Wasser wandert tiefer ins Erdinnere als bislang angenommen. Das zeigt eine Röntgenuntersuchung wasserhaltiger Mineralien an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III. Die untersuchten Verbindungen sind demnach auch noch unter den Bedingungen des unteren Erdmantels stabil. „Eingeschlossen in diesen Mineralien kann Wasser bis zu 1300 Kilometer tief in die Erde transportiert werden“, erläutert der Hauptautor der Untersuchung, Xinyang Li von DESY und dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam. „Das ist etwa 200 Kilometer tiefer als bisher bekannt.“ Das Team berichtet über die Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Geophysical Research Letters“.

Die Untersuchung des tiefen Wasserkreislaufs der Erde ist wichtig, um den aktuellen Zustand und die Entwicklung des Erdinneren zu verstehen. Wasser wird normalerweise mit abtauchenden Erdplatten unter den Ozeanen ins Erdinnere transportiert. „Aber wie tief kann es wandern?“, fragt Xinyang Li. „Ab welcher Tiefe geben wasserhaltige Mineralien Wasser an den umgebenden Erdmantel ab?“

Um diese Frage zu beantworten, untersuchte das Team eine weit verbreitete Gruppe wasserhaltiger Magnesiummineralien namens DHMS (Dense Hydrous Magnesium Silicates). Mit Hilfe einer Hochdruckpresse synthetisierten die Wissenschaftler am GFZ bei einem Druck von 19 Gigapascal (190.000-facher Atmosphärendruck) und einer Temperatur von 1100 Grad Celsius Proben der sogenannten Superhydrous Phase B, einer bestimmten Mineralform mit besonders hohem Wasseranteil, mit einer Zusammensetzung, wie man sie in den abtauchenden Erdplatten erwartet. Die Schlüsselzutat war dabei Aluminiumoxid (Al₂O₃), das auch in DHMS eingebaut werden kann, in den Proben früherer Untersuchungen dieser Art aber bislang nicht enthalten war.

Kleine Körnchen dieser Proben mit einem Durchmesser von etwa 0,01 Millimetern wurden dann an DESYs Extreme Conditions Beamline P02.2 bei PETRA III geröntgt, während sie auf einen Druck von bis zu 55 Gigapascal komprimiert und auf 2200 Grad Celsius erhitzt wurden – Bedingungen des unteren Erdmantels. Die helle Röntgenstrahlung kann dabei die innere Struktur des Minerals in Echtzeit erfassen. So konnte das Team beobachten, unter welchen Druck- und Temperaturbedingungen das Mineral zusammenbricht, und welche Folgeprodukte dabei entstehen.

„Die Hochdruckapparaturen bei DESY und am GFZ haben dieses anspruchsvolle Experiment ermöglicht, das unser Verständnis vom Wasserkreislauf im Erdinneren wesentlich vertieft“, betont Hanns-Peter Liermann, Leiter der Extreme Conditions Beamline an PETRA III bei DESY. Durch den Einbau von Aluminium hält das üblicherweise sehr temperaturempfindliche wasserhaltige Mineral um bis zu 500 Grad Celsius höherer Hitze Stand, wie das Experiment belegt. „Unsere Messungen zeigen, dass aluminiumhaltige Proben auch bei den Temperaturen des Erdmantels stabil bleiben können“, erläutert Ko-Autorin Monika Koch-Müller vom GFZ.

„Im Vergleich mit aluminiumfreien Systemen, die jedoch die reale Zusammensetzung der Erde nur unzureichend simulieren, deuten unsere Ergebnisse mit einer realistischeren Probenzusammensetzung auf eine höhere Wasserspeicherkapazität in tief subduzierten ozeanischen Platten hin“, ergänzt Ko-Autor Sergio Speziale vom GFZ. Wieviel Wasser dadurch möglicherweise zusätzlich im Erdmantel gespeichert ist, lässt sich im Moment allerdings nicht beziffern.

„Unsere Beobachtung verändert das Bild vom Wasserkreislauf in der Tiefe“, fasst Xinyang Li zusammen. „Und wir denken, sie kann helfen, einige der noch rätselhaften Fragen zu bestimmten geophysikalischen Signalen aus dem tiefen Erdmantel zu verstehen, die das derzeitige Standardmodell der tiefen Erde vor Probleme stellen.“

Das Projekt wurde vom Centre for Molecular Water Science (CMWS) im Rahmen des Early-Science-Programms unterstützt. Das CMWS ist eine Initiative von mehr als 60 Partnerinstitutionen weltweit, um auf dem DESY-Campus in Hamburg ein Institut für Wasserforschung einzurichten.

 

Originalveröffentlichung:
Phase Stability of Al-Bearing Dense Hydrous Magnesium Silicates at Topmost Lower Mantle Conditions: Implication for Water Transport in the Mantle; X. Li, S. Speziale, M. Koch-Müller, R.J. Husband & H.-P. Liermann; „Geophysical Research Letters“, 2022; 10.1029/2022GL098353