Hoe zien planeten er van binnen uit? Erin kijken lukt niet, en gesteente uit het inwendige plukken, gaat ook al niet. Stenen onder hoge druk en temperatuur samenpersen biedt uitkomst. De crux zit in de chemie van lava’s en mineralen.
Dit artikel is gepubliceerd in Chemisch2Weekblad, 18 augustus 2007
“Hou je van koken? is een van de eerste vragen die we aan onze sollicitanten stellen”, zegt petroloog – zeg maar stenenkundige – Wim van Westrenen. Aan de Vrije Universiteit van Amsterdam bestudeert hij de chemie van gesteenten diep in de aarde, de maan, maar ook in andere planeten. De grote vraag is hoe ze er van binnen uitzien. Om dat te onderzoeken, mengt hij gesteentepoeder met een keur aan chemische elementen, stopt het mengsel in een hogedrukpers, en perst het bij een hoge temperatuur en druk samen. Moderne alchemie, lijkt het wel. “Vandaar misschien dat de meeste collega’s in dit vak inderdaad van koken houden”, zegt van Westrenen.
We weten verrassend weinig van hoe de aarde er binnenin uitziet, en nog minder van de maan. Wat we wel weten is dat we de aarde kunnen onderverdelen in de korst (tot vijftig kilometer diepte), de mantel (van vijftig tot 2900 kilometer) en de kern (van 2900 tot 6371 kilometer). De aardkorst is vast, terwijl de mantel daar net onder stroperig is. Daarop bewegen de aardschollen die, als ze tegen elkaar aan botsen, aardbevingen veroorzaken. Maar het grootste deel van de mantel, onder de stroperige laag, is vast.
Zowel de aardkorst als de mantel bestaan voor het merendeel uit silicaten. Silicaten worden gevormd uit SiO4-tetraëders die in verschillende mineralen op een verschillende manier met elkaar zijn verbonden. Olivijn ((Mg,Fe)2SiO4), granaat (algemene formule A3B2(SiO4)3) en pyroxeen (algemene formule XY(Si,Al)2O6) zijn verreweg de meeste voorkomende mantelgesteenten.
“Silicaten zijn zo belangrijk in de korst en de mantel”, zegt van Westrenen, “omdat silicium en zuurstof twee van de meest voorkomende elementen in de aarde zijn, en omdat de silicium-zuurstof-binding een van de sterkste bindingen is tussen een kation en zuurstof.” Geologen kunnen 98,59% van alle gesteenten op aarde verklaren met acht hoofdelementen: zuurstof, silicium, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium en aluminium. Alle andere natuurlijke elementen zijn voor geologen ‘sporenelementen’, omdat ze in kleinere hoeveelheden voorkomen.
Waar geologen van de korst en het bovenste deel van de mantel gesteentemonsters hebben, ontbreekt enig materiaal van de kern. Toch hebben ze afgeleid dat de buitenkern vloeibaar moet zijn, vanwege de hoge temperatuur, en de binnenkern vast. Dat de binnenkern vast is, komt omdat als je vanuit de buitenkern naar binnen gaat, de druk het wint van de temperatuur. Weliswaar neemt de temperatuur toe, maar het smeltpunt van ijzerverbindingen neemt nog sneller toe met de toenemende druk.
Van Westrenen: “Ongeveer vijfentachtig procent van de kern bestaat uit ijzer. Op grond van de samenstelling van meteorieten, denken we dat er vijf procent nikkel in zit. De overige tien procent moet bestaan uit lichtere elementen dan ijzer. Dat weten we uit metingen aan seismologische golven die dwars door de aarde heen gaan. Daaruit concluderen we dat de dichtheid van de kern lager is dan die van ijzer-nikkelverbindingen.”
Lava invriezen
Maar van Westrenen en zijn collega’s willen meer details weten over de stenenchemie in de mantel en de kern. Om daar achter te komen, staan ze voor een terugrekenprobleem. “We vinden allerlei lavasoorten aan het aardoppervlak. Die kunnen we chemisch analyseren. Nu is de grote vraag op welke diepte, en bij welke temperatuur en druk die lava is gevormd, en welke chemische samenstelling het op die diepte had. Idealiter willen we bij elke druk en bij elke temperatuur bepalen wat de chemische en fysische eigenschappen zijn.”
Op grond van deze chemische analyse maakt van Westrenen een gesteentemonster dat niet groter is dan een kubieke millimeter. Met de nieuwe hogedrukpers, die in juni op de VU arriveert, kan hij het monster fijn persen bij een druk van maximaal 250.000 atmosfeer. Voor de aarde komt deze druk overeen met zevenhonderd kilometer diepte, net in het onderste deel van de aardmantel. De druk in het centrum van de maan – 50.000 atmosfeer – haalt de pers zelfs met gemak. De temperatuur van het gesteente kan de stenenonderzoeker opkrikken tot 2370 graden Celsius.
Afhankelijk van bij welke temperatuur het persexperiment plaatsvindt, varieert de snelheid van de chemische reacties. Experimenten variëren in tijdsduur van tien minuten bij snelle reacties, tot een maand bij langzame reacties. Na afloop van het experiment koelt het gesteentemonster binnen twee seconden af tot beneden de honderd graden Celsius. Voor sommige mineralen en reacties is dat snel genoeg om als het ware een ingevroren toestand te krijgen van de samenstelling van het gesteente bij hoge druk en temperatuur. Het vloeibare deel verandert dan in een glasvormige toestand.
Na het experiment wordt het gesteentemonster doormidden gezaagd, gepolijst en onder de microscoop bekeken. Van Westrenen: “Aan de kleurcontrasten kunnen we dan zien welke stukjes glas zijn – die waren in de pers vloeibaar, zeg maar lava – en welke stukjes mineraal zijn – die waren in de pers ook al vast. Met een elektronenmicroscoop bepalen we vervolgens hoeveel van elk hoofdelement er in zat in het vloeibare deel en hoeveel in het vaste deel. Om de concentraties van sporenelementen te meten, schieten we ofwel met een laser, ofwel met snelle ionen stukjes van het monster af. De brokstukken analyseren we met een massaspectrometer.”
Voor mineralen en reacties die niet door de snelle afkoeling worden ‘ingevroren’, is een geavanceerdere methode nodig. Daarvoor kijken de onderzoekers met röntgenstraling tijdens het persexperiment door het gesteentemonster heen. Zo achterhalen ze hoeveel lava er is, dat wil zeggen gesmolten materiaal, en hoeveel vast mineraal.
Onvindbaar perovskiet
Dit soort hogedrukexperimenten leert onderzoekers op welke diepte belangrijke faseovergangen optreden. Bij veel mineralen gaat bij toenemende druk en temperatuur de ene kristalstructuur over in een andere, dichtere structuur, terwijl de chemische structuurformule hetzelfde blijft.
Van Westrenen: “Zo heeft men uit hogedrukexperimenten bepaald dat olivijn op 410 kilometer diepte overgaat in spinel. En op 520 kilometer verandert die spinelstructuur in een derde ruimtelijke variant van olivijn. Op 660 kilometer diepte gebeurt er dan een echte chemische reactie. Dan gaat olivijn over in perovskiet en periklaas. Perovskiet is (Mg,Fe)SiO3, en periklaas is ((Mg,Fe)O). Het bijzondere van perovskiet is dat het het meest voorkomende silicaat in de aarde is, maar dat je het nergens in een museum vindt. Het is namelijk niet stabiel bij kamertemperatuur. Soms lukt het om perovskiet in ingevroren toestand uit het persexperiment te halen, maar het is zo instabiel dat als je een tikje geeft tegen het materiaal, het perovskiet uit elkaar valt.”
Al deze overgangen leveren dichtheidssprongen op die seismologen ook terugvinden in de manier waarop aardbevingsgolven door de aarde bewegen. Zo kunnen petrologen hun resultaten verifiëren met seismologische gegevens.
Met zijn nieuwe hogedrukpers wil van Westrenen de chemie van de aardmantel verder ontrafelen. Ook gaat hij maanlava samenpersen om een antwoord te vinden op de grote vragen over de samenstelling van de maan: “Hoe dik zijn de korst en de mantel? Is de mantel homogeen of gelaagd? We denken dat de maan een kleine kern heeft, maar is die kern vloeibaar of vast, en hoe klein is de kern precies?”
En samen met buitenlandse collega’s publiceerde hij onlangs (Science, 31 mei 2007) een artikel waarin ze met een hogedrukpers hebben aangetoond dat de kern van de planeet Mars vloeibaar moet zijn. “Wat ik doe, gaat over gedrag van gesteenten binnenin planeten en manen, maar eigenlijk is het vooral chemie, en dat vind ik het leukste.”
Internet
Homepage van Wim van Westrenen: http://www.geo.vu.nl/~wvwest/
