Onderzoek naar aardbevingen en de relatie met

Onderzoek naar aardbevingen en de
relatie met activiteiten in de
ondergrond
André Niemeijer
Experimentele gesteentedeformatie /HPT Lab
Faculteit Geowetenschappen
Universiteit Utrecht
Een aardbeving is een plotselinge
beweging in de aardkorst
Platen bewegen ~1-15 mm/jaar
De beweging kan gelijkmatig zijn
of periodiek en schokkend =>
aardbevingen
Opgewekte aardbevingen als
gevolg van menselijke activiteit
• Gas(druk) in ruimte tussen korrels
• Druk gaat omlaag door gas-extractie
3 km
Bron: www.bedumer.nl
Opgewekte aardbevingen als
gevolg van menselijke activiteit
• Gas(druk) in ruimte tussen korrels
• Druk gaat omlaag door gas-extractie
Hierdoor klinkt de bodem in wat niet overal even
snel gebeurt => differential compaction (intern of
langs breuken die het reservoir begrenzen)
3 km
Bron: www.bedumer.nl
Bron: www.natuurinformatie.nl
Risico van natuurlijke
aardbevingen
• We weten waar aardbevingen zullen gebeuren aan
de hand van geregistreerde aardbevingen
Parkfield voorbeeld: Gemiddeld 1 aardbeving elke 22 jaar
Aardbeving op deze locatie zou gebeuren voor 1993
(Bakun en Lindh, Science, 1985)
Risico van natuurlijke
aardbevingen
• We weten waar aardbevingen zullen gebeuren aan
de hand van geregistreerde aardbevingen
Parkfield voorbeeld: Gemiddeld 1 aardbeving elke 22 jaar
Aardbeving op deze locatie zou gebeuren voor 1993
(Bakun en Lindh, Science, 1985)
Aardbeving gebeurde in 2004
Probleem: geen volledige geschiedenis en geen fysische
basis dus geen inschatting van de mogelijke
grootte
We kunnen het tijdstip van een aardbeving
niet voorspellen.
Bron niet toegankelijk
We meten alleen het effect
aan de oppervlakte
Aardbevingen gebeuren op 3-15 km diepte
Verplaatsing vindt plaats langs
breukvlakken
breukvlak
20 cm
We kunnen wel geologische breuken bestuderen die nu aan het oppervlakte liggen, maar:
- Complexe geschiedenis (tijdschaal)
- Effect van het transport naar het oppervlakte ?
Fysische basis van aardbevingen:
Wrijving is de sleutel
~ 2 cm
~20 cm
• Het oppervlakte van breuken is niet vlak.
• Breuken zijn vaak gevuld met fijn poeder.
Wrijving op de (micro)schaal controleert de sterkte van de breuk !
Wat is wrijving?
Eerste experimenten door Leonardo da Vinci:
1. Wrijving is onafhankelijk van het oppervlakte
2. Wrijving is evenredig aan het gewicht =>
Fw = m * Fn
Geformuleerd als wetten door Amonton
Coulomb’s wet:
wrijving is onafhankelijk van de snelheid
Leonardo da Vinci
(1452-1519)
Guillaume Amonton
(1663-1705)
Charles-Augustine de Coulomb
(1736-1806)
Wat is wrijving?
Eerste experimenten door Leonardo da Vinci:
1. Wrijving is onafhankelijk van het oppervlakte
2. Wrijving is evenredig aan het gewicht =>
Fw = m * Fn
Geformuleerd als wetten door Amonton
Coulomb’s wet:
wrijving is onafhankelijk van de snelheid
Leonardo da Vinci
(1452-1519)
Guillaume Amonton
(1663-1705)
Charles-Augustine de Coulomb
(1736-1806)
Een contact bestaat uit een verzameling punt-contacten, afhankelijk van de normaalkracht
Wat is wrijving ?
effect van snelheid
Fn
v
De verzameling punt-contacten verandert
met snelheid =>
Rate en State frictie
(Dieterich, 1978,1979, Ruina, 1983)
SNEL
Coefficient van wrijving, m
Langzaam
(a-b) =
mss
ln (V/Vo)
Bepaalt of onstabiele beweging
mogelijk is !
Verplaatsing
Grootschalige modellen voor
simulatie van de seismische cyclus
Lage snelheid
Hoge snelheid (1 m/s)
Zicht op het
breukvlak
Model berekent de snelheid op elke punt in het model voor een bepaalde tijdsduur
Gebaseerd op spring-slider model met Rate en State Frictie vergelijkingen
Spring-slider analoog model
Gewicht
= Fn
constante
snelheid
veer
Spring-slider analoog model
•
1)
2)
3)
Hoeveelheid en snelheid van beweging worden gecontroleerd door
De normaalkracht
De veerconstante
De wrijvingseigenschappen op het contact: (a-b) moet negatief zijn
Grootschalige modellen voor
simulatie van de seismische cyclus
Zicht op het
breukvlak
Modellen gebruiken (a-b) als input, maar tot nu toe als constante en gebaseerd op
kamer temperatuur experimenten.
Geen (micro)fysische basis voor variatie in (a-b) !
Wrijving van breukgesteente:
experimenten
• Rotary shear apparaat in Utrecht
• Experimenten onder in-situ condities
temperatuur tot 700 C
normaalkracht tot 300 MPa (~15-50 km)
vloeistofdruk tot 300 MPa
• Verpoederd breukgesteente
• Snelheid 3 nm/s tot 300 mm/s
initiatie van aardbevingen
28 mm
Breukgesteente
Wrijving van breukgesteente:
experimenten
• (a-b) verandert met temperatuur !
• Manier van bewegen verandert:
Instabiel gedrag op hoge temperatuur
• (a-b) neemt toe met toenemende
diepte (druk en temperatuur)
Van experiment naar natuur
• Variatie in wrijving als functie van diepte
(temperatuur, druk, vloeistof, etc.)
• Tijd en lengte schaal veel korter en kleiner in experiment
=> Microfysische basis en model noodzakelijk
jaren
Dagen
28 mm
~1000 km
Processen identiek ?
~ 1 mm
~ 1 mm
Onderzoeksproject “SEISMIC”
Laboratorium experimenten
Microfysisch begrip
Microschaal model
Earthquake simulator
Bepaling van mogelijke kracht
van natuurlijke aardbevingen
Aantal
Geen wet die dit beschrijft !
Chiaraluce, et al 2007
Magnitude
?
?
Doel van SEISMIC:
Simulatie van de seismische cyclus
voor een breuk in Centraal-Italië
Evaluatie van het model door middel van
vergelijking met historische seismiciteit
Uiteindelijk toepasbaar voor situaties van opgewekte seismiciteit
Dank u voor uw aandacht !
Energie van M 2.0
63 MJ (106)
60 x
Energie van Mw 9.0:
2.0 EJ (1018)
600.000.000 x