Modellenwerk in de aardwetenschappen

Aardwetenschappers staan niet enkel met de voeten in de klei of met stenen in hun handen. Een belangrijk deel van het aardwetenschappelijk onderzoek vindt namelijk binnen plaats, achter de computer. Daar worden processen nagebootst en modellen gecontroleerd. Waarom doen deze wetenschappers dat en waarom is het belangrijk?

Om grootschalige processen in, op en rondom de aarde te begrijpen en te bestuderen, gebruiken aardwetenschappers modellen. Dit is noodzakelijk: veel processen die zij onderzoeken vinden namelijk plaats op te grote diepte, met te hoge temperaturen of op te lange tijdschalen om ze in de realiteit te kunnen observeren of nabootsen.

Die processen zijn echter wel belangrijk om te begrijpen. Bijvoorbeeld kennis over hoe gesteente zich gedraagt onder bepaalde omstandigheden is erg interessant voor aardwetenschappers. Aardbevingen ontstaan bijvoorbeeld wanneer een gesteente breekt, maar gesteente kan zich ook op andere manieren vervormen (deformatie). Als aardwetenschappers weten hoe dit werkt, kunnen ze aardbevingen beter begrijpen. Om deze processen, ondanks de fysieke onmogelijkheden, toch te onderzoeken, worden ze omgezet in modellen. Het gebruik van deze modellen wordt binnen de aardwetenschappen goed onderzocht, want modellen moeten wel kloppen.

Modellenwerk

Gesteentedeformatie is een typisch voorbeeld van een proces dat met modellen nagebootst wordt. Gesteentedeformatie gaat namelijk ontzettend langzaam, miljoenen jaren gaan hier overheen. Het bestuderen van het proces zelf in de natuur is hierdoor niet mogelijk, door de lage snelheid en de grote diepte waarop het plaatsvindt. Geologen van nu kunnen het resultaat van deformatie in het verleden bestuderen, dit gebeurt dus altijd achteraf. 

Wanneer deformatie van gesteente op een natuurkundige wijze bestudeerd wordt, heet dit reologie. Reologie is afgeleid van de Griekse woorden voor 'stroming' en 'studie van'. Hierbij wordt gekeken naar de stroming of vervorming als gevolg van opgelegde spanningen. Voor relatief simpele problemen zijn analytische oplossingen bekend. Maar wanneer processen, zoals gesteentedeformatie, te gecompliceerd zijn om een analytische oplossing te bepalen, maken aardwetenschappers er een model van om het proces te kunnen nabootsen.

Deformatie van gesteenten voldoet aan de natuurkundige wetten voor stroming. Net zoals een klein volume water zou kunnen vervormen, kan een gesteente dit ook, maar dan veel langzamer. Een proces als dit kan relatief gemakkelijk beschreven worden aan de hand van natuurkundige wetten, zo kan een computersimulatie worden gemaakt (zie kader Modelleren). Onderzoekers simuleren in dit geval deformatie met hulp van computermodellen.

Correcte modellen

Het checken van de correctheid van zulke modellen is van groot belang. Dit proces heet benchmarken. Wanneer een model voor een simpel probleem een correct resultaat geeft, kan het uitgebreid worden. Wanneer het model geen juist resultaat geeft zal het moeten worden aangepast.

Een voorbeeld van zo’n model dat werd onderzocht op correctheid is een model dat twee soorten gesteentedeformaties, elasticiteit en plasticiteit, simuleert. De elastische en plastische deformaties in dit model werden getest aan de hand van een simpel 2D-vierkant domein. Hierop werd een schuifspanning (zie kader Vervorming) gezet. Het is bekend hoe een vierkant blokje gesteente zich zou moeten gedragen onder een schuifspanning, daarmee is de analytische oplossing helder. De oplossingen van het numerieke model zijn hiermee vergeleken en zouden in het perfecte geval gelijk zijn.

De resultaten van de benchmark uit dit voorbeeld waren echter niet gelijk aan het analytische model. Dit betekent niet direct dat het numerieke model niet correct is, er kunnen ook missers in de controle zitten. Eerst wordt daarom bekeken of iets in het model niet goed gaat, of dat het model en de grensvoorwaarden niet goed zijn ingesteld. Dit laatste ligt het meest voor de hand, daarom wordt benchmarken vaak een aantal keer herhaald. In dit geval zal het dus ook opnieuw moeten gebeuren. Dit schetst het belang van onderzoek naar modellen – modellen die later weer voor aardwetenschappelijk onderzoek kunnen worden gebruikt.

BRONNEN

• Govers, R. e.a. (2018), The geodetic signature of the earthquake cycle at subduction zones: Model constraints on the deep processes. Reviews of Geophysics 56 (1), pp. 6-49.
• Buiter, S. J. e.a. (2002), Two-dimensional simulations of surface deformation caused by slab detachment. Tectonophysics 354 (3-4), pp. 195-210.
• Schmalzle, G. e.a. (2006), Strain accumulation across the Carrizo segment of the San Andreas Fault, California: Impact of laterally varying crustal properties. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 111 (B5).