Vorig jaar keken wetenschappers nog eens naar de seismische gegevens die waren verzameld door experimenten uit het Apollo-tijdperk en ontdekten dat de onderste mantel van de maan, het deel nabij de kern-mantelgrens, gedeeltelijk gesmolten is (bijv. Apollo Data Retooled to Precise Readings on Moon's Core, Space Magazine, 6 januari 2011). Hun bevindingen suggereren dat de laagste 150 km van de mantel ergens tussen de 5 en 30% vloeibare smelt bevat. Op aarde zou dit genoeg smelt zijn om van de vaste stof te scheiden, omhoog te komen en aan de oppervlakte uit te barsten. We weten dat de maan in het verleden vulkanisme had. Dus waarom barst deze maansmelt vandaag niet uit aan de oppervlakte? Nieuwe experimentele studies naar gesimuleerde maanmonsters kunnen de antwoorden opleveren.
Er wordt vermoed dat de huidige maanmagma's in vergelijking met hun omringende rotsen te dicht zijn om naar de oppervlakte te komen. Net als olie op water zijn minder dichte magma's drijvend en zullen ze boven het vaste gesteente doordringen. Maar als het magma te dicht is, zal het blijven waar het is, of zelfs zinken.
Gemotiveerd door deze mogelijkheid heeft een internationaal team van wetenschappers, onder leiding van Mirjam van Kan Parker van de Vrije Universiteit Amsterdam, het karakter van maanmagma's bestudeerd. Hun bevindingen, die onlangs zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Geoscience, tonen aan dat maanmagma's een reeks dichtheden hebben die afhankelijk zijn van hun samenstelling.
Mevrouw van Kan Parker en haar team persten en verwarmden gesmolten monsters van magma en gebruikten vervolgens röntgenabsorptietechnieken om de dichtheid van het materiaal te bepalen bij een reeks drukken en temperaturen. Hun studies gebruikten gesimuleerde maanmaterialen, omdat maanmonsters te waardevol worden geacht voor een dergelijke destructieve analyse. Hun simulanten modelleerden de samenstelling van Apollo 15 groene vulkanische glazen (met een titaniumgehalte van 0,23 gewichtsprocent) en Apollo 14 zwarte vulkanische glazen (met een titaniumgehalte van 16,4 gewichtsprocent).
Monsters van deze simulanten werden onderworpen aan drukken tot 1,7 GPa (atmosferische druk aan het aardoppervlak is 101 kPa, of 20.000 keer minder dan bij deze experimenten werd bereikt). De druk in het maaninterieur is echter nog groter, meer dan 4,5 GPa. Er werden dus computerberekeningen uitgevoerd om uit de experimentele resultaten te extrapoleren.
Het gecombineerde werk laat zien dat magma's met een laag titaniumgehalte (Apollo 15 groene glazen) bij de temperaturen en drukken die typisch zijn voor de onderste maanmantel, dichtheden hebben die lager zijn dan die van het omringende vaste materiaal. Dit betekent dat ze drijvend zijn, naar de oppervlakte moeten stijgen en uitbarsten. Aan de andere kant bleken magma's met een hoog titaniumgehalte (Apollo 14 zwarte bril) dichtheden te hebben die ongeveer gelijk zijn aan of groter zijn dan hun omringende vaste materiaal. Deze zullen naar verwachting niet stijgen en uitbarsten.
Omdat de maan geen actieve vulkanische activiteit heeft, moet de smelt die zich momenteel op de bodem van de maanmantel bevindt een hoge dichtheid hebben. En de resultaten van mevrouw van Kan Parker suggereren dat deze smelt moet worden gemaakt van magma's met een hoog titaniumgehalte, zoals die van de zwarte Apollo 14-bril.
Deze bevinding is significant, omdat wordt aangenomen dat hoge titaniummagma's zijn gevormd uit titaniumrijke brongesteenten. Deze rotsen vertegenwoordigen het bezinksel dat aan de voet van de maankorst was achtergelaten, nadat alle drijvende plagioklaasmineralen (waaruit de korst bestaat) omhoog waren geperst in een wereldwijde magma-oceaan. Omdat ze dicht zijn, zouden deze titaniumrijke rotsen snel naar de kernmantelgrens zijn gezonken in een omverwerping. Een dergelijke omslag was zelfs meer dan 15 jaar geleden gepostuleerd. Deze opwindende nieuwe resultaten bieden nu experimentele ondersteuning voor dit model.
Van deze dichte, titaniumrijke gesteenten wordt ook verwacht dat ze veel radioactieve elementen bevatten, die de neiging hebben achter te blijven wanneer andere elementen bij voorkeur worden opgenomen door minerale kristallen. De resulterende radiogene warmte van het verval van deze elementen zou kunnen verklaren waarom delen van de onderste maanmantel nog steeds heet genoeg zijn om te worden gesmolten. Mevrouw van Kan Parker en haar team speculeren verder dat deze radiogene warmte ook kan helpen om de maankern zelfs vandaag gedeeltelijk te laten smelten!
Bronnen:
Röntgenstralen verlichten het binnenste van de maan, Science Daily, 19 februari 2012.
Neutraal drijfvermogen van titaniumrijke smelten in het diepe maaninterieur, van Kan Parker et al. Nature Geoscience, 19 februari 2012, doi: 10.1038 / NGEO1402.
