Gebieden waarin platen uit elkaar bewegen (extensie) spelen een belangrijke rol op verschillende vlakken. Ten eerste zijn dit de gebieden waar oceanen en zeeën ontstaan, neem bijvoorbeeld de Noordzee: ook dit is voorheen een extensiezone geweest. Daarnaast zijn dit locaties waar olie- en gasreservoirs gevormd kunnen worden, zoals het gasveld in Groningen, wat van groot economisch belang is.
Modellen van de korst van de aarde
13 november 2018
Kennis
FOTO: DIEKE GERRITSEN
Afbeelding 3: Het uiteindelijke resultaat van een dwarsdoorsnede. Rechts staat een schaal en bovenop het model staat het nummer van het model, wat voor eigen documentatie is.
De processen die op aarde spelen zijn erg complex. Om de kennis hierover te vergroten, worden analoge en numerieke modellen gemaakt die zulke processen nabootsen. Om geologische processen, zoals de vorming en evolutie van breuken in het gasveld in Groningen, te onderzoeken kunnen analoge zandboxmodellen gebruikt worden. Aardwetenschapper Dieke Gerritsen beschrijft voor geografie.nl hoe onderzoekers zo’n model maken.
Het is van belang om te weten hoe breuken in bepaalde gebieden gevormd zijn om te kunnen voorspellen hoe ze zich in de toekomst zullen gedragen en eventuele aardbevingen kunnen veroorzaken. Het onderzoek naar de vorming van zulke regio’s is ook erg belangrijk voor het begrijpen en kunnen benutten van systemen als olie- en gasreservoirs. Er zijn veel verschillende soorten modellen en als voorbeeld voor de constructie hiervan wordt in dit artikel een model gebruikt dat extensie (zie kader) nabootst. Dit kan onder andere gedaan worden door het maken van analoge zandboxmodellen. Bij het maken van deze modellen komt veel kijken, dit artikel loopt hier stapsgewijs doorheen.
Om zo’n model te maken zijn twee tafels nodig: één tafel waarop het model gebouwd wordt en een tafel waarop de motor staat die vervolgens aan het model gaat trekken (figuur 1). Op de eerste tafel worden twee plastic platen bevestigd. Om tijd te besparen, wordt een opzet gemaakt waar twee modellen tegelijkertijd uitgevoerd kunnen worden (model A en B). Vervolgens worden er twee sneden gemaakt in de bovenste plaat op 20 cm afstand van de rand van het model, waar de uiteindes van een derde en vierde plaat ingeschoven worden. De andere uiteindes van de platen worden met duct tape bevestigd aan de motor. Duct tape? Ja, duct tape wordt ook gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek! De motor zal de derde en vierde plaat straks onder de tweede plaat vandaan trekken om zo extensie na te bootsen. Deze opzet kan gedurende alle experimenten hergebruikt worden.
Figuur 1: Het bovenaanzicht van de algemene opzet van het model, bestaande uit twee tafels. Op tafel 1 wordt het model opgebouwd en op tafel 2 staat de motor. Plaat 3 en 4 worden op 20 cm afstand van de onderkant van het model onder de tweede plaat geschoven; de onderste twintig centimeter is hiermee stationair en de bovenste 40 cm is mobiel. De metalen balken zijn al neergelegd (aangegeven in het donkergrijs). Het totale model dat opgevuld wordt met zand is 60 cm lang en 33 cm breed.
Opbouwen model
Nadat de algemene opzet klaar staat, kan er worden begonnen met het opbouwen van het model zelf. Het model wordt opgebouwd uit kwartszand (zand bestaande uit korrels van het mineraal kwarts), aangezien dit vergelijkbare eigenschappen heeft als gesteente in de aarde en daardoor geschikt is om breukvorming te simuleren.
Eerst worden drie metalen balken van elk 0.8 cm dik aan de randen van het model geplaatst, om te voorkomen dat het zand weg glijdt. Hierna wordt de bodem opgevuld met een dun laagje zwart zand. Dit zand wordt, net als al het zand in de rest van het model, aangebracht met een zeef. Dit om te zorgen dat de korrelgrootte constant is en dat het zand gelijkmatig verdeeld wordt over het model. Wanneer er op een plek namelijk ineens veel zand wordt neergelegd, kan dit al breuken veroorzaken in het onderliggende zand en hiermee de resultaten beïnvloeden. Vervolgens wordt het model opgevuld met wit zand tot de hoogte van de metalen balk, waarna het met een houten balkje mooi gladgestreken wordt. Dan worden er weer drie metalen balken neergelegd, bovenop de onderste balken, zodat er weer een nieuwe laag opgevuld kan worden met zand. Om de zichtbaarheid van de breuken en het contrast tussen de gekleurde lagen te verhogen in het model worden lagen met gekleurd zand afgewisseld met lagen wit zand, met daartussen een dun laagje zwart zand. Dan wordt het model weer gladgestreken, etc., etc. Dit proces gaat zo door tot er uiteindelijk tien lagen liggen en de totale dikte van het pakket dus 8 cm is. Tegen die tijd is er zo’n 75 kilo zand door je zeef gegaan, flinke spierpijn aan het einde van de dag dus!
Uitvoeren model
Nadat het volledige pakket zand is neergelegd, worden een lamp voor belichting en een camera klaargezet (afbeelding 1). De camera maakt terwijl het experiment loopt elke minuut een foto van bovenaf, zodat naderhand de ontwikkeling van de breuken gedurende het experiment kan worden bekeken. Als alles klaar is gezet, is het model klaar om aangezet te worden. Afhankelijk van de hoeveelheid verplaatsing die je het model wilt laten ondergaan, kan dit één tot zes uur duren. Vanuit het bovenaanzicht kun je zien dat er een dal ontstaat dat steeds dieper wordt naarmate er meer extensie plaatsvindt.
FOTO: DIEKE GERRITSEN
Afbeelding 1: Op de voorgrond het model dat klaar staat. Rechts bevindt zich tafel 1, met het model erop, en links bevindt zich tafel 2, waar de motor op staat. Boven het model hangt een camera aan een motief en rechts staat een lamp die het model belicht.
Afronden model
Als het model klaar is, wordt dit dal heel voorzichtig opgevuld met zwart zand, om zo de gevormde structuren te beschermen. Om de stevigheid te vergroten, wordt het model vervolgens nat gemaakt met een plantenspuit, om de verdeling van het water geleidelijk en constant te houden. Nadat het water een paar uur is ingetrokken, is het model klaar om dwarsdoorsnedes te maken. De dwarsdoorsnedes worden gemaakt door een mes in een vloeiende beweging door het model te trekken, de plak die eraf gesneden is op te ruimen en te zorgen dat de snede mooi egaal is (afbeelding 2). Hiervan worden foto’s gemaakt met een zwart doek als achtergrond, om mooie resultaten te verkrijgen. Uiteindelijk wordt al het natte zand netjes opgeruimd, al het plastic en de balken weer schoongemaakt en dan kan een nieuw model gebouwd worden. Dit volgende model kan bijvoorbeeld verder uitgetrokken worden, om te kijken hoe de breuken zich verder ontwikkelen.
Afbeelding 2: Het maken van de dwarsdoorsnedes. Al het materiaal op de voorgrond is er al afgesneden en moet nog opgeruimd worden.
Uiteindelijk bestaan de resultaten dus uit heel veel foto’s van het bovenaanzicht van de modellen en van elk model meerdere foto’s van dwarsdoorsneden. De dwarsdoorsnedes zien eruit als een soort spekkoek, zoals je kunt zien in afbeelding 3. De combinatie van beide geeft een 3D beeld van de breuken en deze kunnen zo goed geanalyseerd worden.
Het is veel werk om een model van de korst van de aarde te maken, maar de resultaten zijn erg nuttig bij het onderzoek naar geologische processen in de natuur.
Schaalproblemen
Bij het opzetten van analoge modellen komen verschillende complicaties kijken, voornamelijk als het gaat om schaling. Ten eerste is het materiaal dat gebruikt wordt niet terug te schalen naar de werkelijkheid. Echter is door M.K. Hubbert aangetoond dat de resultaten van dit soort onderzoek de werkelijkheid toch heel goed representeren. De dikte van het model is 8 cm, wat in ons geval overeenkomt met een dikte van de korst van 10 km. De breuken blijken op eenzelfde wijze te vormen als in de natuur en hebben ook een heel vergelijkbare vorm.
Ten tweede de vraag hoe processen die normaal gesproken miljoenen jaren duren nagebootst kunnen worden in experimenten van maar een paar uur? Eigenlijk is dit heel simpel. Wanneer alleen zand als modelleer materiaal wordt gebruikt, heeft de tijd geen invloed op de uitkomst van het experiment. Het materiaal breekt en het maakt niet uit hoe snel dit gebeurt.
BRONNEN
- Hubbert, M.K. 1951. Mechanical basis for certain familiar geologic structures. Bull. Geol. Soc. Am. 62(4): 355–372.