Zand is geen kinderspel

Voor de ene onderzoeker is zand een gewillig model waarmee op schaal de geologische geschiedenis van de aardkorst is na te doen....

OVER EN weer kennen ze elkaars werkt niet, erkennen geoloog dr. Dick Nieuwland van de Vrije Universiteit Amsterdam en fysicus dr. Martin van Hecke van de Universiteit Leiden. Maar beiden kennen wel maar al te goed de reacties van de buitenwacht, wanneer ze zich laten ontvallen dat ze met zand werken. Wat, horen ze dan meestal, heeft een serieuze wetenschapper te zoeken in de zandbak?

Heel wat, wijst Nieuwland naar de imposante opstelling in het geologisch laboratorium van de VU. Het apparaat is een erfenis van Shell-research in Rijswijk en daarvoor Houston, waar het werd gebruikt voor geologische simulaties.

Op een enorme verstelbare stalen tafel is tussen twee schuiven een pak donker zand neergelegd dat gedurende de proeven van vanmiddag vanaf de zijkant zal worden opgestuwd met een vijzel. Het zand, zegt Nieuwland, 'breekt' op schaal precies als de aardkorst onder druk. 'Die overeenkomst is een cadeautje van Moeder Natuur', zegt hij monter.

Lampen belichten met strijklicht het hart van het experiment, waar in het zand langzaam een z-vormig plateau aan het ontstaan is, precies waar in de ondergrond een obstakel is aangebracht. Daaroverheen ligt een laag Zwitsal babyzalf, een materiaal dat kneedbaar is maar niet vloeit, net als klei.

Over rails boven de tafel loopt een lasercamera, die lijn voor lijn het steeds geprononceerdere hoogteprofiel van het zand tot op tienden van een millimeter aftast. Studenten kijken verderop in de controlekamer naar een beeldscherm waarop de meetgegevens in beeld komen. Ze zijn opgetogen. Het profiel komt zo op het oog al heel aardig overeen met de deformaties in een Italiaans landschap waarvan de oorsprong hun tot nog toe een raadsel was.

Het zijn de vingeroefeningen voor het echte werk, simulaties van hele geologische formaties, op schaal, met behulp van zand. Nieuwland, vroeger zelf bij Shell, geldt als internationaal expert in die geologische simulatietechniek.

'Je kunt je natuurlijk afvragen waarom je het niet gewoon in de computer doet', zegt hij retorisch. 'Maar ''gewoon'' bestaat in dit soort realistische geologie niet.'

Nieuwland: 'Een ingewikkelde geometrie kost onwaarschijnlijk veel rekentijd. En wat ernstiger is: voor een computerberekening moet je zoveel aannames doen, dat je niet weet of je een bepaalde vouw of breuk, of de volgorde van gebeurtenissen, echt ontdekt of die eigenlijk zelf al hebt aangereikt. Onze analoge zandmodellen bepalen zelf waar en wanneer ze scheuren of vouwen. Net als gesteenten in het veld.'

Nieuwlands technieken worden vooral gebruikt om scenario's te testen voor de geologische geschiedenis van bepaalde landschappen. Voor de Italiaanse oliemaatschappij Agip, bijvoorbeeld, reproduceerde hij in zijn Amsterdamse zandbak natuurgetrouw het ontstaan van sommige delen van de Appenijnen, inclusief winbare reserves. Voor Shell werkte hij aan Albanië. Hij heeft centraal Roemenië gereconstrueerd. Gasten werken aan de Jura.

Bij dat soort studies komt het aan op de voortdurende vertaling van plaatselijke gesteenten-eigenschappen in materialen die in het lab beschikbaar zijn. Zand staat daarbij voor breekbaar gesteente als kalk en zandsteen. Babyzalf voor kneedbaar gesteente als klei. Een merkwaardige kneedbare kunststof, siliconputty, lijkt op vloeibare gesteenten zoals zout: het laat zich vervormen, maar een bolletje loopt gaandeweg uit in een plasje.

Nieuwland bouwt van zulke materialen en gekleurde tussenlaagjes ingewikkelde zandpaketten die de opbouw van de aardkorst op een bepaalde plaats moeten voorstellen. Krachten op zo'n pakket stuwen delen op, veroorzaken breuken, afschuivingen, plateaus en slenken.

Na afloop worden de pakketten soms afgedekt, natgespoten en voorzichtig doorgesneden, om de inwendigen vervormingen te bekijken. Nieuwland hoopt binnenkort van een ziekenhuis een oude CT-scanner te kunnen overnemen, zodat inwendig onderzoek al tijdens de proeven mogelijk wordt.

Waarbij zelfs Nieuwland zich na al die jaren nog kan verbazen over wat zand vermag. 'Het is altijd weer intrigerend om in los zand heel heldere breuklijnen te zien optreden. Maar de deformatie van zwak en sterk gesteente gaat eigenlijk hetzelfde. Dat weet iedere geoloog, maar vast gesteente gaat nu eenmaal onze kracht te boven. En daarmee ook ons voorstellingsvermogen.'

Daar kan in Leiden post-doc dr. Martin van Hecke van meepraten. Wat tobberig staat hij naast een lekkend glazen aquarium, waarin aan vier lange staalkabels een plateau met glaszand hangt te schommelen, aangedreven door een elektromotortje. Het is allemaal nog wat provisorisch, verontschuldigt hij zich, maar kijk niettemin eens naar het fraaie ribbelpatroon in het kunstzand. 'Het proefje is te simpel voor woorden, maar echt begrijpen wat hier gebeurt, is een heel ander verhaal', zegt hij enthousiast.

Eerder dit jaar baarde Van Hecke met een aantal Deense collega's opzien met een korte brief aan het tijdschrift Nature (15 maart) waarin ze wezen op tal van onbekende ribbelpatronen die kunnen optreden in zand waar water over heen en weer beweegt. Ze deden hun proeven in Kopenhagen, Van Hecke analyseerde als theoreticus vooral de complexe patronen die ze waarnamen.

Afhankelijk van de schommelfrequentie en uitslag verdubbelen of halveren ribbelpatronen zich spontaan. In andere gevallen ontstaan tussen ribbels stabiele zandeilandjes, die Van Hecke 'parels' noemt. Anderzijds zijn ribbelpatronen ook merkwaardig lang ongevoelig voor de bewegingen van het water erboven.

Van Hecke staat inmiddels nergens meer van te kijken. 'Zand lijkt zo'n bekend materiaal, omdat het overal is. We spelen er als kind allemaal mee. Maar het blijkt voortdurend dat we er daarom ook niet goed meer naar kijken. Er gebeurt veel meer dan je precies begrijpt.'

Met niets van wat Van Hecke en zijn collega's in hun Kopenhaagse proeven zagen, weet de half-empirische zandribbeltheorie - vooral een waterbouwersdiscipline - tot nog toe echt raad. Alleen het principe van ribbelvorming is welbegrepen: water stroomt over een kleine oneffenheid, waarachter een rolwerveling ontstaat, die zand meesleept naar de top, zodat de oneffenheid weer wat aangroeit.

Van Hecke: 'Ingenieurs kunnen met wat bekend is, in hun praktijk best uit de voeten. Maar het is eigen aan fysici om precies te willen begrijpen hoe het werkt. Waarom er instabiliteiten zijn, welke parameters precies van belang zijn. En wie weet: misschien komt daar uiteindelijk wel weer toepasbare kennis uit voort.'

Hij heeft net een veel gedetailleerder artikel over dezelfde proeven, gedaan tijdens een verblijf in Kopenhagen, opgestuurd aan het prestigieuze vakblad Physical Review Letters. Maar het echte werk moet nog komen. In het Leidse Oort-laboratorium bouwt de post-doc met enkele studenten aan een opstelling waarin systematisch onderzocht kan worden wat er eigenlijk gebeurt als water heen en weer beweegt over een laag zand.

Meer dan voorheen wil Leiden zich richten op het gedrag van granulaire, korrelige media. Dat vakgebied, met belangrijke toepassingen in de industrie, is internationaal sterk in opkomst. Meer en meer worden zulke materialen als een extra vorm van materie gezien, ergens tussen vast en vloeibaar in.

Van Heckes streven is een handelbare opstelling waarin zeer beheerste experimenten kunnen worden gedaan. Daartoe moet de schommelbak relatief klein blijven, maar toch veel ribbels kunnen bevatten. In theorie is dat te bereiken door een stroperiger vloeistof dan water te gaan gebruiken. Paraffine-olie, bijvoorbeeld.

Maar dat is ook maar theorie, zegt Van Hecke. 'Na wat we het laatste jaar hebben gezien, durven we met zand nergens meer voetstoots van uit te gaan.'

Bovendien lekt zijn aquarium. Dat moet eerst dicht.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden