ENGINEERINGNET.BE - De grond waarop we staan bestaat doorgaans uit korrels, zoals zandkorrels of stukken steen.
Dieper in de aardkorst geldt hetzelfde voor de breuklijnen waar twee tektonische platen samenkomen. Dergelijke ongeordende korrelige materialen zijn nooit volledig stabiel. En als ze falen, kan dat catastrofale gevolgen hebben voor het leven op het aardoppervlak.
Het probleem is dat het niet eenvoudig is om precies te voorspellen of te controleren wanneer de wrijvingskrachten die weerstand bieden aan een aardverschuiving of aardbeving niet meer voldoende zijn om de grond op haar plaats te houden.
Maar de natuurkunde werkt precies hetzelfde in kleinere systemen die je in het laboratorium kunt bestuderen. Om een aardbeving te reproduceren gebruikten natuurkundigen Kasra Farain en Daniel Bonn van de Universiteit van Amsterdam een 1 mm dikke laag van kleine bolletjes die elk zo breed zijn als een mensenhaar.
Dankzij hun experimentele opstelling konden ze de reactie van de korrels op krachten van buitenaf nauwkeurig volgen. Om de krachten te simuleren die aanwezig zouden zijn op een steile berghelling of bij een tektonische breuk, drukten ze een schijf op het oppervlak en lieten deze langzaam met een constante snelheid ronddraaien.
Door vervolgens een bal naast de experimentele opstelling te laten stuiteren, waardoor een kleine seismische golf ontstond, zagen ze hoe alle korrels als reactie daarop snel verschoven als in een mini-aardbeving.
“We ontdekten dat een heel kleine verstoring, een kleine seismische golf, ervoor kan zorgen dat een korrelig materiaal zichzelf volledig herstructureert”, legt Farain uit.
Nader onderzoek wees uit dat de korrels zich gedurende een kort moment als een vloeistof gedragen in plaats van als een vaste stof. Nadat de seismische golf gepasseerd is, neemt de wrijving het weer over en komen de korrels in een nieuwe configuratie vast te zitten.
Hetzelfde gebeurt bij echte seismische gebeurtenissen. “Aardbevingen en tektonische verschijnselen volgen schaalinvariante wetten, dus bevindingen uit onze opstelling op laboratoriumschaal zijn relevant voor het begrijpen van aardbevingen die op afstand worden veroorzaakt door seismische golven in veel grotere breuken in de aardkorst”, zegt Farain.
De onderzoekers laten zien dat het wiskundige model dat ze uit hun experimenten hebben afgeleid, kwantitatief verklaart hoe de Landers-aardbeving van 1992 in Zuid-Californië op afstand een tweede seismische gebeurtenis veroorzaakte, 415 km naar het noorden.
Ook laten ze zien dat hun model nauwkeurig de stijging van de vloeistofdruk beschrijft die werd waargenomen in de Nankai-subductiezone nabij Japan na een reeks kleine aardbevingen in 2003.
