Geheimzinnig breukmeel laat Groningen beven

Het verborgene

~ onzichtbare breuken ~

Deze zomer verkent de wetenschapsredactie ‘het verborgene’ in een serie artikelen. Deze week gaat het over begrijpen van diep gesteente. Door onze redacteur

Door een dikke deur gaan we het HPT-lab binnen, het laboratorium voor hoge druk en temperatuur. Meteen klinkt een vreemd geluid. Tok....chrrrkrrr...tok....krrr...tok. Wat is dat? Waar komt het vandaan? „Je hoort aardbevinkjes”, zegt Christopher Spiers, hoogleraar Aardse materialen aan de Universiteit Utrecht. „Die bootsen we na. Je zult het zo wel zien”, zegt hij met een Brits accent. Spiers komt oorspronkelijk uit Wales – „ik was mijn hele jeugd omringd door mijnen en prachtige aardlagen vol fossielen en mineralen”. Zijn naam spreek je uit als Spaiers.

Zijn groep ontving drie jaar geleden drie miljoen euro van de NAM, het gaswinningsbedrijfvan Shell en Exxon, om meer te weten te komen over het ontstaan van aardbevingen onder Groningen. „Het is het grootste project dat de faculteit ooit heeft gehad”, zegt Spiers. Volgend jaar loopt het programma af. Ook een paar andere groepen wereldwijd – MIT in Cambridge (VS), ETH in Zürich – doen onderzoek voor de NAM.

Het bedrijf hoopt met alle nieuwe kennis nauwkeuriger te kunnen rekenen aan aardbevingskansen. Ook al heeft de politiek nu besloten de gaswinning in Groningen terug te draaien naar nul. Want ondanks dat, zegt Spiers, zou de ondergrond op termijn nog kunnen reageren. Maar hoe, is onbekend. „De wetenschappelijke basis om daarover iets te zeggen is nog te gering.”

Hoe doe je dat, processen proberen te achterhalen die, onzichtbaar voor het blote oog, op kilometers diepte spelen? Spiers laat zien wat ze hier, in dit lab, zoal doen. Gesteente wordt onder hoge druk op allerlei manieren getergd: langs elkaar geschuurd, samengedrukt, vervormd, gekraakt. Dat is waar de hoogleraar zich op toelegt: de veranderingen in gesteente bestuderen, als gevolg van natuurlijke tektonische krachten, van gaswinning, CO2-opslag, geothermie. En dat op microscopisch niveau. „We willen de basale fysische en chemische processen blootleggen.”

De zoektocht in Spiers’ lab vordert gestaag. Voor de Groningers zal het veel te langzaam gaan, die willen liever vandaag dan morgen duidelijkheid. Maar zo is wetenschap, ze heeft tijd nodig. Dit is ook geen stuk met kant-en-klare antwoorden.

Suzanne Hangx, universitair docent, is net het lab binnengelopen. Ze heeft een foto bij zich. Het is een microscopisch beeld van zandsteen, het soort gesteente waarin het Groningse aardgas opgeslagen zit, op een diepte van zo’n drie kilometer. Je ziet onregelmatig gevormde grijze korrels, tegen een blauwe achtergrond. De korrels zijn kwartsmineraal, zegt Hangx. Het blauwe zijn de poriën. „Als zich gas in het gesteente bevindt, zit het daar, in die poriën.” Door gaswinning, zo legt ze uit, neemt de effectieve druk van de drie kilometer aan gesteente bóven de zandsteenlaag toe – de afnemende hoeveelheid gas daaronder levert steeds minder tegendruk. De zandsteenlaag wordt zo beetje bij beetje ingedrukt. Dit proces – compactie – zorgt er aan het aardoppervlak voor dat de bodem inzakt. En er kunnen aardbevingen door ontstaan. De vraag is alleen, hoe precies?

Röntgenfilm van zandsteen

Hangx wil vooral weten hoe de structuur van zandsteen onder toenemende druk verandert. In oktober 2016 – „vlak voor mijn bruiloft” – kreeg ze een unieke kans een experiment te doen in Grenoble, bij de synchrotron-faciliteit. „Het rare is dat je alleen toegang krijgt tot de faciliteit als je ’m al een keer eerder hebt gebruikt. Dat hadden we niet. Het lukte ons uiteindelijk via een collega uit Frankrijk. In zijn tijdslot kregen we beam-time voor één experiment.” Na maandenlange minutieuze voorbereidingen konden Hangx en promovendus Ronald Pijnenburg röntgenfoto’s maken van een klein stukje Groningse zandsteen (5 bij 12 mm) waarop de druk stapje voor stapje werd verhoogd. Totdat een breuk ontstond. Ze maakte zo als het ware een röntgenfilm van de veranderingen in die steen. Zoiets is wereldwijd niet eerder gedaan.

„We hebben terabytes aan data”, zegt Hangx. „We zijn die nog steeds aan het verwerken.” Maar duidelijk is volgens haar al wel dat het heersende idee niet klopt. De vervorming van gesteente zou in het begin volledig elastisch zijn, dus omkeerbaar. „Maar wij zien bij zandsteen al vrij snel blijvende deformatie: structurele kleine verplaatsingen en vervormingen van de kwartskorrels.” Wat dit betekent voor de kans op aardbevingen in Groningen, moet verder worden onderzocht.

Het vreemde chrrrkrrr....tok-geluid is verstomd. Hangx loopt naar een ander hoekje in het lab. Daar zit André Niemeijer op een krukje. Ook hij is universitair docent. Hij heeft altijd gehouden van bergen, zegt hij. „En van de interactie tussen stenen en vloeistoffen”. Sinds een jaar of tien vindt hij aardbevingen „mateloos interessant”. In 2016 zag hij met eigen ogen hoeveel kracht daarbij vrij kan komen. Hij was in Nieuw-Zeeland, twee maanden na de Kaikoura-aardbeving (7,8 op de schaal van Richter). Op sommige plekken waren de wegen 2,5 meter verzakt. Elders, aan het strand, was de zeebodem 2 meter gestegen. „Je kunt je niet voorstellen hoe indrukwekkend dat is, als je het niet zelf hebt gezien.”

Gebarsten mineraalkorrels

Niemeijer bestudeert breuken in een gesteente – in het Groningse gasveld zitten er circa 1300. Juist op die plekken, zo is het idee, ontstaan aardbevingen. Zo’n breuk, vertelt Niemeijer, is een vlak waar de oorspronkelijke mineraalkorrels zijn vervormd en gebarsten. Ze hebben een soort meel gevormd, het zogeheten breukmeel. „Het breukmeel is zwakker dan het gesteente”, zegt Niemeijer. Als de spanning op een gesteente, en dus ook op het breukmeel, verandert (bijvoorbeeld door compactie) kunnen verschillende dingen gebeuren. Of de breuk blijft zoals-ie is. Of de korrels in het meel gaan heel geleidelijk ten opzichte van elkaar bewegen, ze kruipen. Of ze bewegen snel, en versnellen even. „In het laatste geval kan een aardbeving ontstaan”, zegt Niemeijer. Welk scenario zich afspeelt, wordt door fysische en chemische processen bepaald.

Niemeijer heeft samen met promovendus Luuk Hunfeld allerlei soorten breukmeel getest. „Dat zal Luuk je zo wel uitleggen”, zegt hij. Zelf heeft Niemeijer ontdekt dat er twee processen in competitie met elkaar zijn, die bepalen of een breuk over tijd zwakker of sterker wordt, en dus sneller of minder snel tot een aardbeving kan leiden. „Bij toenemende druk”, vertelt hij, „persen de korrels in het meel harder tegen elkaar.” In het vlak waar korrels contact maken gaat op een gegeven moment materiaal in oplossing. Dat slaat even verderop, in een porie, weer neer. „De poriën raken zo meer opgevuld. Dat maakt de breuk sterker.”

Maar er is ook een ander proces. De korrels willen ten opzichte van elkaar gaan bewegen. „De een duwt zich omhoog, de ander omlaag.” Zo ontstaat juist meer porieruimte. En dat maakt de breuk zwakker. „Ik geloof dat ik nu tien jaar onderzoek in 30 seconden heb vertelt”, zucht hij.

Hé, het vreemde geluid is er weer. Chrrrkrrr...tok... Niemeijer loopt ernaar toe. Het is een promovendus van hem, Evangelos Korkolis, die de aardbevingen nabootst. Hij komt uit Griekenland. „Waarschijnlijk het meest aardbevingsgevoelige land in de EU”, zegt Korkolis. Hij is voor zijn promotie-onderzoek naar Utrecht gekomen, omdat hij onder de indruk was geraakt van het werk van Niemeijer. „Ik wist dat hij net een grote Europese subsidie had gekregen en promovendi zocht.”

Korkolis legt uit dat hij in het kokervormige, zilverkleurige apparaat voor hem een beweging simuleert die typisch is voor veel aardbevingen, de zogeheten stick-slip. „Vergelijk het met het bewegen van je vinger over de rand van een glas, of dat je een boek aan een veer over tafel trekt. Dat gaat met horten en stoten”, zegt Korkolis.

In dit geval gebruikt hij glaskorrels van een halve millimeter in doorsnee – een soort modelsysteem voor breukmeel. De korrels zitten ingeklemd tussen twee platen die hij onder druk zet en die langzaam ten opzichte van elkaar draaien. Het chrrrkrr zijn de korrels die over elkaar schuren. Het tok is de aardbeving, ze verschieten even. Korkolis probeert met dit soort experimenten de interactie tussen de korrels beter te begrijpen. Om daarmee betere computermodellen te maken die aardbevingen nabootsen. Tot voor kort waren die modellen puur wiskundig. Maar zijn collega Martijn van den Ende, die 15 juni is gepromoveerd, heeft nu als eerste een model gemaakt dat de wiskunde combineert met mechanische kennis uit lab-experimenten.

„Je moet nog naar Luuk”, zegt Niemeijer. We verlaten het HPT-lab. Een paar deuren verderop, in een ander, eenvoudiger lab, vertelt Hunfeld over zijn onderzoek aan breukmeel. „Die breuken in het Groningse gasveld zijn vrij steil”, zegt hij. Links en rechts van de breuken zijn de stukken zandsteenlaag in het verre verleden ten opzichte van elkaar verschoven. Het verzet is soms zo groot dat een stuk zandsteenlaag in contact komt met de bovenliggende laag van klei- of kalksteen. Zo kunnen er ook andere soorten meel in het breukvlak komen.

Andere soorten meel

Hunfeld heeft, samen met Niemijer, van meel in allerlei verschillende samenstellingen, gemeten hoeveel wrijving het materiaal kan weerstaan. Dat is een maat voor de sterkte van de breuk. Hunfeld: „Als er kalksteen in de breuk zit, lijkt die gevoelig voor versnelling.” En ook mengsels van zandsteen met andere soorten gesteente lijken „een verhoogde tendens te hebben voor seismiciteit”. Dat is de theorie, vult Niemeijer aan. Of dit ook opgaat voor de Groningse ondergrond, is nog moeilijk te zeggen. „Idealiter zou je in de Groningse ondergrond in een breuk willen boren, om te bekijken welk meel er precies in zit”, zegt Niemeijer. „Maar dat is technologisch heel lastig, het is gevaarlijk, en het is heel duur.” En als het al gebeurt, weet je het voor één plek.

Alternatief is om op zoek te gaan naar plekken waar dezelfde zandsteenformatie aan het oppervlak ligt. Om daar dan breukvlakken te onderzoeken. Zulke plekken zijn er, in Duitsland en Groot-Brittannië. „Maar dan is de vraag of het meel dat je daar vindt representatief is voor wat je onder Groningen kunt vinden”, zegt Niemeijer. Hij vraagt zich af of „we ooit exact zullen weten wat er op diepte onder Groningen gebeurt”. Hij moet terug naar het HPT-lab, zegt hij, en loopt weg.

Hunfeld vertelt dat hij pasgeleden heeft meegewerkt aan een „heel gaaf” experiment, in Japan. In een speciaal lab in de stad Tsukuba, 100 kilometer ten noorden van Tokio, zijn twee blokken zandsteen van elk 1 kubieke meter op elkaar gelegd, met daartussen breukmeel van Groningse zandsteen. Daarna zijn die blokken onder hoge druk over elkaar geschoven. „We hebben dus een breukbeweging in de Groningse ondergrond gesimuleerd.”

Zo’n experiment, op dit formaat, was niet eerder gedaan. Doel was te achterhalen of de processen die op een schaal van micrometers tot centimeters spelen, ook worden gezien op meterschaal. „We hebben daar al wel aanwijzingen voor, maar we moeten de data nog verder uitwerken”, zegt Hunfeld. Dan kijkt hij op zijn horloge. Hij moet gaan, zegt hij. Gitaarles geven.

    • Marcel aan de Brugh