De maanmantel ligt op zijn kop

Waarom heeft de maan geen vulkanen? Omdat de magma die zich op grote diepte bevindt te zwaar is om omhoog te komen, dachten aardwetenschappers. Zware magma blijkt echter juist uit gesteente te ontstaan dat zich oorspronkelijk op geringe diepte bevond. Kennelijk heeft de mantel van de maan zich in het verleden omgedraaid.

door

490px-earth_and_moon_nasa
NASA

Vroeger wilde er nog wel eens een vulkaan uitbarsten op de maan, maar sinds een jaartje of 2 miljard is het rustig aan het maanoppervlak.

Logisch, denk je misschien. De maan is met zijn diameter van krap 3500 kilometer immers ongeveer 4 keer zo klein als de aarde, en koelt dus ook veel sneller af. Grote kans dus dat hij inmiddels van binnen gestold is?

Wetenschappers denken echter dat er op een diepte van 1200 tot 1350 kilometer wel degelijk gesmolten gesteente aanwezig is. Dat blijkt bijvoorbeeld uit het feit dat maanbevingen, die ontstaan langs breuken in het vaste maangesteente, precies in die dieptezone niet voorkomen.

552px-moon_structure.svg

De gelaagdheid van de maan. Van buiten naar binnen de korst (grijs) van +/- 70 km dik, de mantel (oranje + blauw) van +/- 1500 km dik, en de kern (geel) met een straal van 160 km. Lennart Kudling, via Wikimedia Commons

Dichtheid

Maar waarom baant het gesmolten gesteente zich dan geen weg naar de oppervlakte, zoals het magma op aarde dat wel doet? Omdat het daar te zwaar voor is, dachten aardwetenschapper Mirjam van Kan Parker van de Vrije Universiteit in Amsterdam en haar collega’s uit Frankrijk, Schotland en Amsterdam.

Zij besloten daarom in het laboratorium stenen te maken met dezelfde samenstelling als de maan, deze te smelten onder omstandigheden die in het binnenste van de maan heersen, en eens te kijken wat voor dichtheid het resulterende magma zou hebben.

Het leidde tot een wat wonderlijk resultaat. Alleen nagemaakte maanstenen die voldoende titaandioxide (TiO2) bevatten bleken na het smelten op grote diepte inderdaad zo zwaar te zijn dat ze, indien ze zich in het binnenste van de maan zouden bevinden, niet omhoog zouden gaan bewegen. Maar laten titaniumrijke stenen in het verleden nu juist heel dicht bij het maanoppervlak te zijn ontstaan…

Namaak

De ingrediënten van de namaak-maanstenen die de onderzoekers fabriceerden waren gebaseerd op de samenstelling van stukjes echte maansteen die in de loop der jaren door verschillende Apollomaanlanders mee naar de aarde zijn genomen. Het titaangehalte in deze gesteentemonsters varieerde tussen de 0.23 en 16.4 procent. De zelfgemaakte maangesteenten werden gesmolten onder een extreem hoge druk van 16.000 bar (1.6 GPa) bij temperaturen van 1500°C tot 1700°C. Met behulp van computermodellen die moleculaire dynamica simuleren werden de resultaten verder doorgetrokken naar de nog hogere druk van 45.000 bar die heerst in het binnenste van de maan, op dieptes van 1200 tot 1350 km. Alleen gesteenten met meer dan 16 procent titaan bleken zwaar genoeg om na het smelten op deze diepte te kunnen blijven.

Ondersteboven

De onderzoekers denken met hun onderzoeksresultaten te hebben aangetoond dat de binnenkant van de maan (de mantel) ooit andersom lag. Hij moet ondersteboven zijn gedraaid, vlak na het stollen van de grote magma-oceaan waar de maan in vroegere tijden uit bestond.

Het titaniumrijke gesteente dat eerst dicht onder het oppervlak lag is daardoor op grote diepte terecht gekomen en daar weer gesmolten, schreven de onderzoekers in februari 2012 in het vakblad Nature Geoscience.

Door de hoge dichtheid van het gesmolten gesteente kan dit niet omhoog komen om vulkanen te veroorzaken, maar sijpelt het juist door het vaste gesteente nog verder naar het binnenste van de maan.

Oorzaak

Maar hoe kan het eigenlijk dat de maanmantel zich omdraaide? De binnenkant van de maan was meteen na het stollen van de grote magmaoceaan erg instabiel, vertelt Wim van Westrenen van de Vrije Universiteit in Amsterdam, één van de aardwetenschappers uit het onderzoeksteam. Het titaanrijke gesteente stolde als laatst, en kwam dus bovenop te liggen, terwijl de lichtere gesteenten zich juist dieper bevonden. “Hierdoor ontstond een vaste maanmantel met het allerzwaarste deel op slechts 100 kilometer diepte”, vertelt van Westrenen. “Door convectiestroming is dit materiaal uiteindelijk naar beneden gaan bewegen, terwijl het lichtere olivijn- en pyroxeenrijke materiaal naar boven kwam.”

Smeltmachine

De smeltmachine in Grenoble. Door aan de middelste grote moer bovenop de pers te draaien wordt een metalen schijf op de bovenkant van het dopje geduwd waar het gesteentemonster in zit. Tegelijkertijd wordt het monster verhit. De dichtheid van het verkregen maanmagma wordt in hetzelfde apparaat gemeten, met een krachtige röntgenbundel die van rechts naar links door het monster gaat. W. van Westrenen, VU Amsterdam

Bron

  • Van Kan Parker e.a. Neutral buoyancy of titanium-rich melts in the deep lunar interior Nature Geoscience (online publication, 19-2-2012)

Zie ook: