De aarde: een pláátje!

De sleutel tot het begrijpen van aardbevingen, vulkaanuitbarstingen en tsunami’s ligt verscholen in de diepe aarde. Maar hoe ziet die eruit? Boren kunnen we maar tot zo’n 10 km diepte, terwijl het meer dan 6000 km is naar het middelpunt van de aarde. Om te begrijpen hoe de aarde in elkaar zit, maakt aardwetenschapper prof. dr. Arwen Deuss van de Universiteit Utrecht gebruik van aardbevingen om zo via trillingen de samenstelling van de aarde in kaart te brengen. Vanuit unieke invalshoeken voert zij innovatief aardwetenschappelijk onderzoek uit. Op woensdag 6 maart houdt zij in Utrecht haar oratie, getiteld: ‘De aarde: een pláátje!’

Plaatje van de aarde

Wanneer aan de andere kant van de wereld een aardbeving plaatsvindt, kunnen de Utrechtse seismologen dat meten met hun seismograaf. Een grote aardbeving in bijvoorbeeld Jakarta laat de hele aarde trillen als een reusachtige kerkklok, waardoor de aarde langzaam een heel klein beetje groter en kleiner wordt. Als een van de weinigen ter wereld gebruikt Deuss deze trillingen van de hele aarde om, net als bij een hersenscan, plaatjes van de samenstelling van de aarde te maken.

Een deuk in de kerkklok

Omdat de aarde geen homogene massa is, vervormt de trilling. Juist door die afwijkingen kan Deuss het binnenste van de aarde visualiseren. Je kunt het vergelijken met een muziekinstrument. “Een homogene aarde zou zuiver klinken”, zegt zij. “Maar omdat de samenstelling van de aarde overal anders is, ontstaat er vervorming en klinkt de aarde als het ware een beetje vals.”

Omdat de samenstelling van de aarde overal anders is, klinkt hij een beetje vals.

Vertragen en versnellen

Aanvankelijk werd van een trilling die door de aarde beweegt alleen gemeten of hij onderweg versnelt of vertraagt. “Maar de snelheid van de golf kan verschillende oorzaken hebben. Bijvoorbeeld omdat het materiaal waar het doorheen gaat warm is, maar ook als er bijvoorbeeld ijzer in de grond zit. Snelheid alleen geeft ons dus niet genoeg informatie.”

Demping

“Daarom meten wij ook de demping van de trillingen,” vervolgt ze, “Die extra informatie kan het onderscheid maken tussen warmte en materiaalsoort. Als de trilling vertraagd is omdat het door een warm deel heengaat, treedt er sterke demping op. Maar als het vertraagd is omdat het zich door ijzer heeft verplaatst, is er geen demping van het signaal. Zo kunnen we de temperatuur vaststellen.”

Doorsnedes door tomografisch snelheidsmodel S40RTS (Ritsema, Deuss, et al, 2011). De kleuren geven aan waar seismische golven iets sneller gaan (blauw) of langzamer (rood). De grote vraag is of dit allemaal door temperatuurvariaties komt, waar blauw koud is en rood warm, of dat samenstelling ook een rol speelt.

Hardlopen op het strand

Dit is net als dat je bij hardlopen op het strand meer energie verliest dan op asfalt. “Op die manier worden seismische golven ook ‘afgeremd’ afhankelijk van de materie waar ze doorheen gaan. En net als hardlopers gaan ook golven langzamer èn verliezen ze meer energie als het warm is. Ze raken meer gedempt,” ligt Deuss toe.

Eerste ter wereld

Zulke demping kan veroorzaakt worden door een enorm scala aan factoren. Het analyseren van de demping van trillingen van de hele aarde is zo complex, dat nog vrijwel niemand zich eraan gewaagd heeft. Deuss is nu de eerste ter wereld die de demping in dit soort signalen gaat meten. Een methode hiervoor bestaat nog niet; Deuss werkt hard aan de ontwikkeling ervan. “Het begint te werken voor het bovenste gedeelte van de aardmantel,” vertelt Deuss. “Hier zien we dat variaties in temperatuur dominant zijn ten opzichte van variaties in samenstelling. Maar de echte grote vraag is of dit ook geldt voor de ondermantel, het deel van de aardmantel waar geen aardbevingen meer voorkomen.” Het is een van de grote vragen waar zij op dit moment met haar onderzoeksgroep aan werkt.

Mogelijk is het aardmagnetisch veld iets sterker in de ene helft van de binnenkern dan in de andere.

Twee helften

De afgelopen jaren deed Deuss ook onderzoek naar de binnenkern van de aarde. Ze ontdekte dat die niet een simpel homogeen bolletje is. De ene helft is veel langzamer en heeft een sterkere kristalstructuur dan de andere. “Dat zou erop kunnen wijzen dat het aardmagnetisch veld misschien ook iets sterker is in de ene helft van de aarde dan in de andere,” zegt Deuss. Dit is ze nu verder aan het onderzoeken.

Bewijs in afstudeeronderzoek

Als student wist Deuss al als eerste ter wereld het bewijs te leveren dat de binnenkern van de aarde vast is. Nadat seismologen er 60 jaar naar hadden gezocht, lukte het haar in 1997 om de speciale golf die alleen maar bestaat in vaste materialen, genaamd ‘PKJKP’, zichtbaar te maken.

Uitleg over de aarde

De samenstelling van de aarde trekt de afgelopen jaren steeds meer belangstelling vanuit de maatschappij en media, juist omdat een beter begrip van de wereld diep onder onze voeten het ontstaan van geologische processen als aardbevingen kan verklaren. Deuss draagt graag haar steentje bij aan de uitleg over onze aarde. Zo gaf ze vorig jaar een reeks colleges voor de Universiteit van Nederland.