Analoge modellen

In het TecLab worden meestal de volgende experimenten uitgevoerd:

• lithosfeermodellen: nabootsing van deformatie op schaal van de gehele lithosfeer
• korstmodellen: nabootsing op schaal van (een deel van) de korst

Door middel van deze zogenaamde analoge modellen kunnen we deformatie op korst- en lithosfeerschaal beter begrijpen. Deze modellen zijn fysisch realistisch omdat ze de schaal van de natuurlijke processen als het ware “vertalen” naar laboratoriumschaal. Zo kan bijvoorbeeld de gehele aardkorst of een sedimentair bekken worden bestudeerd. De korst en sedimentaire bekkens bestaan doorgaans uit een opeenstapeling van (semi-) horizontale lagen gesteente, elk met andere materiaaleigenschappen: compositie, dichtheid, mechanische eigenschappen, etc. (Figuur 1A). Deze opeenstapeling van gesteentelagen in de natuur wordt in het model nagebootst door een geschaalde opeenstapeling van verschillende soorten zand, vloeistoffen of andere materialen (Figuur 1B).

• 

  Figuur 1A

  Voorbeeld van een berg, bestaande uit een opeenstapeling van horizontale lagen, en elke laag weer bestaande uit een verschillend type gesteente.

• 

  Figuur 1B

  Dwarsdoorsnede van een analoog model dat ook een opeenstapeling is van horizontale lagen. De lagen bestaan uit verschillende soorten analoge materialen zoals zand en siliconenputty.

Lithosfeermodellen

Deze categorie experimenten bestaat uit modellen die opgebouwd zijn uit lagen zand en siliconenputty. Deze materialen stellen de verschillende lagen van de lithosfeer voor die vervolgens op een vloeistof worden geplaatst. Deze vloeistof simuleert de asthenosfeer. Vervolgens kunnen deze modellen gebruikt worden om bijvoorbeeld subductie te modelleren. Het resultaat van zo’n experiment is te zien in Figuur 2. Analoge modellen zijn in dit onderzoek (Willingshofer et al. 2013) gebruikt om te onderzoeken hoe de sterkte van verschillende lagen het gedrag van deformatie beïnvloedt. Figuur 2 bestaat uit een topografische afbeelding gemaakt met een oppervlaktescanner, gecombineerd met een afbeelding van een dwarsdoorsnede die gemaakt wordt door het model doormidden te snijden na de uitvoering van het experiment.

Door de relatief hoge dichtheid van de oceanische lithosfeer, kan deze zinken in de hete bovenmantel. Dit proces noemen we subductie. Subductie gaat voort totdat alle oceanische lithosfeer in de bovenmantel gezonken is, en daarbij ook de naburige, lichtere continentale lithosfeer mee trekt naar grote dieptes. Wanneer het subductieproces tot stilstand komt, maakt het zware oceanische materiaal zich gestaag los van het lichte continentale materiaal door te breken. De afgebroken aardplaat zinkt in dit experiment langzaam naar de bovenmantel-ondermantel grens (hier de bodem van de tank), een proces dat in het laboratorium een kwestie is van minuten maar in werkelijkheid miljoenen jaren duurt.

Het materiaal dat in bovenstaande film de lithosfeer simuleert is een mix van organische plasticine, PDMS putty, siliconenolie en ijzerpoeder (“60OPL 40PDMS 24oil” genoemd in Broerse et al., 2019), en heeft een sterkte die afhankelijk is van de spanning (niet-Newtoniaans). Het materiaal dat de asthenosfeer nabootst is glucose dat Newtoniaans vloeigedrag vertoont. De tank waarin het experiment is uitgevoerd is 34.5 cm breed, 44.5 cm lang en 20 cm hoog.  

Uit: Broerse, T., Norder, B., Govers, R., Sokoutis, D., Willingshofer, E., & Picken, S. J. (2019). New analogue materials for nonlinear lithosphere rheology, with an application to slab break-off. Tectonophysics, 756,73-96. 
https://doi.org/10.1016/j.tecto.2018.12.007.
Preprint: https://eartharxiv.org/repository/view/1318/

Korstmodellen

Deze modellen worden gebruikt om het deformatiegedrag in de buitenste laag van de Aarde, bestaande uit oceanische en continentale korst, te modelleren. Voor deze modellen worden lagen van zand en siliconenputty opeengestapeld op platte tafels, waardoor tektonische situaties met een complexe geometrie gesimuleerd kunnen worden. In beide gevallen is deformatie in het model het resultaat van het trekken aan of duwen tegen de (van oorsprong horizontale) lagen.

In Figuur 3 zijn de experimentele resultaten van een korstmodel van Gabrielsen et al. (2016) te zien. Een serie aan experimenten was ontworpen om te kunnen begrijpen hoe breuken kunnen koppelen tussen zwakke (ductiele) lagen wanneer gesteenten of tektonische platen uit elkaar getrokken worden (extensie). Wanneer twee breuken door een zachte laag heen snijden, ieder vanaf een andere kant, kunnen ze elkaar namelijk ‘ontmoeten’ en zo één min of meer ononderbroken breuklijn vormen. De dwarsdoorsnede in Figuur 3 toont de zwakke lagen en de breuken die zijn ontstaan tijdens extensie van het model.