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Ozean aus Kristallwasser im Erdmantel

Diamanteinschlüsse belegen hohen Wassergehalt der Übergangszone zwischen oberem und unterem Erdmantel

Diamanteinschluss
Dieser winzige Mineraleinschluss in einem Diamant hat verraten, dass es in 660 Kilometer Tiefe erhebliche Mengen von im Gestein gebundenem Wasser gibt. © Nathan D. Renfro und Tingting Gu.

Verborgenes Wasserreservoir: Die Übergangsschicht zwischen oberem und unterem Erdmantel könnte sechsmal mehr Wasser enthalten als alle Weltmeere zusammen – wenn auch in gebundener Form. Dass diese Schicht tatsächlich wasserreich ist, bestätigen nun winzige Einschlüsse des Minerals Ringwoodit in einem Diamanten aus 660 Kilometer Tiefe. Der hohe Wassergehalt der Übergangschicht hat bedeutende Auswirkungen auf die Plattentektonik und auch auf vulkanische Mantelplumes, wie Forschende in „Nature Geoscience“ berichten.

Jules Verne beschrieb in einem seiner Romane einen riesigen Ozean, der tief im Erdinneren verborgen liegt. Und damit hatte er gar nicht so unrecht. Denn der heiße und unter enormem Druck stehende Erdmantel könnte mehr Wasser enthalten als lange angenommen. Erste Hinweise darauf lieferten seismische Daten, die auf schmelzendes Gestein in der Übergangszone zwischen oberem und unterem Mantel hindeuteten. 2014 entdeckten Geologen zudem das wasserhaltige Mineral Ringwoodit in Diamanteinschlüssen aus dieser 660 Kilometer tief liegenden Zone.

Allerdings war der damals analysierte Diamant zu klein, um ausreichend Hinweise auf die weitere Mineralzusammensetzung seiner Herkunftszone zu liefern. Daher blieb unklar, ob das im Ringwoodit enthaltene Kristallwasser nur eine exotische Ausnahme war oder aber repräsentativ für die gesamte Übergangsschicht des Erdmantels ist.

Diamant
Dieser 1,5-Karat Diamant aus Botswana gehört zum seltenen Typ der Diamanten mit besonders tiefer Herkunft. © Tingting Gu/ Gemological Institute of America

Ein Diamant aus großer Tiefe

Die Antwort darauf liefert nun ein weiterer, größerer Diamant aus dieser Tiefe. Der 1,5-Karat Edelstein wurde in der Karow-Mine in Botswana gefunden und von Tingting Gu vom Gemological Institute of America in New York und ihren Kollegen auf seine Zusammensetzung und Mineraleinschlüsse hin untersucht. Weil solche Einschlüsse im Kristall dort entstehen, wo der Diamant gebildet wurde, können in ihnen Mineralien aus den Tiefen der Erde konserviert sein.

Die Analysen enthüllten: Anders als die meisten Diamanten stammt dieser Diamant nicht aus dem oberen Erdmantel, sondern ist an der Grenze zum unteren Erdmantel gebildet worden – ähnlich wie einige der berühmtesten Edelsteine der Welt. Der Karow-Diamant und seine Einschlüsse entstanden demnach in 660 Kilometer Tiefe und damit in einer Zone, in der Temperaturen von 1.650 Grad und ein Druck von 23,5 Gigapascal herrschen.

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Typische Mantelminerale und gebundenes Wasser

Diese extremen Bedingungen spiegeln auch die Einschlüsse dieses Diamanten wider: „Die Mineralzusammensetzung markiert ein Szenario, in dem Ringwoodit an dieser Grenze anfängt, sich in Ferroperiklas und Bridgemanit umzuwandeln“, berichten Gu und ihre Kollegen. Dieser Umwandlungsprozess ist für die Übergangsschicht zum unteren Mantel typisch. Zusammen mit weiteren chemischen Merkmalen bestätigt dies, dass dieser Diamant und seine Mineraleinschlüsse kein exotischer Sonderfall sind, sondern ganz typische Bedingungen dieser Zone widerspiegeln.

Das Entscheidende jedoch: Analysen mittels lasergestützter Raman-Spektroskopie enthüllten, dass die Einschlüsse gebundenes Wasser enthalten. Dieses Wasser ist zum Teil in Ringwoodit und zum Teil in dem Mantelmineral Brucit gebunden. „Experimente in Diamantstempelzellen haben demonstriert, dass sich Brucit bildet, wenn wasserhaltiges Ringwoodit unter wassergesättigten Bedingungen abgekühlt wird“, erklärt das Team. Mit anderen Worten: Die Herkunftsschicht dieses Diamanten und seiner Einschlüsse muss wasserreich sein.

„Ozean“ im Erdmantel

Damit bestätigt dieser Diamant aus Botswana, dass es tief im Erdmantel tatsächlich ein enormes Wasserreservoir gibt. „Wir haben mit dieser Studie nachgewiesen, dass die Übergangszone kein trockener Schwamm ist, sondern erhebliche Mengen Wasser speichert“, sagt Koautor Frank Brenker von der Goethe-Universität in Frankfurt. Theoretisch können die für die Übergangsschicht typischen Minerale Wadsleyit und Ringwoodit sechsmal so viel Wasser speichern wie in allen Weltmeeren enthalten ist.

Der Nachweis von gebundenem Wasser in den Diamanteinschlüssen bestätigt nun, dass die Minerale dieser Grenzschicht auch tatsächlich erhebliche Mengen Wasser speichern. „Damit kommen wir auch der Idee von Jules Verne näher, der bekanntlich einen Ozean im Erdinnern postulierte“, sagt Brenker. Allerdings fließt das Wasser dieses „Ozeans“ nicht frei im Erdinneren umher, sondern ist im Gestein gebunden und damit unsichtbar.

Weitreichende Bedeutung

Der hohe Wassergehalt der Erdmantel-Übergangschicht hat weitreichende Folgen. Denn er verändert die Eigenschaften des Gesteins – es kann beispielsweise leichter schmelzen als weitgehend wasserfreies Gestein. Das macht diese Barriereschicht und die über ihr liegenden Bereiche des Erdmantel weicher und dynamischer. Dies wiederum beeinflusst auch das Aufsteigen und Absinken von Gesteinsmassen im Erdmantel. So können aus tieferen Schichten kommende Mantelplumes diese Barriereschicht leichter durchbrechen und in den oberen Erdmantel und die Erdkruste aufsteigen.

Der Wassergehalt der Übergangsschicht liefert auch wertvolle Informationen über die Plattentektonik und das Schicksal der an Subduktionszonen abtauchenden Erdplatten. „Mit den abtauchenden Platten werden auch Tiefseesedimente huckepack mit ins Erdinnere transportiert“, erklärt Brenker. „Diese Sedimente können große Mengen Wasser und CO2 speichern. Wie viel davon aber in Form von stabileren, wasserhaltigen Mineralen und Karbonaten die Übergangszone erreicht, war bisher unklar.“ Die neuen Resultate legen nun nahe, dass ein erheblicher Teil dieses Wassers bis in die Tiefe gelangt. (Nature Geoscience, 2022; doi: 10.1038/s41561-022-01024-y)

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt

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