Vorig jaar hebben wetenschappers de seismische gegevens van Apollo-experimenten opnieuw bekeken en ontdekt dat de onderste mantel van de maan, het deel bij de kern-mantelgrens, gedeeltelijk gesmolten is (zie Apollo Data Retooled to Provide Precise Readings on Moon’s Core, Universe Today, 6 jan. 2011). Hun bevindingen suggereren dat de onderste 150 km van de mantel tussen de 5 en 30% vloeibare smelt bevat. Op aarde zou dit genoeg smelt zijn om zich van de vaste stof te scheiden, omhoog te komen en aan het oppervlak uit te barsten. We weten dat de maan in het verleden vulkanisme kende. Waarom komt deze maansmelt dan nu niet aan het oppervlak tot uitbarsting? Nieuwe experimentele studies met gesimuleerde maanmonsters kunnen de antwoorden geven.
Men vermoedt dat de huidige maanmagma’s te dicht zijn, in vergelijking met het omringende gesteente, om naar de oppervlakte te stijgen. Net als olie op water hebben minder dichte magma’s een drijfvermogen en zullen ze boven het vaste gesteente uit sijpelen. 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, laten zien dat maanmagma’s een reeks dichtheden hebben die afhankelijk zijn van hun samenstelling.
Ms van Kan Parker en haar team persten en verhitten gesmolten monsters van magma en gebruikten vervolgens röntgenabsorptietechnieken om de dichtheid van het materiaal bij een reeks drukken en temperaturen te bepalen. Voor hun onderzoek werd gebruik gemaakt van gesimuleerde maanmaterialen, omdat maanmonsters te waardevol worden geacht voor dergelijke destructieve analyses. Hun simulanten modelleerden de samenstelling van groen vulkanisch glas van de Apollo 15 (dat een titaniumgehalte heeft van 0,23 gewichtspercenten) en zwart vulkanisch glas van de Apollo 14 (dat een titaniumgehalte heeft van 16,4 gewichtspercenten).
Monsters van deze simulanten werden onderworpen aan drukken tot 1,7 GPa (de atmosferische druk, aan het oppervlak van de aarde, is 101 kPa, of 20.000 maal minder dan wat in deze experimenten werd bereikt). De druk in het maaninterieur is echter nog groter, meer dan 4,5 GPa. Daarom werden computerberekeningen uitgevoerd om de experimentele resultaten te extrapoleren.
Het gecombineerde werk toont aan dat bij de temperaturen en drukken die typisch zijn voor de lagere maanmantel, magma’s met een laag titaniumgehalte (Apollo 15 groene glazen) een dichtheid hebben die lager is dan het omringende vaste materiaal. Dit betekent dat zij drijvend zijn, naar de oppervlakte zouden moeten stijgen, en uitbarsten. Aan de andere kant hebben magma’s met een hoog titaniumgehalte (zwarte glazen van de Apollo 14) dichtheden die ongeveer gelijk zijn aan of groter zijn dan het omringende vaste materiaal. Men zou niet verwachten dat deze zouden opstijgen 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 gemaakt moet zijn van magma’s met een hoog titaniumgehalte, zoals de magma’s die de zwarte glazen van de Apollo 14 hebben gevormd.
Deze bevinding is belangrijk, omdat magma’s met een hoog titaniumgehalte worden verondersteld te zijn gevormd uit titaniumrijke brongesteenten. Deze gesteenten vertegenwoordigen het bezinksel dat aan de basis van de maankorst is achtergebleven, nadat alle drijvende plagioklaasmineralen (waaruit de korst is opgebouwd) naar boven waren geperst in een wereldwijde magma-oceaan. Door hun dichtheid zouden deze titaanrijke gesteenten bij een kanteling snel naar de kern-mantel grens zijn gezonken. Zo’n kanteling werd zelfs al meer dan 15 jaar geleden gepostuleerd. Nu bieden deze opwindende nieuwe resultaten experimentele ondersteuning voor dit model.
Van deze dichte, titaanrijke gesteenten wordt ook verwacht dat zij veel radioactieve elementen bevatten, die de neiging hebben achter te blijven wanneer andere elementen bij voorkeur worden opgenomen door mineraalkristallen. De radiogene warmte die ontstaat door het verval van deze elementen zou kunnen verklaren waarom delen van de onderste maanmantel nog heet genoeg zijn om gesmolten te zijn. Mevrouw van Kan Parker en haar team speculeren verder dat deze radiogene warmte er ook toe zou kunnen bijdragen dat de maankern zelfs vandaag nog gedeeltelijk gesmolten is!