Deze week vonden er (bij wijze van experiment) mini-aardbevingen plaats op Science Park
Kennis over aardbevingen is cruciaal in gebieden die hoog risico lopen, zoals in Groningen. UvA-natuurkundigen creëerden er een aantal in het lab op Amsterdam Science Park om de onderliggende mechanismen beter te begrijpen en publiceerden de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.
Natuurkundige Kasra Farain laat een kleurrijke stuiterbal vallen op een stalen plaat in het natuurkundig laboratorium van het Amsterdam Science Park. De ontstane schokgolf die daarbij ontstaat zorgt ervoor dat microscopisch kleine balletjes in een apparaat op de stalen plaat in beweging worden gebracht: een mini-aardbeving.
Het experiment laat zien hoe een aardbeving elders kan leiden tot naschokken of nieuwe bevingen duizenden kilometers verderop. ‘Het afgeleide wiskundige model verklaart bijvoorbeeld hoe de Landers-aardbeving van 1992 in Zuid-Californië een tweede beving veroorzaakte op een grote afstand, 415 km naar het noorden,’ vertelt hoogleraar natuurkunde Daniel Bonn, ook betrokken bij het onderzoek.
Schaal
Het contrast tussen een echte aardbeving en het experiment op Science Park is groot. De bescheiden opstelling bestaat enkel uit de stalen tafel met daarop een apparaat dat iets weg heeft van een tafelboormachine. Een plaat en een bewegende cilinder bootsen samen twee aardplaten na. De laag ertussen bestaat uit kleine witte plastic balletjes van 40 micrometer doorsnede, die de zandlaag tussen de aardplaten nabootst.
Volgens de onderzoekers maakt de schaal en het materiaal van hun opstelling niet uit. ‘De metingen uit het experiment zijn een op een te vertalen naar metingen verricht bij echte aardbeving,’ zegt Farain. ‘Dat wil zeggen dat dezelfde natuurkundige wetten van toepassing zijn. De werking van een aardbeving is nog nooit zo klein en zo gecontroleerd nagebootst als hier, waardoor we allerlei krachten en veranderingen hiervan konden meten die men bij een echte beving moeilijk kan waarnemen.’
Die gecontroleerde opstelling was er niet altijd. ‘Eerst stond mijn experimentele opstelling op een gewone tafel waardoor bij het sluiten van deuren of het langslopen van collega’s de tafel stond te trillen en mijn metingen verstoorden, en zo aardbevingen in mijn experiment veroorzaakten,’ lacht Farain. ‘Inmiddels hebben we luxe trillingsisolatie om dus zeer gecontroleerd en nauwkeurig te meten.’
Hoge druk
De onderzoekers richtten zich vooral op de zogeheten korrelstroming, in het geval van aardbevingen op de stromingseigenschappen van zand of grind onder hoge druk. Kennis daarover is beperkt, maar cruciaal om aardbevingen beter te leren begrijpen. ‘Je moet je voorstellen dat de zandlaag tussen twee aardplaten onder druk staat van allerlei krachten zoals zwaartekracht en wrijvingskracht,’ vertelt Bonn. ‘Die krachten zorgen ervoor dat die zandlaag zodanig is gerangschikt dat het onder die druk stabiel blijft liggen en niet verplaatst. Een verstoring van die krachten, door bijvoorbeeld een schokgolf van een andere beving of in ons geval de stuit van de stuiterbal, kan daar een radicale verandering in brengen en ervoor zorgen dat het zand zich als een vloeistof gaat gedragen.’
Een van de veranderingen die de onderzoekers hebben waargenomen is dat het vaste korrelige materiaal, de plastic balletjes, voor een kort moment in een vloeibare toestand verandert zodra de schokgolf van de stuiterbal de experimentele opstelling bereikt. ‘Neem het voorbeeld van zand. Als je erop loopt zou je ervan uitgaan dat het hard is, in vaste toestand. Maar als je met je voeten door het zand beweegt op het strand, zou je dan nog steeds uitgaan van een vast materiaal? Of neem zand dat vast komt te zitten in een zandloper, een klein tikje is genoeg om het zand weer te laten stromen. Het zand kan zich dus als een vloeistof bewegen,’ legt Farain uit. ‘Exact ditzelfde principe tonen we aan met ons experiment en is van toepassing op echte aardbevingen of aardverschuivingen waarbij de tussenliggende laag opeens verandert van een stabiele toestand naar iets dat vloeit met een aardverschuiving tot gevolg.’
Naast dat het experiment van Farain en Bonn inzicht geeft in de totstandkoming van aardbevingen, lawines en andere type aardverschuivingen, levert het ook kennis op over bodemstabiliteit. ‘Deze kennis over korrelstroming is in gebieden met hoog risico op aardbevingen voor allerlei toepassingen van belang. Denk bijvoorbeeld aan de aanleg van polders, de constructie of reparatie van dijken of het maken van betonnen gebouwen,’ vertelt Bonn. ‘Overal waar land of grond bij komt kijken is een begrip van die stromingseigenschappen nodig. Daar dragen onze mini-aardbevingen aan bij.’
