NEDERLANDSE SAMENVATTING

Transcriptie

1 NEDERLANDSE SAMENVATTING Natuurrampen hebben in de afgelopen decennia voor veel schade en slachtoffers gezorgd en daarom is er veel interesse in wetenschappenlijk onderzoek om de processen die leiden tot aardbevingen, vulkaanuitbarstingen, overstromingen en modderstromen te leren begrijpen. Dit proefschrift behandelt een experimenteel onderzoek naar de eigenschappen van breukgesteenten. Breukgesteenten onstaan door de beweging van aardplaten over, onder en langs elkaar. De beweging van deze aardplaten veroorzaakt wrijving waardoor het gesteente verpulverd wordt en breukgesteente onstaat. De beweging van de platen kan leiden tot aardbevingen, zoals in het geval van de tsunami van 2004 in Zuid-Oost Azië, waarbij de Indische plaat onder de Burma plaat schoof. Deze beweging leidde tot een aardbeving van magnitude 9.15 en omdat de aardbeving in de Indische oceaan plaatsvond, leidde dit tot de dodelijke tsunami. Om beter te begrijpen waarom, waar en wanneer een aarbeving plaatsvindt, is het belangrijk om te weten hoe het breukgesteente reageert op de beweging van de platen. Ook is het belangrijk om te weten hoe sterk of zwak het gesteente is om juiste numerieke modellen te kunnen maken voor processes als gebergtevorming en ertsvorming. Wetenschappers hebben vastgesteld met behulp van laboratorium experimenten dat de sterkte van het bovenste deel van de aardkorst bepaald wordt door bros breukgedrag of wrijving langs breukvlakken. De sterkte neemt toe met de diepte omdat door toename van de druk door het bovenliggende gesteente de normaalkracht op het breukvlak toeneemt. Het is voornamelijk in dit door bros gedrag gedomineerde gedeelte van de korst dat aardbevingen voorkomen. Op grotere diepte wordt de sterkte van de korst bepaald door vloeigedrag. Door een toename in temperatuur kunnen intrakristallijne processen optreden, waardoor het gesteente ductiel wordt oftewel kan vloeien. In dit gedeelte neemt de sterkte af met de diepte, omdat het gesteente makkelijker vloeit op hogere temperaturen. De overgang van bros naar ductiel gedrag wordt klassiek gelegd op een diepte van 5-20 km. Hier is de sterkte van het gesteente het hoogst. Ondanks het feit dat dit soort sterkte profielen al jaren gebruikt worden in numerieke modellen en het feit dat de sterkte overeenkomt met metingen gedaan in diepe boringen (KTB, Duitsland), is er ook al jaren kritiek op, omdat het de zaken veel simpeler voorstelt dan ze zijn. Een berucht voorbeeld is de San Andreas breuk in California waar metingen aangeven dat de sterkte van deze breuk veel lager is dan voorspeld door simpele brosductiele sterkte profielen. Mogelijke verklaring kunnen zijn: 1. De aanwezigheid van een hoge vloeistofdruk in de San Andreas breuk zone. Door de hoge vloeistofdruk wordt de normaalkracht op de breuk verlaagd, waardoor de breuk zwakker is. Het is echter onduidelijk, waar deze vloeistof vandaan komt en hoe een hoge vloeistofdruk vastgehouden kan worden voor langere tijd. 2. De sterkteprofielen zijn voor gesteentes die uit slechts 1 mineraal bestaan, terwijl veldobservaties van oude breuken duidelijk laten zien dat de breukgesteentes uit verscheidene mineralen bestaan, waaronder veel phyllosilicaten. Dit zijn platige 197

2 mineralen die veel zwakker zijn dan andere gesteentevormende mineralen als quartz en feldspaat. 3. De sterkteprofielen zijn veelal gebaseerd op droge experimenten. Hierdoor worden mogelijke chemische processen, zoals het oplossen en neerslaan van materiaal, genegeerd. Bovendien is al langer bekend dat water gesteentes verzwakt, waardoor ze wellicht op lagere diepte al kunnen vloeien. Hoewel deze gebreken van de bestaande sterkteprofielen al langere tijd bekend zijn, is er nog weinig experimenteel bewijs voor de sterkte of zwakte van breukgesteentes bestaande uit meer dan 1 mineraal en in de aanwezigheid van water en zijn er ook nog geen fysische modellen voor deze processen. Het oplossen en neerslaan van materiaal als gevolg van de aanwezigheid van water en een normaalkracht ( drukoplossing ) is waarschijnlijk erg belangrijk in gesteentes op een diepte van 5-15 km. Niet alleen kan drukoplossing het gesteente zwakker maken, maar het kan ook leiden tot verdichting van gesteente in de afwezigheid van breukbeweging. De verdichting van gesteente door drukoplossing kan juist leiden tot een sterkere breuk omdat de vrije ruimte (porositeit) verwijderd wordt. Voor de olie- en gas-industrie is deze verdichting ook van belang, omdat de porositeit de mogelijke hoeveelheid olie en gas in het reservoir bepaald. Ook kan drukoplossing in reservoir gesteentes na de productie van gas, leiden tot bodemdaling. Om drukoplossing in het laboratorium te bestuderen, heb ik een aantal experimenten uitgevoerd op hoge druk en temperatuur in aggregaten van quartz. In deze experimenten, wordt een hoeveelheid quartz zand afgewogen in een koperen capsule die verbonden is aan een vloeistofpomp. De capsule wordt vervolgens dichtgelast en geplaatst in een tuttle bom, die verbonden is aan het druknet in het laboratorium. Door de bom onder druk te zetten met Argon gas, wordt de capsule met quartz zand samengedrukt. Vloeistofdruk wordt gegenereerd door handmatig met de pomp vloeistof in het systeem te brengen. Door een oven om de tuttle bom wordt de temperatuur verhoogd naar ºC. De effectieve druk (het verschil tussen de gasdruk en de vloeistofdruk) is MPa (oftwel 1000 keer de atmosferische druk). Het quartz zand in de capsule verdicht doordat het quartz op de contacten oplost in de vloeistof, diffundeert langs het contact en weer neerslaat in de vrije ruimtes. Door deze verdichting stijgt de vloeistofdruk en door deze handmatig weer te verlagen en de volumeverandering te noteren, kan de verdichting als functie van de tijd gemeten worden. In hoofdstuk 2 beschrijf ik de resultaten van deze experimenten. De voornaamste conclusie is dat de snelheid van verdichting voornamelijk afhangt van de snelheid van het oplossen van materiaal op de contacten. Bovendien is de snelheid van verdichting niet linear afhankelijk van de effectieve druk, zoals altijd gedacht, maar eerder exponentieel met een exponent van 2-3. In hoofdstuk 3 beschrijf ik de resultaten van soortgelijke experimenten maar dan op mengsels van quartz en muscoviet (een phyllosilicaat). Een theoretisch model verklaart de resultaten redelijk goed. Wetenschappers hebben lang aangenomen dat de aanwezigheid van muscoviet de verdichting versnelt, maar mijn resultaten laten eerder een langzamere verdichting zien. Dit is waarschijnlijk het 198

3 gevolg van een verlaging van de oplossnelheid van quartz op de contacten door de aanwezigheid van aluminium ionen in de vloeistof. Om de effecten van de aanwezigheid van phyllosilicaten en drukoplossing op de sterkte van breuken te onderzoeken, heb ik een serie experimenten uitgevoerd op een analoog materiaal, namelijk mengsels van muscoviet en zout in de aanwezigheid van een verzadigde zoutoplossing. Ik heb een analoog materiaal gebruikt, waarvan bekend is dat processen als drukoplossing en breukgedrag plaatsvinden op kamer temperatuur met een meetbare snelheid. Deze experimenten zijn uitgevoerd in een rotary shear apparataat. Dit apparaat bestaat uit twee rigide stalen ringen waartussen het monster ingeklemd wordt. Hierdoor onstaat een soort donut die in een Instron apparaat, waarmee normaaldruk gegenereerd kan worden, geplaatst wordt. Door de onderste ring te draaien en de bovenste ring vast te houden, wordt het tussenliggende monster blootgesteld aan beweging. Omdat het ringen zijn, is de hoeveelheid deformatie (dus de totale verplaatsing) die gehaald kan worden in principe oneindig. Dit is belangrijk, omdat natuurlijke breuken vaak een grote hoeveelheid aan deformatie hebben gehad (mede door hun ouderdom). De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in hoofdstukken 4 en 5. In hoofdstuk 4 laat ik zien dat de sterkte van de gesimuleerde breuk met een mengel van zout en muscoviet sterk afhankelijk is van de snelheid van verplaatsing, terwijl de sterkte van de twee pure monsters bijna onafhankelijk is van de snelheid. Bij lage snelheden (<0.3-1 μm/s) wordt de breuk sterker met toenemende snelheid. Op de laagste snelheid is het mengsel zwakker dan de pure muscoviet. De microstructuren van de breuk laten een sterke golvende foliatie van muscovite plaatjes zien met daartussen in verlengde korrels van zout. Dit gedrag kan verklaard worden door het schuiven van de zoutkorrels over de muscoviet foliatie, waarbij geometrische onvolkomenheden weggenomen door het oplossen, diffunderen en neerslaan van het zout. Door de toenemende snelheid van deformatie, wordt het moeilijk om de verplaatsing bij te houden door de drukoplossing en wordt de breuk sterker. Een microfysisch model gebaseerd op een eerder model kan de experimentele resultaten goed verklaren. Extrapolatie van dit model naar natuurlijke breuken gebruikmakend van natuurlijke waardes voor de kinetiek, laat een serieuze verzwakking (faktoor 2-5) van de bovenkorst zien in vergelijking tot klassieke sterkeprofielen. Op hogere snelheden (> 1 μm/s) is de breuk van zout en muscovite zwak en wordt zwakker met toenemende snelheid. De microstructuren laten een chaotische breuk zien, zonder duidelijke struktuur en met veel gebroken korrels en porositeit. Dit gedrag kan verklaard worden door een toenemende neiging van de breuk om zijn volume te vergroten om de verplaatsing te kunnen accomoderen. Door de volumevergroting wordt de verdichting door drukoplossing versneld, totdat er een evenwichtsvolume is bereikt. Op hogere snelheden is de verdichting door drukoplossing per hoeveelheid verplaatsing minder en is de porositeit van de breuk dus groter. Door de hogere porositeit zijn er minder contacten en is de gemiddelde hoek van de contacten lager en is de breuk dus zwakker. In hoofdstuk 5 bekijk ik hoe een breuk zijn sterkte terugkrijgt gedurende periodes van nul beweging, door de gesimuleerde breuken eerst te bewegen en dan voor een vastgestelde periode niet te 199

4 bewegen, waarna de beweging weer gestart wordt. Tijdens de periode van nul beweging, zal de breuk verdichten en dus sterker worden. Het verschil tussen de evenwichtssterkte en de piek sterkte tijdens de herstarte beweging bepaalt de versterkingspotentie van de breuk. Voor breuken gedeformeerd op lage snelheden is deze versterking zo goed als nihil. Dit wordt verklaard doordat er bijna geen porositeit is in deze breuken tijdens evenwichtsbeweging en dus is er ook geen verdichting tijdens periodes van nul beweging. In tegenstelling tot deze breuken, versterken breuken gedeformeerd op hoge snelheid veel meer. Dit komt doordat de breuken een hoge porositeit hebben tijdens evenwicht en dus snel verdichten tijdens periodes van nul beweging. De snelheid van versterken neemt toe met toenemende snelheid door de toenemende porositeit. Als eenzelfde proces plaatsvindt in natuurlijke breuken, betekent dit dat natuurlijke breuken snel zullen versterken als ze snel gedeformeerd zijn, maar niet zullen versterken als ze langzaam gedeformeerd zijn. Om de invloed van vloeistoffen op de sterkte van natuurlijke breuken te onderzoeken, is in de afgelopen jaren in Utrecht een hydrothermaal rotary shear apparaat ontwikkeld, gebaseerd op het rotary shear apparaat zoals eerder beschreven. In dit apparaat is het mogelijk natuurlijke materialen op hoge druk en temperatuur (tot 300 MPa en 700 ºC) te vervormen tot een hele hoge verplaatsing in de aanwezigheid van water. In hoofdstuk 6 beschrijf ik de eerste resultaten van een serie van experimenten op breuken van quartz zand. Deze experimenten laten zien dat met toenemende verplaatsing de sterkte van de breuken afneemt. In vergelijking met andere experimenten is de afname van sterkte groot en vindt plaats over een grote verplaatsing (meer dan 5 mm). De verzwakking is waarschijnlijk het resultaat van het lokalizeren van de verplaatsing in een zone op de grens van het monster en de deformatiepiston. Door drukoplossing van knelpunten in deze zone, wordt de zone gladder en het monster zwakker. Breuken zijn zwakker bij hogere temperaturen, grotere korrelgroottes en hogere snelheden. Uiteindelijk kom ik in hoofdstuk 7 terug op de analoge experimenten van hoofdstukken 4 en 5. In hoofdstuk 7 beschrijf ik een microfysisch model voor het gedrag van de breuken van mengsels van zout en muscoviet op hoge snelheden. Dit model is gebaseerd op de competitie tussen volume-vergroting door deformatie en volume-verkleining door drukoplossing. Het model voorspelt de resultaten van de experimenten redelijk goed. Als we aannemen dat hetzelfde proces in natuurlijke breuken plaatsvindt, kan het model geextrapoleerd worden naar natuurlijk situaties. Om dit te doen, neem ik aan dat een natuurlijk breuk deformeert volgens het lage snelheids model en dat er in de breuk een segment niet verplaatst, maar op een zeker moment met een aardbeving losschiet. Als de aardbeving zich voortplant tot in het zwakke deel van de breuk, zal dit gedeelte in het regime van de hoge snelheid gaan deformeren. Door de twee modellen van elkaar af te trekken, krijgen we een idee van het spanningsverval dat optreedt tijdens deze aardbeving. Door dit voor verschillende diepte te doen, ontstaat een spanningsverval curve, die de spanningsvervallen, zoals gemeten met behulp van geofysische methoden in natuurlijke aardbevingen, redelijk kan voorspellen. 200

5 Concluderend heeft dit proefschrift tot een beter inzicht geleid in de processen die kunnen leiden tot het versterken en verzwakken van breuken en in het proces van drukoplossing. Bovendien is een microfysisch model gepresenteerd dat gebruikt kan worden in numeriek modellen voor gebergtevorming en de seismische cyclus. De ultieme test voor het verifieren van de toepasbaarheid van de resultaten op de analoge materialen (namelijk rotary shear experimenten op mengsels van natuurlijke materialen, bijvoorbeeld quartz en muscovite) zal in de toekomst nog meer interessante resultaten geven, die tot meer inzicht in het breukgedrag van gesteentes zal leiden. 201

6 202