Als het binnenin beeft, trilt de héle aarde

Arwen Deuss Hoogleraar structuur en samenstelling van de aardkern Het binnenste van de aarde is voor boren onbereikbaar. Via aardbevingsgolven onderzoekt Arwen Deuss de samenstelling.

Geofysicus Arwen Deuss: „Het beste voor mijn onderzoek is een aardbeving die op 650 kilometer diepte plaatsvindt.”
Geofysicus Arwen Deuss: „Het beste voor mijn onderzoek is een aardbeving die op 650 kilometer diepte plaatsvindt.” Foto Roger Cremers

Geofysicus Arwen Deuss was 17 jaar oud toen ze haar eerste aardbeving meemaakte. „Ik lag te slapen en in mijn slaapdelirium dacht ik dat er een ufo op het dak landde”, vertelt ze in haar werkkamer van de Universiteit Utrecht. „Gek genoeg bleef iedereen gewoon in bed liggen. Pas de volgende ochtend vertelde mijn vader dat er een aardbeving bij Roermond geweest was.” Dat was in 1992.

De tweede beving voelde ze toen ze voor een aardwetenschappelijk congres in San Francisco was. „Bij een aardbeving voel je eerst een S-golf. Daarna komen de oppervlaktegolven, die vaak het schadelijkst zijn.” ’s Nachts begon alles in haar hotelkamer te trillen. „Mijn kamergenoot en ik, beiden seismoloog, zeiden tegen elkaar: ik mag hopen dat dit de oppervlaktegolf is, anders wordt deze aardbeving heel heftig!”

Deuss is sinds begin maart hoogleraar en hield bij de Universiteit Utrecht haar inaugurele rede. Ze gebruikt aardbevingen voor haar onderzoek naar de aardkern en de diepe mantel. Aardbevingsgolven bewegen zich langs het aardoppervlak, maar ook dwars door de aarde. Bij grensovergangen – tussen kern en mantel – verbuigen de golven of breken ze af. Door aardbevingsgolven op te vangen met seismometers, die overal op aarde staan, krijgt ze informatie over de samenstelling van de aarde. En kan ze als het ware door de aarde heenkijken.

Krater op IJsland

In uw oratie noemde u het boek ‘Naar het middelpunt der aarde’ van Jules Verne. Daarin daalt professor Lidenbrock af in de krater van een vulkaan op IJsland, waar hij ondergrondse zeeën, dinosauriërs en oude mensensoorten tegenkomt. Wat zouden we in het echt zien wanneer we hier in Utrecht door de grond zakken?

„Je moet eerst door de aardkorst heen. Onder Nederland is die 31 kilometer dik, en bestaat uit gesteente zoals je kent uit de bergen. Daarna komt de mantel. De temperatuur en druk zijn er hoog. Atomen in het gesteente zijn veel dichter op elkaar gepakt. Daardoor is het mantelgesteente groen met rode stippen: olivijn met granaat.” Ze wijst naar haar ketting met kraaltjes van rode granaat.

We dalen verder af en komen bij de aardkern: „Halverwege de reis, op 3.000 kilometer diepte, verandert alles dramatisch. Dan kom je bij de buitenkern van gesmolten ijzer met nikkel. De vloeibaarheid is gelijk aan die van water en het stroomt er even hard als in een oceaan. Daar moet je dan 2.000 km doorheen zwemmen om bij een pit van vast ijzer te komen: de binnenkern. Die is iets kleiner dan de maan.”

Zult u ooit iets van die kern in handen krijgen?

„Nee. Het middelpunt van de aarde is meer dan 6.000 kilometer diep. En de diepste boring die ooit gedaan is, was maar 10 kilometer diep. Daarna kan het boormateriaal het niet meer aan door de hitte. Meteorieten die op aarde neerkomen bestaan wel uit hetzelfde soort ijzer en gesteente. Verder moeten we het doen met de seismologie.”

Van korst tot kern

U doet veel onderzoek met ‘normal modes’, dat zijn golven die de hele aarde laten trillen, van korst tot kern. Hoe ontstaan die?

„Het beste voor mijn onderzoek is een aardbeving die op 650 kilometer diepte plaatsvindt, op de grens tussen de boven- en ondermantel. Zo’n beving laat de aarde helemaal trillen, als een klok. Je krijgt dan als het ware tonen van de hele aarde, met een heel lage frequentie. Wanneer de aarde uit één type gesteente zou bestaan of overal dezelfde temperatuur zou hebben, dan zou de toon zuiver zijn. Maar dat is niet zo, de toon klinkt vals. Met normal modes kun je dus verschillen in de samenstelling en temperatuur van de aarde ontdekken.

„De bekendste aardbeving die normal modes veroorzaakte is de zware aardbeving van Bolivia, in 1994. Daar heb je niet van gehoord hè?”

Eh, nee.

„Die aardbeving is ook nooit op tv geweest. Er is ook niemand bij overleden en er is geen grote schade bij ontstaan omdat hij zo diep was. Toch is dit de beroemdste beving bij seismologen. Hij had een magnitude van 8,5. We weten niet wat de oorzaak was. Wel dat hij diep in de mantel ontstaan is, op een plek waar een stuk aardplaat de mantel indaalt.”

Hoeveel vaak komt zo’n grote beving in de mantel voor?

„Soms is er elk jaar een, soms zes jaar niet. Voor mijn onderzoek heb ik alle bevingen sinds 1975 gebruikt die normal modes veroorzaakten. Dat waren er ruim 105. Daarvan waren er een stuk of 15 rond 650 km diepte. Een aardbeving duurt meestal maar een paar uur, maar de normal mode-golven die ontstaan blijven soms wel een maand doorgaan.”

Wat kun je met die normal modes?

„Ik heb ze gebruikt voor onderzoek naar de binnenkern. We kwamen er toen achter dat de golven niet overal even hard door de binnenkern bewegen. Waarschijnlijk bestaat de kern uit vier verschillende parten, met elk een andere kristalstructuur. Ook kon ik bewijzen dat de binnenkern iets harder draait dan de omliggende vloeibare buitenkern. Elke miljard jaar draait hij een extra rondje.”

Hoe oud is de binnenkern?

„Een half tot anderhalf miljard jaar. Hij koelt af en groeit met 1 millimeter per jaar. In de loop van tijd zal de hele kern dus vast worden. Dat is misschien ook bij Mars gebeurd.”

De seismometer kan trillingen van de hele planeet meten

Arwen Deuss geofysicus

Bent u ook betrokken bij onderzoek naar de Marskern?

„Afgelopen november heeft NASA een seismometer op Mars gezet. Ik ben niet bij dat project betrokken, maar de data worden openbaar gemaakt. De seismometer kan trillingen van de hele planeet meten, de Marstonen. Daarmee kunnen we basale vragen beantwoorden: is er een kern en is die vloeibaar of niet?

„Het is nu afwachten of er Marsbevingen zijn. Wel valt er eens in de 30 jaar een meteoriet die groot genoeg is om normal modes te meten. We hebben dus wat geluk nodig, want de seismometer werkt maar twee jaar.”

Naast de kern onderzoekt u ook de mantel van de aarde. Wat is daar aan de hand?

„Onder Afrika en de Stille Oceaan heb je twee grote gebieden in de mantel zitten waarin aardbevingsgolven een langzamere snelheid krijgen. Die stukken mantel zijn dus anders. Eerst werd gedacht dat die gebieden een soort warme superpluimen zijn die vulkanen voeden met magma dat diep uit de mantel komt.” Ze tekent een dwarsdoorsnede van de aarde op een blaadje. Boven de grens tussen kern en mantel komt een bel, die het mantelgesteente voorstelt waarin aardbevingsgolven vertragen, met daaraan een lange slurf die tot de korst reikt.

Zwaar en stabiel

„Een recentere theorie is dat er meer ijzer in die opvallende stukken mantel zit. In dat geval zouden die gebieden mantelankers zijn. Een anker is zwaar en stabiel, beweegt niet veel, en zou van invloed kunnen zijn op hoe continenten bewegen.

„Wij hebben nu met weer een ander type golven naar deze gebieden gekeken en denken dat het tóch superpluimen zijn.

„Dat vind ik het mooie aan mijn werk. Het is zo’n jonge discipline. Je kunt grote dingen ontdekken. Er is nog steeds geen alomvattende theorie over de werking van de mantel.”

Lees over het in kaart brengen van aardplaten: Zinkende aardplaten in een nieuwe atlas