Bij elke stap die je zet, gebeurt er diep in de aardkorst iets wonderlijks. Als je goed luistert, hoor je het knetteren en kraken. De kloven, spleten en gaten in het gesteente maken onder druk geluid. En het ritme en tempo van die geluiden kunnen ons iets vertellen over bijvoorbeeld de kans op een aardbeving.
“Als je zou luisteren naar het gesteente zou het in een steeds hogere toonhoogte gaan zingen naar mate je dieper in de aardkorst kijkt”, zegt MIT-geoloog Matěj Peč.
Samen met zijn collega’s van het Massachusetts Institute of Technology deed hij iets wat wij natuurlijk niet echt kunnen: luisteren naar het geluid van het gesteente om te achterhalen of er een akoestisch patroon ontstaat als je op verschillende manieren druk uitoefent op de bodem, bijvoorbeeld door iets simpels als een voetstap. In het lab hebben ze dat getest met marmer. Door het bloot te stellen aan een klein beetje druk ontstond er een lage ‘boem’. Werd het marmer harder ingedrukt dat ontstond er een ‘lawine’ van veel hoger geknetter.
Aardbevingen en vulkaanuitbarstingen
Dat is veel meer dan een geinig weetje. Deze akoestische patronen kunnen wetenschappers helpen om te bepalen waar en vooral op welke diepte de breuken, gaten en spleten zich in de aardkorst bevinden. En daarmee kunnen ze dan weer instabiele gebieden identificeren onder het aardoppervlak, waar de kans op aardbevingen of vulkaanuitbarstingen groter is. Ook kan het helpen om regio’s te vinden waar gedrild kan worden voor duurzame geo-thermale energie. “Maar in het algemeen is dit fundamentele wetenschap die ons helpt begrijpen waar de lithosfeer het sterkst is”, aldus Peč.
De schil van een appel
De aardkorst wordt vaak vergeleken met de schil van een appel, omdat hij zo dun is. Op zijn dikst is de aardkorst 70 kilometer diep, een fractie van de hele aardbol dus, die een diameter heeft van 12.700 kilometer. Toch zijn er binnen die ultradunne laag nog grote verschillen. Het gesteente vlakbij het aardoppervlak is broos en breekt makkelijk, vergeleken met de dieper liggende rotsen die door immense druk en de hitte van de aardkern zacht en buigzaam worden.
De tussenfase
Maar dit impliceert dat er ook een soort tussenfase moet zijn, waarbij de stenen veranderen van de ene in de andere staat en eigenschappen hebben van beide varianten: ze kunnen breken als graniet en zijn vloeibaar als honing. Hoe deze overgangsfase eruitziet, is nog niet helemaal duidelijk, maar geologen denken dat de rotsen in deze fase het sterkst zijn.
“Deze transitiestaat van deels vloeibaar en deels breekbaar is heel belangrijk, omdat wij denken dat de lithosfeer daar het sterkst is en dat dit de plek is waar de grootste aardbevingen ontstaan”, zegt Peč. “Maar we hebben er nog geen goed beeld van.”
Hij bestudeert daarom samen met collega’s hoe de kracht en stabiliteit van gesteente varieert, als het breekbaar, buigzaam of iets daar tussenin is. Daarvoor kijken ze naar microscopisch kleine defecten in het gesteente. De grootte, dichtheid en verspreiding van zulke kleine kloven, gaten en barsten kan bepalen hoe breekbaar of juist vloeibaar een steen is.
Geluidsgolven
Maar het is nog niet zo makkelijk om deze piepkleine afwijkingen in het gesteente op te sporen onder omstandigheden die de verschillende druk en diepte in de aardkorst correct simuleren. Er is bijvoorbeeld geen beeldtechniek waarmee wetenschappers in gesteente kunnen kijken dus gebruikten ze ultrasound. Het idee is dat elke geluidsgolf die door een rots trekt, vroeg of laat op de barsten en gaatjes in het gesteente stuit, op zo’n manier dat de patronen van de afwijkingen duidelijk worden.
Al deze defecten genereren ook hun eigen geluid als ze onder druk gaan bewegen. De combinatie van het geluid van de stenen zelf en de geluidsgolven die er doorheen trekken zou een berg informatie moeten opleveren. “Deze ultrasoundmethode is hetzelfde als wat seismologen doen in de natuur, maar dan met veel hogere frequenties”, legt de wetenschapper uit. “Dit helpt ons om de fysica te begrijpen, die op microscopisch kleine schaal plaatsvindt tijdens de vervorming van deze rotsen.”
Verpulverde rotsen
Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers cilinders van Carrara-marmer. “Dit is hetzelfde materiaal als waar Michael Angelo’s David van gemaakt is. Het is een materiaal dat heel erg goed in kaart is gebracht dus we weten exact wat het zou moeten doen.”
Het team plaatste iedere cilinder in een apparaat gemaakt van pistons van aluminium, zirkonium en staal, die tezamen extreme druk kunnen genereren. Ze plaatsten het apparaat in een hogedrukkamer en stelden toen iedere cilinder bloot aan een druk die vergelijkbaar is met wat de stenen in de aardkorst te verduren hebben.
Terwijl ze langzaam iedere rots verpulverden, stuurden de onderzoekers ultrasoundgolven door de bovenste laag van het marmer en registreerden de akoestische patronen, die er doorheen trokken. Als de sensoren niets uitzonden, luisterden ze naar de natuurlijke akoestische emissies.
Boem, boem, kraak
Ze ontdekten dat op het punt waar minder druk werd uitgeoefend en waar de stenen dus breekbaar waren, het marmer inderdaad allerlei breuken ging vertonen en de geluidsgolven klonken als grote, lage ‘boems’. Op het punt met de meeste druk, waar het marmer meer vloeibaar was, leken de akoestische golven op een veel hoger gekraak. De onderzoekers denken dat dit gekraak ontstond door piepkleine defecten die zich verspreidden en als een lawine door het marmer heen trokken.
“Voor het eerst hebben we de ‘geluiden’ opgenomen van gesteente in de transitiefase van breekbaar naar vloeibaar. We linken deze geluiden aan de defecten die ze veroorzaken”, verklaart Peč. “We hebben ontdekt dat deze breuken en barsten op grote schaal veranderen in deze transitiestaat. Het is gecompliceerder dan mensen dachten.”
De grotere vragen
De studie biedt meer inzicht in het gerommel dat onder het aardoppervlak plaatsvindt en kan zo iets meer vertellen over het ontstaan van aardbevingen en vulkaanuitbarstingen. “Als stenen gedeeltelijk breekbaar zijn en gedeeltelijk stromen, hoe past dat dan binnen de aardbevingscyclus? En hoe heeft dat invloed op de beweging van magma door het netwerk van gesteente?” vraagt Peč zich af. “Dat zijn de grotere vragen die getackeld kunnen worden met onderzoek als dit.”
