Zwaartekrachtmetingen
De massa van de aarde genereert een gravitatieveld dat een aantrekkende werking heeft op andere voorwerpen, de zogenaamde gravitatiekracht. Een voorwerp dat samen met de aarde roteert ervaart bovendien een centrifugale kracht. De som van gravitatiekracht en centrifugale kracht noemen we de zwaartekracht. Op het moment dat het aardoppervlak naar beneden beweegt, bijv. als gevolg van bodemdaling, zal de zwaartekracht op een voorwerp dat deze beweging meemaakt, toenemen. Dat maakt het in principe mogelijk om uit gemeten zwaartekrachtveranderingen verticale bodembeweging te detecteren.
De zwaartekracht is goed meetbaar met zwaartekrachtmeters. Moderne zwaartekrachtmeters kunnen zwaartekrachtveranderingen meten die negen ordes van grootte kleiner zijn dan de zwaartekracht zelf. Vergeleken met andere technieken voor het meten van bodembeweging heeft een zwaartekrachtmeter het voordeel dat het in principe de absolute beweging van een punt op het aardoppervlak meet, terwijl waterpassingen, InSAR en GPS alleen bewegingen van een punt ten opzichte van een ander punt (d.w.z. relatieve bodembeweging) nauwkeurig kunnen meten. Om voldoende nauwkeurig absolute bodembeweging met een zwaartekrachtmeter te kunnen meten is het wel noodzakelijk om deze metingen gedurende vele jaren uit te voeren, en hiervoor geschikte plekken te kiezen.
Sinds de jaren negentig van de laatste eeuw wordt de zwaartekracht op een aantal stations in Nederland regelmatig gemeten. Sinds 2005 worden jaarlijkse metingen door de TU Delft uitgevoerd en werd het netwerk in de loop der jaren uitgebreid tot inmiddels 6 stations (Kootwijk, Westerbork, Epen, Zundert, Oudemirdum en Texel). De stations Westerbork en Epen (Zuid-Limburg) beschikken over de langste en meest nauwkeurige tijdsreeksen. De stations Oudemirdum en Texel zijn relatief nieuw en de tijdsreeksen op deze stations zijn nog te kort om betrouwbare uitspraken te doen over de beweging van deze punten. Het doel van deze metingen is de verticale stabiliteit van het NAP-nulvlak te controleren. Momenteel is namelijk niet goed bekend hoe het NAP-nulvlak absoluut beweegt. Uit eerder geologisch onderzoek werd bijvoorbeeld vermoed dat er sprake zou kunnen zijn van een kanteling van het NAP-nulvlak. Zonder de absolute verticale beweging van het NAP-nulvlak nauwkeurig in kaart te brengen is het bijvoorbeeld niet mogelijk om gemeten zeespiegelstijging op peilmeetstations langs de Nederlandse kust goed te kunnen interpreteren. Dat is belangrijk, omdat daardoor niet kan worden vastgesteld welk gedeelte van de waargenomen veranderingen in zeeniveau te wijten is aan klimaatverandering.
Zwaartekrachtmetingen in Nederland
In de jaren 1950 is een zeer gedetailleerd zwaartekrachtnetwerk gemeten door BPM, de voorloper van Shell (De Bruyne et al.). Deze resultaten zijn gepubliceerd in de 'Atlas van Nederland'. In de jaren 1964, 1975, 1984 heeft de onderzoeksgroep Geodesie van de TU Delft een primair zwaartekrachtnetwerk ingemeten. Na 1984 is dit netwerk uitgebreid en gecontroleerd met nieuwe en betere relatieve zwaartekrachtmeters (gravimeters). De TU Delft heeft ook een primair zwaartekrachtsnetwerk gemeten in 1987 en 1990. In 1993 is dit netwerk vereffend samen met de metingen uit de periode 1986 - 1992 door de TU Delft. Het resultaat hiervan is het Nederlands Zwaartekrachtdatum 1993 (NEDZWA93) [De Min, 1995].
In het kader van NEDZWA93 waren absolute zwaartekrachtmetingen nodig om de relatieve zwaartekrachtsresultaten om te zetten in absolute waarden. In 1991 en 1994 zijn de eerste absolute zwaartekrachtmetingen in Nederland uitgevoerd, op 4 locaties. (Voor die tijd werden waarden van AZ campagnes in Duitsland en Belgie gebruikt. ) De campagnes zijn uitgevoerd met steun van de NCG. De precisie van de zwaartekrachtswaarden is 5-6 microgal.
Resultaten.
NEDZWA93 kan gezien worden als de eerste epoche van zwaartekrachtschatting in Nederland. Dit primaire netwerk bestaat uit 49 punten. Daarna is de zwaartekracht in zo'n 8000 locaties bepaald, als secundair netwerk (met een onderlinge afstand van ongeveer 2 km. Hiermee is de geoide van Nederland bepaald met cm precisie (De Min, 1995, 1996). In 1999 is door de TU Delft een herhalingsmetingcampagne uitgevoerd (NEDZWA99) met metingen uit de periode 1996-1999. Naar aanleiding van deze ervaring werd aanbevolen om elke 5 jaar een primair zwaartekrachtsnetwerk te meten, vooral in Westerbork, Kootwijk, Epen, en Zundert, aangevuld met relatieve metingen. Alle absolute zwaartekrachtsmetingen (AZ) in de periode 1991-1999 zijn gedaan met vrije-val absolute gravimeters.
Meer informatie over het zwaartekrachtonderzoek aan de TU Delft
Over de 'absolute beweging' van het NAP-vlak
Het NAP-nulniveau wordt momenteel bepaald door een groep van stabiel-veronderstelde ondergrondse merken op de Veluwe en de Utrechtse Heuvelrug. De hoogten van deze groep worden dus verondersteld niet te veranderen in de tijd. Naarmate de tijd verstrijkt wordt deze veronderstelling steeds onaannemelijker. Alle overige ondergrondse merken en nulpalen worden aangesloten op deze groep, dus b.v. ook die van de NAP-paal in de Amsterdamse Stopera. Wanneer we spreken over de verticale beweging van de ondergrondse merken, bedoelen we dus eigenlijk altijd de verandering in de onderlinge hoogteverschillen tussen die ondergrondse merken, en niet de beweging van palen ten opzichte van een absoluut referentievlak.
We willen daarom dus graag weten of de gehele set van ondergrondse merken verticaal beweegt, b.v. ten opzicht van het massamiddelpunt van de aarde. Alleen wanneer we dat weten, dan kunnen we bijvoorbeeld zeespiegelmetingen bij getijdestations op een juiste manier interpreteren. Door gebruik te maken van permanente GPS metingen en/of absolute zwaartekrachtmetingen kan deze totale verticale beweging worden afgeschat.
De zwaartekracht-variaties in Nederland. Van de gemeten zwaartekrachtversnelling (in m/s2) wordt de theoretische zwaartekrachtversnelling afgetrokken. Die theoretische zwaartekracht is de zwaartekracht die je zou verwachten als de aarde een perfecte elipsoide zou zijn. Deze is met een eenvoudige formule te berekenen.
Het verschil tussen 'gemeten' en 'verwachte' zwaartekracht heet het 'Bouguer-verschil' (ofwel de Bouguer-anomalie). Omdat elke meting op een andere hoogte wordt uitgevoerd, moet er een correctie worden toegepast.
Correctie
Wanneer de correctie voor de meethoogte alleen de invloed van de hoogte meeneemt (en dus niet van de massa van de laag gesteente die zich tussen meetniveau en zeeniveau bevind), dan is die correctie 0.3086x10-5 m/s2 per meter. Dit heet de free-air correctie. Wanneer we ons naar beneden verplaatsen (dichter bij het massamiddelpunt van de aarde) dan wordt de zwaartekrachtsversnelling groter.
Wanneer de meting 'boven zeeniveau' heeft plaatsgevonden, en we corrigeren alleen met de free-air correctie terug naar zeeniveau, dan vergeten we de massa van de gesteentelaag die zich tussen het meetpunt en het zeeniveau bevindt. Deze massa trekt namelijk weer aan de andere kant op. Wanneer we de massa van het gesteente (met een aangenomen dichtheid van 2670 kg/m3) ook verdisconteren dan is de totale correctie slechts 0.1967 x10-5 m/s2 per meter. Dit heet de Bouguer-correctie.
Als de Bouguer-correctie heeft plaatsgevonden, dan noemen we de verschillen tussen 'gemeten' en 'verwachte' zwaartekracht de Bouguer-verschillen.
Uit het plaatje blijkt dat deze verschillen tussen de -32x10-5 en +12x10-5 m/s2 liggen. De twee blauwe vlekken geven negatieve verschillen aan, rond Groningen en bij de Peel en midden-Limburg. Dit betekent dat er minder zwaartekracht wordt gemeten dan verwacht. Deze verschillen worden bij Groningen veroorzaakt doordat er een dikke laag (~1 km) steenzout in de bodem zit, en de dichtheid hiervan is lager dan de normale dichtheid van gesteente. In midden-Limburg en de Peel wordt dit veroorzaakt door een geologisch 'dal', waar zwaar gesteente diep weg is gezakt, en het daardoor ontstane dal is opgevuld met gesteente met een lagere dichtheid.