Je leest:

Ze smelten de stenen!

Ze smelten de stenen!

Auteur: | 23 juni 2011

Spectaculaire experimenten in het laboratorium: Door gesteenten onder hoge druk en met zeer hoge snelheid over elkaar heen te laten bewegen smelten ze weg waar je bij staat. Dat levert niet alleen mooie filmpjes op, maar ook informatie over het gedrag van breuken in de aardkorst tijdens een grote aardbeving. Uiteindelijk kan zo de kracht van toekomstige aardbevingen beter voorspeld worden.

Waar en wanneer een grote aardbeving zal plaatsvinden is niet te voorspellen, benadrukt André Niemeijer, onderzoeker bij het Hoge Druk en Temperatuur Laboratorium van de Universiteit van Utrecht, nog maar eens. Dat is in maart wel weer aangetoond, toen bleek dat zelfs een geavanceerd land als Japan met al zijn meetapparatuur en expertise een beving met een momentmagnitude van 9.0 niet kon zien aankomen. Maar hoe zwaar de volgende beving gaat zijn die op komst is, daar zouden onderzoekers in de toekomst misschien wel iets meer over kunnen zeggen.

Breuk
Voorbeeld van beweging van gesteentelagen langs een breuk – in dit geval in Bjerkås, Noorwegen, nabij Oslo.
Kjetil Lenes via Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Aardbeving

Aardschollen drijven rond op de aardmantel, en bewegen dus ten opzichte van elkaar. Door de krachten die hiermee gemoeid zijn vervormen de platen zelf ook. De beweging vindt voor een deel plaats langs de grensvlakken tussen de platen en langs breuken die zich in de aardschol zelf bevinden. Dat gaat echter niet geleidelijk. Wrijving tussen de breukvlakken zorgt ervoor dat de beweging blijft steken, om na wat langere tijd, als de spanningen te groot worden, plotseling los te schieten. Hierdoor wordt een aardbeving veroorzaakt.

Experimenten

In het laboratorium kan het gedrag van gesteenten tijdens aardbevingen tegenwoordig worden nagebootst, zoals bijvoorbeeld in het experiment dat in onderstaand filmpje te zien is.

Voorbeeld van een experiment. Het gesteente wordt eerst in twee ronde schijven gezaagd, met een binnendiameter van 3 centimeter en een buitendiameter van 5 centimeter. Vervolgens worden de schijven tegen elkaar gedrukt, waarna de ene schijf wordt rondgedraaid, met een maximale snelheid van 6,5 meter per seconde (dat is vergelijkbaar met een aardbeving – en ruim 20 kilometer per uur). Aan de andere schijf wordt gemeten welke spanning erop staat, en aan het eind van het experiment kunnen veranderingen in de structuur van het gesteente geanalyseerd worden. © Instituto Nazionale di Geofysica e Vulcanologia, Rome. De machine werd gebouwd met financiële steun van de Europese Research Council.

Spanning

“De theorie lijkt het op het eerste gezicht simpel”, legt Niemeijer uit. “Als je weet wat de spanning is die overwonnen moet worden om een aardbeving te veroorzaken, en je weet hoe snel de platen bewegen, dan weet je ook hoe lang het telkens weer duurt voor de spanning is opgebouwd. Klaar ben je.” Hij tekent een grafiekje op een kladblaadje om het te illustreren:

Schets1 001
Marlies ter Voorde, voor Kennislink

Het ziet er inderdaad niet moeilijk uit. Behoorlijk voorspelbaar, eigenlijk ook wel. Maar goed, dat is de theorie… ‘De praktijk is weerbarstiger’, is waarschijnlijk de beste samenvatting van de problemen. Twee cirkeltjes verschijnen nu op het kladblaadje: het zijn de onzekere factoren in het verhaal.

Schets2 002
Marlies ter Voorde, voor Kennislink

“De spanning die overwonnen moet worden is onbekend, en de hoeveelheid spanning die daadwerkelijk vrijkomt bij een beving is onbekend”, zegt Niemeijer. Beide factoren kunnen bovendien in de tijd behoorlijk variëren. Breukvlakken zijn nu eenmaal geen gelijkmatige, rechte, gladde plankjes; ze zitten vol bobbels en krommingen, en zijn op sommige plekken tamelijk glad en op andere plaatsen juist weer heel erg stroef.

Tevens blijkt in de praktijk dat de spanning die nodig is om een breuk in gang te zetten soms veel lager is dan je tot nu toe aan de hand van resultaten van proeven aan gesteenten zou denken. Het kan zomaar een factor drie of vier schelen, zoals het geval is bij de beroemde San Andreas Breuk in Californië die een enorm aardbevingsrisico vormt voor met name San Fransisco. Hoe kan dat?

Small
De San Andreas breuklijn.

Foliatie

Het kunnen verschillende dingen zijn, zegt Niemeijer. De aanwezigheid van water in de poriën van de gesteenten of langs het breukvlak kan de spanning die nodig is voor een beving flink verlagen.

Of er kan foliatie optreden: interne gelaagdheid in het gesteente, doordat zwakke mineralen als klei, talk, muscoviet en smectiet zich zodanig rangschikken dat ze minuscuul dunne laagjes gaan vormen. Dit vergemakkelijkt het langs elkaar glijden van breukvlakken aanzienlijk. Resultaten van een boring door de San Andreas breuk heen – waarbij inderdaad talken, smectieten en klei werden gevonden – leken vooral het laatste scenario te onderbouwen.

Energie

Het werk van Niemeijer richt zich dan ook met name op de veranderingen in de gesteenten langs de breukvlakken die tijdens de aardbeving plaatsvinden. Gaan zich inderdaad laagjes vormen? Hoeveel smelten ze, en onder welke omstandigheden? Niemeijer: “Dat laatste is met name van belang om de zwaarte van de beving in te kunnen schatten. Hoe meer energie er immers wordt omgezet in warmte, of wordt gebruikt om het gesteente te smelten, hoe minder er overblijft om de aardkorst heen en weer te schudden.” Aan de andere kant vormt het gesmolten gesteente een perfect glijmiddel voor de breukbeweging, waardoor deze wellicht verder doorgaat dan zonder smeltvorming het geval zou zijn.

Wrijven onder hoge druk

Niemeijer begon zijn simulaties van aardbevingen in het laboratorium aan het Instituto Nazionale di Geofysica e Vulcanologia in Rome, en kon het dankzij een Veni-beurs van NWO voortzetten aan de Universteit van Utrecht. Beide instituten beschikken over geavanceerde apparaten, waarin gesteenten onder zeer hoge drukken en temperaturen aan allerlei experimenten worden onderworpen. Niemeijer zelf wrijft gesteente-massa’s vooral tegen elkaar aan, zoals dat bij een aardbeving ook gebeurt.

Zelfde soort experiment als hierboven beschreven, nu in slow-motion

“De hoge druk en temperatuur zorgen voor omstandigheden zoals je die wat dieper in de aarde ook aantreft”, legt hij uit. Het apparaat in Utrecht kan een druk aan die voorkomt op een diepte van ongeveer 20 kilometer. Bovendien worden chemische processen versneld door de hoge temperatuur, vult hij aan. “En dat is handig, want waar de aarde er bij voorkeur enkele miljoenen jaren voor uittrekt om allerlei processen te doorlopen, wil de gemiddelde promovendus zijn proefschrift toch graag wat eerder af hebben.”

Voorspellen?

Uiteindelijk zal het laboratoriumwerk terechtkomen in een veel grotere studie naar breukbewegingen. Door de laboratoriumresultaten te koppelen aan observaties aan breukvlakken in het veld, en de gevonden eigenschappen vervolgens te gebruiken in computersimulaties van de breukbewegingen, hopen de onderzoekers een stapje te kunnen maken in het voorspellen van het gedrag van breuken onder spanning. Een klein stapje, benadrukt Niemeijer, aan grote doorbraken zijn we nog lang niet toe.

En waar en wanneer de volgende grote aardbeving zal plaatsvinden? Dat zal voorlopig een raadsel blijven, zegt Niemeijer. Leg je daar maar alvast bij neer.

Bron

  • Niemeijer e.a. Frictional melting of gabbro under extreme experimental conditions of normal stress, acceleration and sliding velocity Journal of Geophysical Research, in press (2011)

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 juni 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.