De geschiedenis van de seismologie

Seismologie is de wetenschap van trillingen in de aarde. Lange tijd was het vooral een verhaal van ooggetuigen: kronieken beschreven hoe de grond schudde, gebouwen instortten en de zee zich terugtrok. Pas toen instrumenten die beweging konden registreren, werd het een meetbare wetenschap. De geschiedenis van de seismologie volgt daarom de geschiedenis van haar gereedschap, van een fraai versierd vat tot digitale sensoren die honderd meter diep in de bodem hangen.

De vroegste instrumenten: Zhang Heng, 132

Het oudst bekende instrument om aardbevingen waar te nemen, bouwde de Chinese geleerde Zhang Heng in 132 n.Chr., tijdens de Han-dynastie. Zijn toestel was geen meetinstrument in moderne zin maar een seismoscoop: het gaf wel aan dát er een verre beving was, en uit welke richting, maar mat de sterkte niet. Het was een bronzen vat met acht drakenkoppen aan de buitenkant. In elke drakenbek lag een bronzen kogel; daaronder zat een kikker met open muil.

Wanneer ergens een aardbeving plaatsvond, bewoog een mechaniek in het vat — vermoedelijk een slinger — en liet het de kogel uit de drakenbek aan de kant van de beving in de kikkerbek eronder vallen. De rinkelende kogel waarschuwde de hofbeambten en gaf met de richting al een eerste aanwijzing. Historische bronnen melden dat het toestel een beving registreerde die in de hoofdstad zelf nauwelijks voelbaar was. Het oorspronkelijke instrument is niet bewaard; latere reconstructies berusten op beschrijvingen uit Chinese kronieken.

De moderne seismograaf: Milne, omstreeks 1880

Bijna achttien eeuwen later begon het echte meten. Eind 19e eeuw werkte de Britse mijnbouwkundige John Milne in Japan, een land dat geregeld door zware bevingen werd getroffen. Samen met collega's als James Alfred Ewing en Thomas Gray ontwikkelde hij in de jaren 1880 de moderne seismograaf: een toestel dat de grondbeweging niet alleen detecteert, maar continu en in de tijd vastlegt op een bewegende strook papier of een berookte trommel.

Het principe is verrassend eenvoudig en geldt vandaag nog. Een zware massa hangt zo opgehangen dat ze door traagheid relatief stil blijft staan terwijl de aarde — en het frame van het instrument — eromheen beweegt. Het verschil tussen massa en grond wordt opgetekend als een golvende lijn, het seismogram. Daarop is precies te zien wanneer de verschillende seismische golven aankomen, en uit hun tijdsverschil valt de afstand tot de haard te berekenen. Milne richtte een wereldwijd netwerk van stations in en wordt daarom vaak de grondlegger van de instrumentele seismologie genoemd.

Magnitude: Richter, 1935

Met seismogrammen konden onderzoekers bevingen vastleggen, maar er ontbrak nog een objectieve maat voor de sterkte. Die kwam er in 1935, toen de Amerikaanse seismoloog Charles Richter — samen met Beno Gutenberg — aan het California Institute of Technology een schaal ontwierp voor bevingen in Zuid-Californië. De schaal van Richter koppelt een getal aan de grootste uitslag op het seismogram, gecorrigeerd voor de afstand tot de beving.

De schaal is logaritmisch: elke hele stap betekent een tienmaal grotere uitslag en ongeveer 32 keer zoveel vrijgekomen energie. Een beving van magnitude 6 is dus veel meer dan twee keer zo krachtig als een van magnitude 4. Hoe dat precies werkt en waarom de schaal vaak verkeerd wordt aangehaald, leest u op de pagina over de schaal van Richter. Richters schaal werkte goed voor lokale bevingen, maar liep tegen grenzen aan bij zeer zware of veraf gelegen schokken.

De doorbraak van platentektoniek: jaren 1960

Tot ver in de 20e eeuw ontbrak een sluitende verklaring waarándaan al die bevingen kwamen. Dat veranderde in de jaren 1960, toen de theorie van de platentektoniek algemeen aanvaard raakte. Onderzoek aan de oceaanbodem, het patroon van magnetische strepen en vooral de wereldwijde spreiding van aardbevingen lieten zien dat de buitenste schil van de aarde uit bewegende platen bestaat. De meeste bevingen blijken zich te concentreren langs de randen van die platen.

Cruciaal voor dat inzicht was meetinfrastructuur. In dezelfde periode werd het World-Wide Standardized Seismograph Network (WWSSN) opgebouwd, een wereldwijd netwerk van identiek uitgeruste stations. Voor het eerst beschikten seismologen over vergelijkbare metingen van overal ter wereld. Daarmee konden ze haarden nauwkeurig lokaliseren en zagen ze dat aardbevingsgordels naadloos samenvielen met de plaatgrenzen die de platentektoniek voorspelde.

Momentmagnitude: jaren 1990

De schaal van Richter verzadigt bij hele zware bevingen: boven ongeveer magnitude 7 onderschat ze de werkelijke kracht. Daarom werd in de jaren 1970 het concept van het seismisch moment ontwikkeld, dat de sterkte berekent uit het breukoppervlak, de verschuiving en de stijfheid van het gesteente. Hieruit volgt de momentmagnitude (Mw), die in de jaren 1990 wereldwijd de standaard werd voor het rapporteren van middelzware en zware bevingen.

Het voordeel: Mw verzadigt niet en is fysisch verankerd in wat er werkelijk langs de breuk gebeurt. Voor de allerzwaarste bevingen, zoals die van magnitude 9 of hoger, is momentmagnitude de enige betrouwbare maat. Instituten als het KNMI en de USGS rapporteren vandaag in Mw, ook al spreken media uit gewoonte nog vaak over “de schaal van Richter”. Wat de verschillende schalen onderling betekenen, staat uitgelegd bij momentmagnitude.

Seismologie in Nederland: KNMI en het Groningen-netwerk

Ook Nederland heeft een eigen seismologische geschiedenis. Het KNMI bouwt sinds de 20e eeuw aan een landelijk meetnet en registreert zowel natuurlijke tektonische bevingen, vooral in Limburg, als door mijnbouw veroorzaakte bevingen. De zwaarste natuurlijke beving in de moderne meetreeks was die bij Roermond in 1992, met een magnitude van ongeveer 5,8.

Een bijzonder hoofdstuk vormt Groningen. Door de gaswinning ontstonden daar vanaf de jaren 1980 geïnduceerde bevingen: relatief ondiep en daardoor aan de oppervlakte goed voelbaar. Om die nauwkeurig te meten legde het KNMI er een uitzonderlijk dicht netwerk aan, met boorgatseismometers — sensoren die in geboorde gaten tot tientallen of honderden meters diepte hangen. Op die diepte is de ruis van verkeer en wind veel kleiner, zodat ook de allerzwakste trillingen worden geregistreerd. Daarmee behoort Groningen tot de best gemeten aardbevingsgebieden ter wereld.

Verder lezen

De geschiedenis van het meten loopt door in de begrippen die seismologen dagelijks gebruiken. Verdiep u in de schaal van Richter en het verschil met momentmagnitude, lees hoe seismische golven door de aarde reizen, of bekijk hoe het meetwerk in Nederland is georganiseerd bij het KNMI.