Wasser wird durch ozeanische Platten in das tiefe Erdinnere transportiert und verändert die Eigenschaften von Mineralen und Gesteinen, wodurch der interne Materialkreislauf der Erde und die ökologische Entwicklung seit der Erdentstehung beeinflusst werden. Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Dr. Takayuki Ishii und Dr. Ho-kwang Mao (Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research, HPSTAR), Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth, Deutschland, und Tohoku University, Japan, hat herausgefunden, dass aluminiumhaltige Kieselsäuren eine wichtige Rolle als Wasserspeicher im unteren Erdmantel spielen. Sie bestimmten den Tonerde- und Wassergehalt von Kieselsäuremineralen, die wichtige Minerale in der basaltischen Kruste des oberen Teils einer subduzierenden Platte sind.
Die Ergebnisse zeigen, dass rutilartige Kieselsäure (Stishovit), die im oberen Teil des unteren Mantels weitgehend stabil ist, einen Phasenübergang zu einer CaCl2-artigen Phase durchläuft, wenn sie Wasser und Tonerde enthält. Die aluminiumhaltige Kieselsäure des CaCl2-Typs kann selbst bei sehr hohen Temperaturen im unteren Erdmantel mehr als das Zehnfache an Wasser aufnehmen, als andere Minerale des unteren Erdmantels. Diese Entdeckung wird zur Klärung des Ursprungs von Wasser im unteren Erdmantel und des Wasserkreislaufs im Erdmantel beitragen. Die Ergebnisse wurden am 24. Oktober in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Seit der Entstehung der Erde ist Wasser durch die Erdoberfläche und das Erdinnere gedrungen, hat Erdbeben und vulkanische Aktivitäten ausgelöst und die Entwicklung der Umwelt im Erdinneren bewirkt. Man schätzt, dass die Wassermenge, die im Erdinneren gespeichert werden kann, ein Vielfaches der Menge des Meerwassers an der Erdoberfläche beträgt.
Das Wasser (Meerwasser) wird von den ozeanischen Platten ins Erdinnere transportiert. Um zu verhindern, dass Wasser aus den Platten entweicht, transportieren die Mineralien, aus denen die Platten bestehen, das Wasser effizient, indem sie es in ihre Kristallstrukturen einbauen. Man geht davon aus, dass die Mineralien von den Platten in den unteren Erdmantel transportiert werden und dann durch den aufsteigenden Plume wieder an die Erdoberfläche gelangen. Es ist noch nicht ganz klar, wie viel Wasser im Erdinneren gespeichert ist und wie es an die Erdoberfläche zurückkehrt. Um diese Fragen zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie viel Wasser die Mineralien des Erdmantels enthalten können und wie stabil sie Wasser speichern können.
Es wurde festgestellt, dass Basalte in ozeanischen Inselvulkanen wie Hotspots, von denen man annimmt, dass sie ihren Ursprung im unteren Erdmantel haben, mehr Wasser enthalten als andere Basalte. Dies deutet darauf hin, dass der untere Erdmantel die Rolle eines großen Wasserreservoirs spielt.
Frühere Hochtemperatur- und Hochdruckexperimente haben jedoch gezeigt, dass die wichtigsten Minerale des unteren Erdmantels, aus denen der Peridotit im unteren Teil der subduzierenden Platte besteht, nur sehr wenig Wasser aufnehmen können. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass das in den unteren Mantel subduzierte Wasser in den Mineralen der basaltischen Kruste, der oberen Schicht der Platte, gespeichert wird.
“In dieser Studie konzentrierten wir uns auf Kieselsäure, die in basaltischen Krusten reichlich vorhanden ist. Obwohl angenommen wurde, dass dieses Mineral große Mengen an Wasser enthält, wurde die Wasserlöslichkeit in aluminiumhaltigem Siliziumdioxid, das eher in basaltischen Krusten vorkommt, da Basalt auch reich an Aluminiumoxid ist, unter Bedingungen im unteren Erdmantel noch nicht intensiv untersucht.”
“Wir haben durch Hochtemperatur- und Hochdruckexperimente aluminiumhaltige Kieselsäureeinkristalle von hoher Qualität unter den Bedingungen des obersten unteren Mantels synthetisiert und ihren genauen Wassergehalt durch die Infrarotspektroskopie bestimmt. Als Ergebnis stellten wir fest, dass die Menge an Aluminiumoxid in Siliziumdioxid mit der Temperatur zunimmt und dass oberhalb von 1700°C, der Durchschnittstemperatur des Erdmantels, Siliziumdioxid vom Rutil-Typ (Stishovit), das an der Oberseite des unteren Erdmantels stabil ist, einen Phasenübergang zu einer Phase vom CaCl2-Typ erfährt. Die aluminöse Kieselsäure des CaCl2-Typs enthält eine größere Menge (mehr als 1 Gew.-%) an Wasser als Stischovit, selbst oberhalb der durchschnittlichen Manteltemperatur.
Dies ist mehr als das Zehnfache des Wassergehalts, den andere Minerale des unteren Erdmantels enthalten können. Da der Tonerdegehalt mit der Temperatur zunimmt, ist zu erwarten, dass auch der Wassergehalt proportional zur Temperatur steigt. Bereits früher beschriebene Mantelminerale geben mit steigender Temperatur Wasser ab: Ihr Wassergehalt nimmt im Allgemeinen mit der Temperatur ab. Da die Temperatur im Erdinneren mit der Tiefe zunimmt, bedeutet diese Eigenschaft, dass die Wasserspeicherkapazität der Minerale mit der Tiefe abnimmt.
Wenn Wasser aus den Mineralen freigesetzt wird, reagiert es mit dem Gestein und bildet wasserhaltiges Magma, das sich von der Platte löst und an die Oberfläche steigt. Daher gilt die Tiefe, in der die Minerale Wasser freisetzen, als Obergrenze für die Wassertransporttiefe. Es wurde darauf hingewiesen, dass die Minerale im unteren Mantel, der besonders heiß ist, kein Wasser speichern können und möglicherweise nicht in der Lage sind, Wasser zu transportieren. Im Gegensatz dazu haben die in dieser Studie synthetisierten Minerale einen Wassergehalt, der mit der Temperatur ansteigt, und können selbst unter den heißesten Plume-Bedingungen im Erdmantel große Mengen an Wasser speichern.
Darüber hinaus wird das aus anderen Mineralen freigesetzte Wasser nicht von der Platte getrennt, sondern von der aluminiumhaltigen Kieselsäure in der basaltischen Schicht der Platte wieder aufgefangen, so dass das Wasser ohne Verluste in den tiefen Mantel transportiert werden kann. Außerdem kann der Plume auch wieder Wasser aus dem unteren Mantel in den oberen Mantel transportieren. Daher könnte aluminiumhaltige wasserhaltige Kieselsäure vom Typ CaCl2 der vielversprechendste Wasserträger im unteren Erdmantel sein. In der Übergangszone und im oberen Mantel findet ein umgekehrter Phasenübergang von der CaCl2-Phase zu Stishovit statt. Es wird angenommen, dass Wasser aus der Kieselsäure freigesetzt wird, da die Wasserspeicherkapazität der tonerdehaltigen Kieselsäure abnimmt.
Die bisher entdeckten lokalen Strukturen des Erdmantels, wie die seismische Niedriggeschwindigkeitsschicht direkt unter der Grenze zwischen Übergangszone und unterem Erdmantel, die Flüssigkeitsansammlungen an der Grenze und die wasserhaltige Übergangszone, lassen sich vermutlich durch das Vorhandensein von Wasser erklären, und das Verhalten von aluminiumhaltiger wässriger Kieselsäure kann diese Phänomene erfolgreich erklären.
Veröffentlichung: Takayuki Ishii et al, Superhydrous aluminous silica phases as major water hosts in high-temperature lower mantle, Proceedings of the National Academy of Sciences(2022). DOI: 10.1073/pnas.2211243119
Quelle: off. Pm des Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research
Titelbildunterschrift: Konvektion im Erdmantel unter Einschluss von Wasser durch wasserhaltige, aluminiumhaltige Kieselsäuren. (Ill.: Takayuki Ishii)
Pia Gaupels
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