Erdmantel: Klares Indiz für Wasserreservoir

Unterirdisches Reservoir: Im Erdmantel gibt es tatsächlich ein gewaltiges Wasservorkommen. Dies bestätigen nun Laborversuche und erstmals auch seismische Messungen. An einigen Stellen unter Nordamerika haben US-Forscher ein verräterisches Schmelzen des Mantelgesteins nachgewiesen – ein Hinweis auf Wasser im Gestein. Der irdische Wasserkreislauf reicht demnach bis tief in den Erdmantel hinein, so die Forscher im Fachmagazin Science“.

Vor wenigen Monaten fanden Forscher den ersten Hinweis darauf, dass es im Erdmantel größere Mengen Wasser geben könnte. Beleg dafür war ein winziges Körnchen des Minerals Ringwoodit, das einst von einem Vulkan aus der Tiefe an die Oberfläche befördert worden war. Das Ringwoodit enthielt 1,5 Gewichtsprozent Wasser, gebunden als Hydroxyl-Molekül. Da dieses Mineral in der Übergangszone vom oberen zum unteren Erdmantel in 410 bis 660 Kilometern Tiefe in größerer Menge vorkommt, könnte dies bedeuten, dass der Erdmantel dort sehr viel wasserreicher ist als angenommen. Drei Mal so viel Wasser wie in allen Weltmeeren zusammen könnte dort gespeichert sein.

Wasseraustritt schmilzt Mineral an

„Aber ob diese Ringwoodit-Probe tatsächlich repräsentativ für das Erdinnere stand oder nicht, war nicht bekannt“, erklärt Steve Jacobsen von der Northwestern University in Evanston, einer der beiden Erstautoren. Das fehlende Indiz für die Präsenz von so viel Wasser im Erdmantel liefern nun Jacobsen, der Seismologe Brandon Schmandt von der University of New Mexico in Albuquerque und ihre Kollegen.

Ausgangspunkt waren dabei Beobachtungen an im Labor hergestelltem hydratisiertem Ringwoodit. Dieses setzten Jacobsen und sein Team mit Hilfe einer Diamantpresse hohem Druck und Temperaturen von 1.600 Grad Celsius aus – den Bedingungen, wie sie in der Übergangszone des Mantels herrschen. Dabei wandelt sich das Ringwoodit in andere Mineralformen um. Doch es geschah noch etwas: Auf dem winzigen Mineralbröckchen bildeten sich Zonen, in denen das Mineral geschmolzen war. Für dieses sogenannte Dehydrations-Schmelzen ist das im Ringwoodit gebundene Wasser verantwortlich, wie die Forscher erklären. Fehlt das Wasser, tritt diese Form des Schmelzens nicht auf.

Im Labor produziertes Ringwoodit, typisch ist die bläuliche Farbe des Minerals © Steve Jacobsen / Northwestern Un

Schmelztaschen im Mantelgestein

Genau dieses Dehydrations-Schmelzen wiesen die Wissenschaftler kurz darauf auch im Erdmantel nach. Dies gelang mit Hilfe des USArray, einem dichten Netzwerk von mehr als 2.000 über die USA verteilten Seismometern. Wenn sich Erdbebenwellen durch das Erdinnere ausbreiten, werden sie durch verschiedene Gesteinsarten, aber auch festes und geschmolzenes Gestein auf charakteristische Weise verändert. Das Seismometer-Netz fängt diese veränderten Wellen auf und erlaubt so eine Art Röntgenblick in den Erdmantel.

Und dieser enthüllte tatsächlich ein Schmelzen des Gesteins in 660 Kilometern Tiefe, und damit an der Unterkante der Übergangszone im Erdmantel. „Wir haben Belege für ein umfassendes Schmelzen des Mantelgesteins unter Nordamerika entdeckt – in genau der Tiefe, in der Ringwoodit dehydratisiert wird“, sagt Jacobsen. Zonen geschmolzenen Gesteins zeigten sich dabei vor allem dort, wo Gestein entlang der tektonischen Plattengrenzen in die Tiefe gedrückt wird.

Wasserkreislauf reicht bis ins Erdinnere

Nach Ansicht der Forscher sprechen diese Ergebnisse dafür, dass es in der Übergangszone des Erdmantels tatsächlich ein umfangreiches Wasserreservoir gibt. „Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach diesem fehlenden Tiefenwasser“, sagt Jacobsen. Denn schon lange vermutet man, dass der Wasserkreislauf unseres Planeten auch das Erdinnere mit einbezieht.

Dieses Reservoir in der Tiefe wird durch abtauchendes Gestein von der Oberfläche gespeist und gibt seinerseits Wasser ab, wenn das Gestein im Laufe der Jahrmillionen wieder an die Oberfläche gelangt. „Jetzt sehen wir endlich Belege für einen solchen, die ganze Erde umfassenden Wasserkreislauf“, konstatiert Jacobsen. (Science, 2014; doi: 10.1126/science.1253358

(Science, 13.06.2014 – NPO)