Met grote apparaten bootsen onderzoekers extreem hoge drukken en temperaturen diep in de aarde na. Nieuw onderzoek met zo’n geavanceerde ‘stenenpers’ toont hoe talk vervormt en verandert in diepgelegen breuken waar aardbevingen ontstaan.
Verreweg het meeste gesteente op aarde bevindt zich diep onder onze voeten, bij veel hogere temperaturen en drukken dan die aan het oppervlak. In de continentale korst – de aardkorst onder land – stijgt de temperatuur met 30 graden Celsius voor elke kilometer diepte. Na vier kilometer zit je dus al boven de 100 graden, mailt geoloog Charis Horn, van de Washington-universiteit in de VS.
Horn en haar collega’s onderzochten het gedrag van het gesteente talk in subductie-zones, gebieden waar een oceanische aardplaat onder een andere oceanische of continentale plaat schuift, op enkele tientallen kilometers diepte. Ze publiceerden over hun onderzoek in het tijdschrift Geophysical Research Letters.
‘Nederland gaat heel anders worden’
Milieuwetenschapper Marjolijn Haasnoot ontwikkelt ingrijpende plannen om Nederland aan te passen aan de gevolgen van klimaatverandering.
‘Wij stellen gesteente – zoals talk – in het lab aan vergelijkbare drukken en temperaturen bloot’, schrijft Horn. ‘Dit om te begrijpen wat er onder die omstandigheden met gesteenten gebeurt, en welke invloed dat heeft op processen in en op onze planeet, zoals platentektoniek en aardbevingen.’
Bevend gesteente
‘Bij subductie-zones kunnen zware, diepe aardbevingen plaatsvinden die tot tsunami’s kunnen leiden’, vertelt Horn. Wetenschappers willen begrijpen welke processen een rol spelen bij deze, mogelijk gevaarlijke bevingen.
Het poederige mineraal talk komt voor bij breukvlakken, zoals die bij subductie-zones, en beïnvloedt hoe snel een breuk beweegt. Dat is relevant: een snel bewegende breuk is namelijk een aardbeving. ‘Er is de laatste tijd veel belangstelling voor talk’, zegt Horn. ‘Er is in wetenschappelijke publicaties gesuggereerd dat zelfs kleine hoeveelheden talk breuken aanzienlijk kunnen verzwakken.’
Om te achterhalen hoe talk zich in op deze diepten gedraagt, onderwierpen de onderzoekers het aan een druk van ruim een gigapascal en een temperatuur van 500 graden. Toen ze het talkmonster uit het apparaat haalden, bleek het een brosse structuur te hebben met poriën. Horn: ‘Dat was verrassend, omdat de meeste materialen bij zulke hoge druk en temperatuur niet bros blijven en hun poriën sluiten.’
Dit betekent dat er vloeistoffen zoals water door samengeperst talk kunnen stromen. Daardoor reageert het materiaal anders op verschuivingen, zoals bij aardbevingen. Wat dit precies betekent voor het risico op aardbevingen, wordt nog onderzocht.
Beestachtig apparaat
Voor dit experiment gebruikten de onderzoekers een beest van een machine: het zogeheten LVT-apparaat, wat staat voor large volume torsion. Dit apparaat kan een druk produceren van ongeveer drie gigapascal, zoals je vindt op ongeveer 100 kilometer diepte in de aarde, en temperaturen van meer dan 1500 graden Celsius. Het is bovendien een torsie-apparaat. Dat betekent dat je het stukje gesteente aan de onderkant vastzet en aan de bovenkant eraan draait, zoals je een kraan opendraait. Dat bootst de grote vervormingen na die ondergronds optreden, bijvoorbeeld bij verschuivingen.
Er zijn apparaten die een nog hogere druk of torsie kunnen opwekken, maar die werken met veel kleinere steenmonsters, vertelt Horn. ‘Het LVT-apparaat kan werken met cilindervormige stukjes steen van 4,2 millimeter breed en 5,2 millimeter groot.’ Dat klinkt misschien klein, maar sommige andere experimenten werken met brokjes van minder dan een halve millimeter groot.
Dat maakt het LVT-apparaat uniek, vertelt geoloog Hans de Bresser van de Universiteit Utrecht, die niet bij het LVT-onderzoek betrokken is. ‘Het mooie is ook dat dit apparaat ook met relatief grote stukjes gesteente grote vervormingen kan bereiken bij hoge drukken en temperaturen. Bij de piepkleine monsters waar sommige apparaten mee werken, kun je je namelijk afvragen hoe representatief de vervorming is voor de grote hoeveelheid gesteende in de ondergrond.’
Hogedruk- en temperatuurlabs
In het High Pressure and Temperature Lab in Utrecht werken De Bresser en zijn collega’s ook met verschillende apparaten waarin ze hoge drukken en temperaturen kunnen bereiken. Zij werken zelfs met steenmonsters van 10 tot 20 millimeter groot. De Bresser: ‘De druk die we halen is wel minder hoog dan die van de LVT, maar we richten ons dan ook meer op gesteente hoger in de aardkorst.’
Met hun zogeheten gas-medium-apparaat kunnen de onderzoekers in Utrecht bijvoorbeeld steenmonsters van 10 tot 20 millimeter onderwerpen aan een druk van 0,6 gigapascal en temperaturen tot 1200 graden Celsius, wat overeenkomt met dieptes van 20 tot 40 kilometer. En met hun torsieapparaat kunnen ze in poederachtig materiaal grote vervormingen opwekken bij drukken tot 0,3 gigapascal en maximaal 700 graden Celsius.
Het Utrechtse onderzoeks is vooral fundamenteel, maar heeft ook een maatschappelijk relevant tintje. Zo bekijken onderzoekers het gedrag van poreuze gesteenten zoals zandsteen, waar ooit aardgas in gezeten heeft. Ze onderzoeken de gevolgen en risico’s die erbij komen kijken als je er CO2 in opslaat.
Verder onderzoeken ze ook zout. Ondergrondse zoutcavernes zouden gebruikt kunnen worden voor de opslag van waterstof, een energiedrager voor de energietransitie. Voor die toepassing is het relevant om te weten hoe zout daarop reageert.
