und Wu entwickelten die Datenanalysemethode, die dabei helfen würde, nützliche Signale in dem seismischen Rauschen zu finden, ohne die empfindliche Umgebung im oberen Geysirbecken zu stören.

Wu sagte, sie könne die hydrothermalen Strukturen selbst als seismische Quellen verwenden, um zu untersuchen, wie sich die seismische Energie ausbreitet. Dafür müssen die Signale die von einem Sensor nahe einer stetigen Quelle aufgezeichnet wurden, mit anderen Sensoren korrelieren. "Es ist erstaunlich, dass man die hydrothermalen Quellen nutzen kann, um die Struktur hier abzubilden", sagte sie.

Als sie die Daten der seismischen Sensoren analysieren, bemerkten die Wissenschaftler, dass die Erschütterungssignale vom Old Faithful nicht den westlichen Bohlenweg erreichten. Seismische Wellen von einer anderen hydrothermalen Struktur im Norden verlangsamten sich und zerstreuten sich stark in fast genau dem gleichen Gebiet. Das spricht dafür, dass es irgendwo westlich des Old Faithful eine unterirdische Struktur gibt, die die seismischen Wellen auf ungewöhnliche Art und Weise beeinflusst. Mit einem dichten Netzwerk aus Seismometern konnte das Team die Form, Größe und Position der Struktur bestimmen, von der sie annehmen, dass sie das hydrothermale Reservoir des Old Faithful darstellt.

Wu schätzt, dass das Reservoir – ein Netzwerk aus Brüchen und Spalten, durch die das Wasser fließt – einen Durchmesser von etwa 200 Metern besitzt und rund 300.000 Kubikmeter Wasser fassen kann – mehr als 79 Millionen Gallonen. Zum Vergleich: Jede Eruption des Old Faithful setzt etwa 30 Kubikmeter Wasser frei, was fast 8.000 Gallonen entspricht. "Obwohl es nur eine grobe Schätzung ist, waren wir überrascht, dass es eine so große Menge ist", sagte Wu.

Weitere Arbeit
Das Team ist weit davon entfernt, alle Fragen über Yellowstone beantwortet zu haben. Im November 2016 kehrten die Forscher für eine weitere seismische Untersuchung zurück und für 2017 planen sie ihre Arbeit, die nach der winterbedingten Schließung der Parkstraßen beginnen wird. Wu beobachtet, wie sich die unterirdische Struktur und damit die Ausbreitung der seismischen Wellen mit der Zeit verändern kann. Farrell nutzt die seismischen Daten des Teams, um noch besser aufgelöste Bilder des Untergrunds zu machen und vorherzusagen, wie die Erdbebenwellen in der Region reflektiert werden könnten.

Smith freut sich auf die Durchführung ähnlicher Analysen im Norris-Geysirbecken, dem heißesten geothermalen Gebiet des Parks. Lin sagte, dass das Forschungsprogramm der University of Utah im Yellowstone-Park viel der jahrzehntelangen Beziehung zwischen Smith und dem Park verdanke, was neue Entdeckungen ermögliche. "Man braucht neue Techniken", sagte Lin, "aber auch diese langjährigen Beziehungen."

Die komplette Studie ist hier zu finden. Die Forschungsarbeit wurde von der National Science Foundation und der King Abdullah University of Science and Technologie, sowie der Brinson Foundation und dem Carrico Fund finanziert. Fan-Chi Lin ist der leitende Forscher.

Quelle

(THK)

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