Die Weltmeere sickern tiefer und in größerem Umfang in den Erdmantel als gedacht. Das zeigt eine Untersuchung des wasserhaltigen Minerals Glaukophan, das in der ozeanischen Kruste weit verbreitet ist. Hochdruckexperimenten an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III zufolge ist Glaukophan überraschend stabil und kann Wasser bis in Tiefen von bis zu 240 Kilometer befördern. Ursache für die unerwartete Stabilität des Minerals ist die allmähliche Abkühlung des Erdinneren, die sich über geologische Zeiträume vollzieht. Durch die gesunkenen Temperaturen können Glaukophan und vermutlich auch andere wasserhaltige Minerale demnach höheren Drücken in größeren Tiefen widerstehen, wie ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Yongjae Lee von der Yonsei-Universität in Südkorea im Fachblatt „Nature Communications“ berichtet. Die Forscherinnen und Forscher schätzen, dass dadurch in rund 200 Millionen Jahren zusätzlich etwa das Volumen des Arktischen Ozeans in diese Tiefen des Erdmantels sickert.

„Unter dem Ozean existieren sogenannte Subduktionszonen mit einer Gesamtlänge von rund 55 000 Kilometern, also deutlich länger als der Erdumfang, wo Platten der Erdkruste und des oberen Mantels in das Innere unseres Planeten abtauchen“, erläutert Lee. „Jedes Jahr befördern diese Platten rund eine Billion Liter Ozeanwasser in Form wasserhaltiger Minerale wie Amphibole in die Tiefe. Allerdings können diese Minerale normalerweise Temperatur und Druck nicht bis zu größeren Tiefen als etwa 100 Kilometer widerstehen.“ Wenn Amphibole wie Glaukophan zerbrechen, wird ihr Wasser freigesetzt und treibt Erdbeben in den Subduktionsplatten und Vulkanismus im darüber liegenden Erdmantel an. Dadurch gelangt das Wasser über kurz oder lang wieder an die Oberfläche.

Das Erdinnere kühlt sich gegenwärtig jedoch um etwa 50 bis 100 Grad Celsius pro einer Milliarde Jahre ab, und diese Abkühlung beschleunigt sich. Dadurch haben sich in der jüngeren Erdgeschichte vielerorts „kalte“ Subduktionszonen gebildet, in denen es zwar immer noch glühend heiß ist, aber merklich kühler als in den üblichen „heißen“ Subduktionszonen und auch kühler als in der erdgeschichtlichen Vergangenheit. „Mit Hochdruck- und Hochtemperatur-Ausrüstung haben wir die heutigen Bedingungen in den kalten Subduktionszonen im Labor simuliert und das Verhalten von Glaukophan dabei untersucht“, erläutert Ko-Autor Hanns-Peter Liermann, Leiter der Messstation für Extrembedingungen P02.2 an DESYs Röntgenquelle PETRA III. „Zu unserer Überraschung bleibt Glaukophan in kalten Subduktionszonen bei Bedingungen stabil, die einer deutlich größeren Tiefe von bis zu 240 Kilometern entsprechen.“

Frühere Schätzungen nahmen an, dass rund ein Drittel des Wassers in Subduktionsplatten in diese Tiefen im Erdmantel befördert wird. Dabei ist nicht klar, ob und wie es von dort wieder an die Oberfläche gelangen kann. „Wenn wir annehmen, dass alle Subduktionszonen früher oder später zu 'kühlen' werden, könnte in 200 Millionen Jahren das Volumen des Arktischen Ozeans zusätzlich im Erdmantel gespeichert werden“, rechnet Yoonah Bang vor, Hauptautorin der Studie von der Yonsei-Universität. „Es würde allerdings fünf Milliarden Jahre dauern, bis die Ozeane auf diese Weise komplett ausgetrocknet wären.“ Da unsere Sonne in Zukunft langsam immer heißer werden wird, werden die Ozeane Schätzungen zufolge bereits in rund einer Milliarde Jahre verdampfen. „Es scheint, dass die Erde einen Teil ihres Oberflächenwassers in ihrem Inneren speichern und damit vor dem Verlust ins Weltall bewahren könnte“, ergänzt Lee.

Die Untersuchung hat weitere Implikationen für die Entwicklung der Erde: Da unterirdisches Wasser in geringeren Tiefen ein wesentlicher Treiber für Vulkanismus und Erdbeben ist, werden diese Phänomene auf geologischen Zeitskalen immer seltener, wie Lee betont: „Da sich die Erde immer weiter abkühlt, ist zu erwarten, dass sich der Wassertransport ins Erdinnere auf größere Tiefen ausdehnt und dadurch Erdbeben und Vulkanismus unterdrückt werden.“

Forscherinnen und Forscher der Yonsei-Universität und der Nationaluniversität Seoul in Südkorea, vom Lawrence-Livermore-Labor, dem Argonne-Labor und der Universität Chicago in den USA, vom Zentrum für Hochdruck-Forschung und -Technologie in China, der Ehime-Universität in Japan und von DESY haben zu dieser Arbeit beigetragen. Die Studie ist Teil des „Early Science“-Programms am Zentrum für Molekulare Wasserforschung CMWS, das zurzeit bei DESY aufgebaut wird, und verbunden mit einem Langzeitprojekt von Yongjae Lee an der Messstation für Extrembedingungen P02.2 an PETRA III.

 

Originalveröffentlichung:
„The stability of subducted glaucophane with the Earth’s secular cooling“; Yoonah Bang, Huijeong Hwang, Taehyun Kim, Hyunchae Cynn, Yong Park, Haemyeong Jung, Changyong Park, Dmitry Popov, Vitali B. Prakapenka, Lin Wang, Hanns-Peter Liermann, Tetsuo Irifune, Ho-Kwang Mao and Yongjae Lee; „Nature Communications“, 2021; DOI: 10.1038/s41467-021-21746-8