Geochemische Untersuchungen von Vulkanen auf Baffin Island (Kanada) und Island deuten darauf hin, dass ein Teil des Wassers aus der Entstehungszeit der Erde noch heute tief im Erdinneren vorhanden sein könnte. Allerdings ist bislang völlig unklar, welche Minerale in der Lage sind, unter den Extrembedingungen des Erdinneren solche Wassermengen zu speichern. Ein internationales Forschungsteam unter Co-Leadership der Universität Bayreuth hat nun zwei Eisenverbindungen (Fe₅O₁₂Hₓ und Fe₇O₁₂Hₓ) hergestellt, die erstmals realistische Kandidaten für die Wasserspeicherung im Erdinneren darstellen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzten dafür sogenannte Diamantstempelzellen. Dabei werden winzige Proben zwischen zwei Diamanten extrem stark zusammengepresst und anschließend mit Lasern. Damit ähneln die Bedingungen denen in mehreren tausend Kilometern Tiefe innerhalb der Erde: bei Drücken von 78 bis 198 Gigapascal und Temperaturen von 2.400 bis 2.800 Kelvin (etwa 2.100 bis 2.500 Grad Celsius).
Mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlung konnten die Forschenden die chemischen Zusammensetzungen und Kristallstrukturen identifizieren, die dabei entstehen. Die neuen Verbindungen entstanden nicht nur aus wasserreichen Ausgangsmaterialien, sondern sogar aus Proben, die fast kein Wasser enthielten. „Offenbar reichen bereits sehr kleine Mengen Wasserstoff aus, damit sich diese wasserreichen Eisenverbindungen bilden können“, sagt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth.
Möglicher Speicher für uraltes Wasser
Ein möglicher Speicher für das Wasser aus der Entstehungszeit der Erde könnte ein uralter Magmaozean gewesen sein, der sich einst nahe der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel befand. Beim Abkühlen könnte er sich immer stärker mit Eisen und Wasser angereichert haben – genau den Bestandteilen, die zur Bildung der neuen Minerale nötig sind.
„Außerdem könnten diese Minerale Wasser speichern, das durch die Bewegung tektonischer Platten in die Tiefe transportiert wird. Weil die Verbindungen sehr dicht sind, würden sie wahrscheinlich in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze verbleiben und dort Wasser langfristig festhalten“, sagt Dr. Man Lianjie, einer der Autoren und ehemaliger Doktorand am BGI.
Die Verbindung Fe₅O₁₂Hₓ enthält besonders viel Wasserstoff. Nach Berechnungen der Forschenden könnte bereits ein Anteil von etwa 1 % dieses Minerals im Erdmantel ausreichen, um einen Großteil des vermuteten Wasserstoffvorrats der silikatischen Erde zu speichern. Wahrscheinlich tritt das Mineral jedoch nicht überall auf, sondern in lokalen Bereichen mit hoher Konzentration.
Mögliche Auswirkungen auf Erdbebenmessungen und Vulkane
Die Bildung der neuen Minerale entzieht den umgebenden Gesteinen Eisen. Dadurch könnten sich bestimmte Grenzen zwischen verschiedenen Mantelmineralen verändern. Dies könnte erklären, warum Geophysiker in einigen Regionen ungewöhnliche Signale bei seismischen Messungen beobachten.
Außerdem könnte die Ansammlung der Eixen-Oxyhydroxide im Erdinneren Auswirkungen auf die vulkanische Aktivität an der Erdoberfläche haben: Wenn die Oxyhydroxide bei der Erwärmung durch den Erdkern leichter schmelzen als die umgebenden Silikate, könnten sie das gespeicherte Wasser und andere flüchtige Bestandteile in aufsteigende Schmelzen freisetzen. Auf diese Weise könnten sie dazu beitragen, eine Verbindung zwischen tiefen Reservoiren im Erdinneren und der vulkanischen Aktivität an der Erdoberfläche herzustellen.
An der Forschung waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR), des Bayerischen Geoinstituts der Universität Bayreuth, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), der ETH Zürich, des Shanghai Institute of Applied Physics, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der Goethe-Universität Frankfurt sowie weiterer Partnereinrichtungen beteiligt.
