De impact van type aardbevingsgolven en ondergrond op grondbeweging

Wat is de invloed van de verticale aardbevingsgolven? Daarover is nog maar weinig bekend en dus reden voor onderzoekster Janneke van Ginkel van de Rijksuniversiteit Groningen om zich hierover te buigen. Vanuit het kantoor van het KNMI in de Bilt, waar de seismologische dienst van Nederland zit, verdiept zij zich al ruim 2 jaar in de uitslagen van de meetstations die de aardbevingen registreren. Bij het KNMI komen alle meetgegevens binnen en deze data gebruikt van Ginkel voor haar onderzoek. Tijd voor een gesprek met deze 31-jarige promovendus.

Verschillende type golven

Van Ginkel: “Met mijn onderzoek hoop ik meer duidelijkheid te kunnen bieden over wat soorten ondergrond met bevingen doen. Een aardbevingsgolf zit heel vernuftig in elkaar. Zo zijn er verschillende type golven, maar tot nu toe wordt in het Nederlandse onderzoek t vaak maar uitgegaan van een type golf: de golf die zijwaartse beweging genereert. Maar er is ook een type golf die verticale grondbeweging kan genereren. Logischerwijs is het meeste onderzoek gericht op de horizontale grondbeweging, omdat deze over het algemeen de meeste schade geeft. Maar in Nederland weten we niet wat voor invloed de verticale golven hebben en daarom onderzoek ik nu de golf met de verticale beweging.

Uniek aan Groningen

De aardbevingen in Groningen zijn lastig te voorspellen, evenals de schade die de bevingen genereren. Om meer zicht te krijgen op de complexe Groningse bevingssituatie, is Janneke van Ginkel sinds september 2017 bezig met haar promotieonderzoek naar de trillingen in de Groningse ondergrond.
Hoe reageren verschillende ondiepe bodemsoorten op de bevingen? Wat voor invloed hebben de verschillende typen trillingen? Met het onderzoek hoopt van Ginkel een genuanceerder beeld te krijgen van de relatie tussen de ondergrondsamenstelling en het gedrag van de bevingen.

De onderzoekster bestudeert in haar onderzoek de aardbevingsgolven die ontstaan op drie kilometer diepte in het reservoir van het Groningse gasveld. Tijdens hun weg naar de oppervlakte vervormen de Groningse aardbevingsgolven vanwege de samenstelling en geringe sterkte van de bodemlagen vlak onder het oppervlak. Daardoor gedragen ze zich anders dan aardbevingen in een gebied met hard gesteente als ondergrond. Door de ondiepe bron van de bevingen in Groningen gaat er relatief meer energie naar de oppervlakte. Veel meer dan bij tektonische bevingen, zoals in Limburg, die op 20-30 km diepte plaatsvinden.

De bovenste 800 meter van de Groningse ondergrond bestaat uit losse sedimenten en door al dat losse materiaal worden golven afgeremd. De snelheid van de golf wordt hierdoor minder, maar de energie van de golf blijft behouden en wordt gecompenseerd door een toename in de horizontale en verticale beweging van de golf: de amplificatie neemt toe op het moment dat de golf de oppervlakte nadert. Je kunt dit het beste vergelijken met een tsunami: als de snelheid van de golf afneemt zodra de golf bij land komt (waar het water ondieper is), dan wordt de energie omgezet in de hoogte van de golf. De golfhoogte wordt daardoor groter. Dit gebeurt ook bij de aardbevingen in Groningen, en dat noemen we het opslingereffect.

Opslingereffect als groot nadeel

Van Ginkel: “Het opslingereffect is heel nadelig, omdat de schade aan gebouwen daardoor groter wordt. De grond beweegt namelijk meer door die grotere amplitude van de aardbevingsgolf. In mijn onderzoek probeer ik daarom nauwkeurig te kijken op welk punt de aardbevingsgolf zich anders begint te gedragen en welke bodemsoort hier invloed op heeft. Ik probeer patronen te herkennen om betere modellen te kunnen maken, zodat er betere inschattingen te maken zijn van het gedrag van bevingen en het opslingereffect. Dit onderzoek is ook van belang voor de versterkingsoperatie van huizen in Groningen. Als op een bepaalde locatie een vergroot opslingereffect plaatsvindt, dan moet een huis aldaar op een andere manier versterkt worden dan eenzelfde type huis op een locatie met een geringer opslingereffect.

Voor haar onderzoek gebruikt van Ginkel vooral de meetstations van het KNMI, dat een netwerk heeft in heel Nederland. Met name in Groningen staan veel meetstations en dit vormt daardoor een ideaal laboratorium om aardbevingsgolven te bestuderen. De kennis die wordt opgedaan met het onderzoek naar de bevingen in Groningen wordt gebruikt om de grondbeweging ten gevolge van een aardbeving in kaart te brengen op andere plaatsen in Nederland, waar ook het opslingereffect een rol zal spelen.

Verschillende soorten ondergrond

Omdat de soort ondergrond een grote rol speelt, maakt van Ginkel onderscheid tussen verschillende bodemsoorten. In Groningen is de bodem immers heel divers: zo heb je zand en klei, maar ook veengrond. Een bijkomende vraag is dus wat voor invloed het type ondergrond heeft op de aardbevingsgolven. Een van haar onderzoeksvragen is of de amplificatie van de golven in de ene ondergrond sterker toeneemt dan bij de andere ondergrond? Uit haar onderzoek blijkt dat de Holocene sedimenten met veel klei en wat veen een extra ‘opslingering’ veroorzaken in vergelijking met locaties waar deze sedimenten niet aanwezig zijn, maar waar de ondergrond zandiger is. De kennis van het gedrag van de bevingen in Groningen vergelijkt ze met trillingen die mensen niet kunnen voelen maar wel continue aanwezig zijn. Deze trillingen, ook wel ‘ruis’ genoemd, worden ook gemeten en geven een vergelijkbaar beeld van het gedrag van de golven in relatie tot het type ondergrond. Het feit dat we de ruis met echte aardbevingen kunnen vergelijken biedt kansen om zo een voorspelling van de grondbeweging te doen op locaties waar nog geen aardbevingen zijn gemeten.

Figuur uit van Ginkel et al., 2019: Assessing soil amplifications in Groningen, the Netherlands

Verticale grondbeweging van belang bij aardbevingsrisicoanalyses

Terug naar de verschillende typen golven. De eerste resultaten duiden erop dat er in de verticale richting ook opslingering plaatsvindt op bepaalde locaties. Op deze locaties zijn de snelheden van de ondergrond tegelijkertijd ook erg traag, wat te maken kan hebben met de aanwezigheid van kleine gasbelletjes, ontstaan vanuit het veen dat zich in de ondiepe ondergrond bevindt. Deze studie is nog niet afgerond, maar de eerste bevindingen duiden er wel op dat de verticale grondbeweging van belang is bij aardbevingsrisicoanalyses. Waarschijnlijk heeft de verticale beweging weinig invloed op woningen, maar grote, horizontale structuren zoals bruggen, pijpleidingen, grote boerenschuren of industriële faciliteiten kunnen hier wel last van hebben.

De verticale beweging wordt in landen met hoge magnitude aardbevingen al wel meegenomen voor het aardbevingsbestendig bouwen. Daarbij worden heel lokaal de mogelijke verticale grondbewegingen berekend. ”Maar in Nederland, waar we doorgaans met lagere magnitudes te maken hebben, doen we dat nu nog niet standaard, zegt de onderzoekster. “Het lijkt mij interessant om hier eens over te praten met bouwkundigen of schade-experts die werken aan de schade in Groningen. Ik ben benieuwd of ze tekenen zien van verticale grondbeweging en welke structuren schade zouden kunnen ondervinden. Want dan zou het nuttig zijn om in de bouwontwerpen wel deze beweging mee te nemen?

Mijn onderzoek is nu voornamelijk gebaseerd op aardbevingen in Groningen, maar het doel is om deze kennis mee te nemen naar andere plekken in Nederland waar ook risico is op aardbevingen. Bijvoorbeeld bij geothermieprojecten waarbij ook aardbevingen kunnen ontstaan.
Groningen is mijn ideale case study: bijna nergens ter wereld is zoveel data beschikbaar van een gebied.”

Van Ginkel onderzoekt momenteel de verticale grondbeweging en in de planning staat om eind 2021 te promoveren aan de RUG. Mocht u interesse hebben in haar publicaties en bevindingen, neem dan contact via  j.a.van.ginkel@rug.nl.

 

 

mei 11, 2020 | Nieuws