Ein Wasserschatz versteckt sich möglicherweise mehr als 400 Kilometer unter Ihren Füßen.
Dort trifft der Erdmantel auf die Kruste. Geowissenschaftler hatten lange gedacht, dass unterhalb dieser Übergangszone (beginnend bei 410 km Tiefe) ein wassergefülltes Mineral namens Brucit instabil und so zersetzt ist, dass Wassermoleküle zur Oberfläche des Planeten fließen.
Neue Forschungsergebnisse legen jedoch nahe, dass sich Brucit - das zu 50 Prozent aus Magnesiumoxid und zu 50 Prozent aus Wasser besteht - in eine andere, stabilere 3D-Struktur umwandelt. Der Befund, der online am 21. November in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, bedeutet, dass sich ein Wasservorrat tiefer in der Erde befindet als bisher angenommen.
"wurde nicht ganz erwartet", sagte Studienmitautor Andreas Hermann, Dozent für Computerphysik an der Universität von Edinburgh in Schottland. "Weil die Leute dieses Material jahrzehntelang studiert haben und niemand jemals darüber nachgedacht hat, ob es eine weitere Phase geben würde, bevor es schließlich auseinander fällt."
Tiefe Erde erforschen
Wissenschaftler glaubten zuvor, dass Brucit nur bis zur Übergangszone stabil blieb, einer 250 km tiefen Schicht direkt unter dem oberen Mantel. Zum Teil hat die Struktur des Minerals diese Ansicht beeinflusst. Brucit ist ein Schichtmaterial, bei dem die Moleküle in jeder Schicht stark aneinander gebunden, aber schwach mit anderen Schichten verbunden sind. Ein Material wie dieses muss, wenn es mit genügend Druck zusammengedrückt wird, eine Veränderung erfahren. Zuvor gingen die Forscher davon aus, dass Brucit als Reaktion auf den Übergangszonendruck, der etwa 200.000 Atmosphären erreicht, zerbröckeln würde. (Eine Atmosphäre ist ungefähr der Druck auf Meereshöhe).
Hermann und sein Co-Autor Mainak Mookherjee, Professor für Geologie an der Florida State University, konnten die tiefe Erde nicht direkt untersuchen und verwendeten quantenmechanische Berechnungen, um verschiedene mögliche Strukturen für Brucit unter tief erdigen Bedingungen zu analysieren.
"Das ist Big-Data-Computing", sagte Hermann. "Wir erstellen Tausende von Strukturen, optimieren sie alle und führen Berechnungen so genau durch, dass wir zuverlässig sagen können, dass etwas so stabil ist als etwas anderes."
Brucit ist ein gut untersuchtes und relativ einfaches Mineral. Trotzdem sagte Hermann, dass der Schlüssel zu den neuen Berechnungen darin bestand, bestehende Annahmen über Brucit zu ignorieren. Nachdem die Forscher mehrere Monate lang verschiedene Strukturen durch ihr Computerprogramm laufen ließen, fanden sie eine bisher unbekannte Phase von Brucit, die den hohen Drücken im unteren Mantel standhalten konnte.
Selbst mit dieser neuen Phase von Brucit können Wissenschaftler die Menge der Substanz im Mantel oder den Wassergehalt des Minerals nicht direkt messen. Hermann und Mookherjee haben jedoch die elastischen Eigenschaften der neuen Brucitphase untersucht. In diesem Wissen, so Hermann, könnten Seismologen möglicherweise feststellen, wie viel Brucit sich im Mantel befindet, da sich die Signaturen von Erdbeben aufgrund der Elastizität des Gesteins unterscheiden, durch das sie sich bewegen.
Warum Brucit wichtig ist
Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass die tiefe Erde so viel Wasser enthalten kann wie alle Ozeane auf der Planetenoberfläche zusammen. Dieses Wasserreservoir und der zusätzliche Brucit, der möglicherweise auch vorhanden ist, sind für die Bewegung von Materialien durch die Erde von entscheidender Bedeutung. Während wasserhaltige Mineralien durch die Erdschichten wandern, zersetzen sich die Materialien schließlich und setzen das Wasser frei, das häufig durch vulkanische Aktivität an die Oberfläche zurückkehrt.
Wasser ist für das Recycling von Mineralien durch Vulkanismus und Plattentektonik von wesentlicher Bedeutung, da es die Schmierung liefert, die erforderlich ist, damit sich die verschiedenen Gesteinsmaterialien aneinander vorbeibewegen, wie dies in Subduktionszonen der Fall ist. Es hilft auch, einige Materialien aufzulösen, wenn sie sich durch den Gesteinszyklus bewegen. Ohne Wasser, sagte Hermann, würde der Planet geologisch zum Stillstand kommen. Dies bedeutet keine neue Kruste oder Erde und einen Stillstand des Vulkanismus; Diese Veränderungen könnten katastrophale Auswirkungen auf das Land und die Atmosphäre des Planeten haben.
Abgesehen von dem möglicherweise veränderten Verständnis der Wissenschaftler für Wasserreservoirs weit unter der Erdoberfläche, sagte Hermann, dass diese Forschung eine neue Art des Denkens über die tiefe Erde im Allgemeinen befürwortet. Die Forscher hätten diese neue Phase nicht gefunden, wenn sie die akzeptierte Version favorisiert hätten, sagte er.
