Boren in fouten

Geologen durven te gaan waar ze ooit alleen maar konden dromen van rechtdoor gaan naar de plaatsen waar aardbevingen daadwerkelijk plaatsvinden. Drie projecten hebben ons in de seismogene zone gebracht. Zoals een rapport het uitdrukte, plaatsen projecten als deze ons "op de afgrond van kwantumontwikkelingen in de wetenschap van aardbevingsgevaren."

De San Andreas Fault op diepte boren

De eerste van deze boorprojecten maakte een boorgat naast de San Andreas-fout nabij Parkfield, Californië, op een diepte van ongeveer 3 kilometer. Het project wordt het San Andreas Fault Observatory at Depth of SAFOD genoemd en maakt deel uit van de veel grotere onderzoeksinspanning EarthScope.

Het boren begon in 2004 met een verticaal gat van 1500 meter dat vervolgens naar de breukzone kromde. Het werkseizoen 2005 breidde dit schuine gat helemaal over de fout uit en werd gevolgd door twee jaar monitoring. In 2007 hebben boormachines vier afzonderlijke zijgaten gemaakt, allemaal aan de nabije kant van de storing, die zijn uitgerust met allerlei sensoren. De chemie van vloeistoffen, micro-aardbevingen, temperaturen en meer wordt geregistreerd voor de komende 20 jaar.

Tijdens het boren van deze zijgaten werden kernmonsters van intact gesteente genomen die de actieve foutzone doorkruisen, wat verleidelijk bewijs van de processen daar opleverde. Wetenschappers hielden een website bij met dagelijkse bulletins, en als je het leest, zie je enkele van de moeilijkheden van dit soort werk.

SAFOD werd zorgvuldig geplaatst op een ondergrondse locatie waar regelmatig aardbevingen zijn gebeurd. Net als de laatste 20 jaar van het onderzoek naar aardbevingen in Parkfield, is SAFOD gericht op een deel van de San Andreas-foutzone waar de geologie eenvoudiger lijkt en het gedrag van de fout beter beheersbaar is dan elders. Inderdaad, de hele fout wordt beschouwd als gemakkelijker te bestuderen dan de meeste omdat het een eenvoudige stoot-slipstructuur heeft met een ondiepe bodem, op ongeveer 20 km diepte. Zoals fouten gaan, het is een vrij rechte en smalle lint van activiteit met goed in kaart gebrachte rotsen aan beide zijden.

Toch tonen gedetailleerde kaarten van het oppervlak een wirwar van gerelateerde fouten. De in kaart gebrachte rotsen omvatten tektonische splinters die tijdens de honderden kilometers offset heen en weer over de fout zijn geruild. De patronen van aardbevingen op Parkfield zijn ook niet zo regelmatig of eenvoudig geweest als geologen hadden gehoopt; toch is SAFOD onze beste blik tot nu toe in de bakermat van aardbevingen.

De Nankai Trough Subduction Zone

In algemene zin is de San Andreas-fout, zelfs als deze lang en actief is, niet het belangrijkste type seismische zone. Subductiezones nemen die prijs om drie redenen:

• Ze zijn verantwoordelijk voor alle grootste aardbevingen van magnitude 8 en 9 die we hebben geregistreerd, zoals de aardbeving in Sumatra in december 2004 en de aardbeving in Japan in maart 2011.
• Omdat ze zich altijd onder de oceaan bevinden, veroorzaken aardbevingen in de subductiezone tsunami's.
• Subductiezones zijn waar lithosferische platen bewegen naar en onder andere platen, op weg naar de mantel waar ze aanleiding geven tot de meeste vulkanen ter wereld.

Er zijn dus dwingende redenen om meer over deze fouten te weten te komen (plus nog veel meer wetenschappelijke redenen), en het boren naar een ervan is gewoon binnen de stand van de techniek. Het Integrated Ocean Drilling Project doet dat met een nieuw state-of-the-art boorschip voor de kust van Japan.

Het Seismogenic Zone Experiment, of SEIZE, is een driefasig programma dat de inputs en outputs van de subductiezone zal meten waar de Filipijnse plaat Japan ontmoet in de Nankai Trough. Dit is een ondiepere geul dan de meeste subductiezones, waardoor het boren gemakkelijker wordt. De Japanners hebben een lange en nauwkeurige geschiedenis van aardbevingen in deze subductiezone, en de site is slechts een dag schip reizen weg van land.

Desondanks zal het boren in de voorziene moeilijke omstandigheden een stijgbuis vereisen - een buitenpijp van het schip naar de zeebodem - om uitbarstingen te voorkomen en zodat de inspanning kan worden voortgezet met boormodder in plaats van zeewater, zoals eerder is geboord. De Japanners hebben een gloednieuw boorschip gebouwd, Chikyu (Aarde) die het werk kan doen, tot 6 kilometer onder de zeebodem.

Een vraag die het project zal proberen te beantwoorden, is welke fysieke veranderingen de aardbevingscyclus bij subductiefouten vergezellen. Een andere is wat er gebeurt in het ondiepe gebied waar zacht sediment vervaagt tot broos gesteente, de grens tussen zachte vervorming en seismische verstoring. Er zijn plaatsen op het land waar dit deel van subductiezones wordt blootgesteld aan geologen, dus de resultaten van de Nankai-trog zullen zeer interessant zijn. Het boren begon in 2007. 

Alpine Fault in Nieuw-Zeeland boren

De Alpine-fout, op het Zuidereiland van Nieuw-Zeeland, is een grote schuine stootfout die om de paar eeuwen een aardbeving met een kracht van 7,9 veroorzaakt. Een interessant kenmerk van de fout is dat krachtige opheffing en erosie een dikke dwarsdoorsnede van de korst prachtig hebben blootgelegd die verse monsters van het diepe foutoppervlak biedt. Het Deep Fault Drilling Project, een samenwerking van Nieuw-Zeeland en Europese instellingen, slaat kernen over de Alpenfout door recht naar beneden te boren. Het eerste deel van het project slaagde erin om de fout twee keer op slechts 150 meter onder de grond te penetreren en te boren in januari 2011 en vervolgens de gaten te instrumenteren. Een dieper gat is gepland in de buurt van de rivier de Whataroa in 1500 meter. Een openbare wiki dient vroegere en lopende gegevens van het project.