Grafiet als smeermiddel bij aardbevingen

Kathmandu, 25 april 2015; Haïti, 12 januari 2010; Sumatra, 26 december 2004. Dit zijn data van zware aardbevingen die binnen enkele minuten het leven eisten van duizenden mannen, vrouwen en kinderen. Door grafiet in breukzones te meten kan het risico op een aardbeving beter worden ingeschat, waardoor zulke rampen in de toekomst hopelijk minder levens kosten.

De locatie en datum van een aardbeving zijn van enorm veel factoren afhankelijk en het exact voorspellen ervan zal nog lang een utopie blijven. Dankzij nieuwe methoden kan gelukkig steeds beter worden ingeschat waar en wanneer een volgende beving zal plaatsvinden. Steeds meer parameters die mee kunnen tellen bij een goede voorspelling worden onderzocht. Een van de onderzochte parameters is de aanwezigheid van grafiet in de breukzone. Grafiet, waar onder andere de kern van uw potlood van is gemaakt, gedraagt zich in een breuk als smeermiddel, waardoor een grote aardbeving juist onwaarschijnlijk is.

Smeermiddel grafiet

De hoeveelheid grafiet is een van de materiaaleigenschappen van een breuk. De breuk zelf bestaat uit een soort gruis: steen dat verpulverd is door de duizenden jaren heen. Het percentage grafiet in dit gruis is belangrijk dat komt door de mineraalstructuur van grafiet. Grafiet bestaat uit alleen maar koolstofatomen (C), maar in tegenstelling tot diamant (ook alleen koolstof) zijn het allemaal losse plaatjes in plaats van een verweven netwerk (zie afbeelding 1). Dit is de reden dat grafiet zo zwak is zodat je ermee kan tekenen, terwijl diamant ongeveer het hardste materiaal ter wereld is.

Op het moment dat er grafiet in het breukgruis zit, zullen de plaatjes grafiet door de zeer hoge druk allemaal in één richting gaan liggen, waardoor er een mooi glijvlak van enorm veel grafietplaatjes ontstaat. De frictie, oftewel de sterkte van de breuk, daalt hierdoor.

Grafiet laat hierdoor als het ware de breuk spoeler bewegen, als soort van smeermiddel. Dat werkt als volgt: Een aardbeving ontstaat door drukopbouw over een lange tijd. Op het moment dat de breuk erg verzwakt is door de aanwezigheid van grafietplaatjes, zal er weinig drukopbouw kunnen plaatsvinden, waardoor er geen krachtige, destructieve aardbevingen kunnen ontstaan. In plaats daarvan kunnen er weliswaar vaker kleine aardbevingen plaatsvinden, maar deze zijn veel minder gevaarlijk.

Uit recent onderzoek (afbeelding 2) blijkt dat bij 10 procent grafiet de frictiewaarde nog maar 0,3 is, terwijl bij 0 procent grafiet de frictie een zeer gangbare waarde heeft van 0,5 - 0,6. Dit betekent dat bij 10 procent grafiet de frictie al twee keer zo laag is. Zelfs bij 2 procent grafiet is al een significant verschil te meten.

Risicoanalyse

Volgens verschillende berekeningen kan het niet lang meer duren voordat miljoenstad Istanboel wakker wordt geschud door het losschieten van de Noord-Anatolische Breuk. Istanboel ligt namelijk op een breukzone (zie kader). Breukzones zijn van oorsprong aantrekkelijke gebieden om te wonen vanwege het feit dat het vaak kustgebieden zijn, soms in combinatie met vulkanische activiteit, waardoor het land erg vruchtbaar is. Hierdoor zijn het vaak gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid, waardoor veel slachtoffers vallen tijdens een aardbeving. Een goede risicoanalyse is dus van groot belang.

Informatie over de hoeveelheid grafiet in de breuk is cruciaal voor het maken van een goede risicoanalyse. Het benodigde budget om monsters op diepte uit breukzone te bemachtigen is groot. Maar voor zeer dichtbevolkte gebieden is deze informatie ontzettend interessant, in het kader van de veiligheid van miljoenen mensen in bijvoorbeeld in Kathmandu, Haïti, Sumatra, of Istanboel.