In tegenstelling tot een volledig vaste stof bestaat de grond waarop we staan 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 ons leven op het aardoppervlak.

Het probleem is dat het niet eenvoudig precies te voorspellen of te controleren is wanneer de wrijvingskrachten die weerstand bieden aan een aardverschuiving of aardbeving niet meer voldoende zullen zijn om de grond op zijn plaats te houden. Gelukkig werkt de natuurkunde 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: ze hadden een mini-aardbeving veroorzaakt!

“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. Bovendien 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.

Geïnspireerd door een wankele tafel

Een leuke kanttekening: dit hele onderzoeksproject zou misschien niet tot stand zijn gekomen zonder de collega's van Farain. “Aanvankelijk stond mijn experimentele opstelling op een gewone tafel, zonder alle luxe trillingsisolatie die nodig was voor nauwkeurige metingen. Al snel besefte ik dat simpele dingen, zoals iemand die langsloopt of het sluiten van de deur, van invloed konden zijn op het experiment. Ik moet best lastig zijn geweest voor mijn collega’s, omdat ik altijd vroeg om stillere voetstappen of het zachter sluitingen van deuren.”

Geïnspireerd door de manier waarop de bewegingen van zijn collega's zijn opstelling verstoorden, begon Farain de onderliggende fysica te onderzoeken: “Na een tijdje heb ik een upgrade uitgevoerd naar een goede optische tafel voor de opstelling, en mensen konden springen of doen wat ze maar wilden zonder mijn werk te verstoren. Maar trouw aan mijn neiging om problemen te veroorzaken, was dit nog niet het einde. Even later keerde ik terug naar het laboratorium met een luidspreker om geluid te genereren en de effecten van gecontroleerde verstoringen te zien!”

Publicatie

Kasra Farain en Daniel Bonn, Perturbation-induced granular fluidization as a model for remote earthquake triggering. Science Advances, 10, eadi7302 (2024)