Infrastructuur

Bij het uitvoeren van fysisch-analoge experimenten maken we gebruik van:

deformatieboxen en -tanks
tafels waarop de modellen worden opgezet en uitgevoerd
motoren om de krachten op de modellen over te brengen
materialen waarvan de eigenschappen op schaal zijn met natuurlijk gesteente
apparatuur om gegevens over het verloop van de modeluitvoering te verzamelen (camera’s, 3D-scanners)

Deformatieboxen en -tanks

Experimenten kunnen gebouwd worden op tafels of in deformatieboxen. Deze boxen zijn met name geschikt om experimenten uit te voeren op schaal van de gehele lithosfeer, waar het materiaal dat de lithosfeer representeert wordt geplaatst op een vloeistof die de asthenosfeer nabootst. Beweegbare wanden van de box, die verbonden zijn met de motor, kunnen ten opzichte van het model naar binnen en naar buiten bewegen. Dit leidt tot verkorting of uitrekking van de lagen in het model, vergelijkbaar met hoe tektonische krachten de natuur beïnvloeden. Het TecLab is uitgerust met 10 van deze deformatieboxen van verschillende groottes.

Afbeelding van een deformatiebox — Figuur 1: Deformatiebox voor experimenten op schaal van de lithosfeer.

Motoren

Motoren worden gebruikt om op gecontroleerde wijze een kunstmatige tektonische kracht uit te oefenen op de lagen van het model. De meeste motoren hebben één aandrijfas die verbonden kan worden met een deformatiebox, een backstop of een stevig vel plastic. De motor in de figuur hieronder heeft twee wanden die individueel van elkaar kunnen bewegen. Door verschillende motoren te gebruiken of ze te combineren kan bijna elke denkbare tektonische situatie worden nagebootst.

Figuur 2A
Grote motor die een kunstmatige tektonische kracht kan produceren.
Figuur 2B
Kleine motor die een kunstmatige tektonische kracht kan produceren.

Materialen

In analoge experimenten worden materialen gebruikt die op laboratoriumschaal hetzelfde gedrag vertonen als gesteente in de natuur. Op deze manier kan een natuurlijk proces of gebied dat zich op kilometerschaal afspeelt omlaag worden geschaald naar een experiment op centimeter- tot meterschaal.

Bros gedrag
Bij relatief lage temperaturen (in het ondiepe gedeelte van de aardkorst) deformeren de meeste gesteenten op brosse wijze, ofwel door te breken. We gebruiken korrelige materialen zoals droog kwarts- en veldspaatzand als analogen voor de gesteentelagen in de aardkorst of lithosfeer die deformeren op brosse wijze, wat tot het ontstaan van breuken leidt.
Ductiel gedrag
Gesteente kan als reactie op een bepaalde kracht ook vloeigedrag vertonen (ductiele deformatie) in plaats van te breken. Dit gedrag speelt een belangrijke rol wanneer de temperaturen in de lithosfeer hoog zijn, of als de gesteentelagen relatief zwak zijn. Een voorbeeld van laatstgenoemde is zout. In analoge experimenten worden materialen die ductiel deformeren nagebootst door het gebruik van siliconenputty met allerlei verschillende dichtheden en viscositeiten.

Afbeelding van materialen voor analoge modellen — Figuur 3: Materialen voor analoge modellen. Links: siliconenputties met verschillende dichtheden en viscositeiten die ductiel deformatiegedrag van gesteenten nabootsen. Rechts: kwartszand dat bros deformatiegedrag van gesteenten nabootst.

Kegelcilindrische viscometer
Dit apparaat is ontworpen om de viscositeit te meten van viskeuze materialen die wij in onze experimenten gebruiken. Een monster van het materiaal wordt geplaatst in een cilindervormige houder. Een gewicht, dat vastzit aan een dun touw over een katrol, levert de kracht die nodig is om het binnenste kegelcilindrische deel van het apparaat te roteren, en daarmee een schuifspanning uit te oefenen op het monster. De viscositeit kan vervolgens berekend worden uit de verhouding tussen schuifspanning en de gemeten schuifsnelheid.

Afbeeling van een kegelcilindrische viscometer — Figuur 4: Kegelcilindrische viscometer.

Dataverzameling

Om de experimentele data te kunnen interpreteren moeten we data verzamelen tijdens en na het uitvoeren van het experiment. Dit doen we met camera’s en 3D-scanners.

3D oppervlaktescanner
De 3D oppervlaktescanner wordt gebruikt om ruimtelijke data (XYZ-coördinaten) van het modeloppervlak te verzamelen tijdens het uitvoeren van het experiment. Een projector projecteert van boven lijnen op het experiment, waarna twee camera’s deze lijnen waarnemen en een 3D-model vormen van de topografie.
Digitale camera’s
Tijdens het verloop van het experiment worden digitale foto’s genomen door camera’s die boven en naast het experiment worden geplaatst. Deze foto’s worden genomen volgens een bepaald tijdsinterval. Als het experiment is voltooid worden dwarsdoorsneden van de modellen gemaakt. Ook deze dwarsdoorsneden worden op camera vastgelegd.

Afbeelding van het in de gaten houden van een lopend experiment en het verzamelen van data. — Figuur 5: Het in de gaten houden van een lopend experiment en het verzamelen van data.

CT-scanner
Het is niet mogelijk om dwarsdoorsneden van het experiment te maken als het nog loopt. De oplossing hiervoor is het uitvoeren van het experiment in een medische CT-scanner, waardoor er ín het experiment kan worden gekeken terwijl het wordt uitgevoerd. Op deze manier wordt de binnenkant van het model op dezelfde manier weergegeven als wanneer er in een ziekenhuis röntgenfoto’s worden gemaakt van bijvoorbeeld een botbreuk in het menselijk lichaam.

Figuur 6A
CT-scanner met experimentele opstelling.
Figuur 6B
Dwarsdoorsnede gemaakt door de CT-scanner. Plastic zand werd gebruikt om de grenzen tussen lagen zichtbaar te maken in de scanner.

Virtual Reality
Hoge-resolutie 4D-analyses zijn uitgevoerd op modellen om de ontwikkeling van deformatie in het model beter te begrijpen in een 4D-context (ruimte en tijd). VR technologie wordt gebruikt om alle aspecten van 3D-modellen te bestuderen, inclusief dwarsdoorsneden.