In tegenstelling tot een echte 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. Dit soort ongeordende korrelige materialen zijn nooit volledig stabiel. En als ze falen, kan dat catastrofale gevolgen hebben voor ons, die op het aardoppervlak leven.

Het probleem is:het is niet eenvoudig te voorspellen of te controleren wanneer precies 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 kleine bolletjes die elk zo breed zijn als een mensenhaar.

Dankzij hun experimentele opzet konden ze de reactie van de korrels op externe krachten 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 miniatuuraardbeving veroorzaakt.

"We ontdekten dat een zeer 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 triggergolf voorbij is, neemt de wrijving het weer over en lopen de korrels weer vast, in een nieuwe configuratie.

Hetzelfde gebeurt bij echte seismische gebeurtenissen. "Aardbevingen en tektonische verschijnselen volgen schaal-invariante wetten, dus bevindingen uit onze wrijvingsopstellingen op laboratoriumschaal zijn relevant voor het begrijpen van aardbevingen op afstand die worden veroorzaakt door seismische golven in veel grootschaligere breuken in de aardkorst", zegt Farain.

In hun artikel, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances laten de onderzoekers 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 bij Japan na een reeks kleine aardbevingen in 2003.

Geïnspireerd door een wankele tafel

Interessant genoeg was dit hele onderzoeksproject misschien niet tot stand gekomen zonder de collega's van Farain. "In eerste instantie stond mijn experimentele opstelling gewoon 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, het experiment konden beïnvloeden. Ik moet een beetje lastig voor mijn collega's, die altijd om stillere voetstappen of zachtere deursluitingen vragen."

Geïnspireerd door de manier waarop de bewegingen van zijn collega's zijn opstelling verstoorden, begon Farain de fysica op het werk 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 wilden, zonder mijn werk te verstoren. Maar trouw aan mijn neiging om problemen te veroorzaken, was dat nog niet het einde. Een beetje terwijl ik later met een luidspreker naar het laboratorium terugkeerde om geluid te genereren en de effecten van gecontroleerde verstoringen te zien."

Meer informatie: Kasra Farain et al, Door verstoring geïnduceerde granulaire fluïdisatie als model voor het veroorzaken van aardbevingen op afstand, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi7302

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Amsterdam