Ein paar hundert kieselgroße Diamanten, die aus brasilianischem Schlamm gepflückt wurden, sitzen in einem Safe an der Northwestern University. Für manche könnten sie wertlos sein. „Sie sind zerschlagen“, sagte Steve Jacobsen, Mineraloge bei Northwestern. „Sie sehen aus, als wären sie durch eine Waschmaschine gegangen.“ Viele sind dunkel oder gelb, weit entfernt von den unberührten Edelsteinen der Juwelierträume.

Doch für Forscher wie Jacobsen sind diese Fragmente aus kristallinem Kohlenstoff genauso wertvoll — nicht für den Diamanten selbst, sondern für das, was darin eingeschlossen ist: flecken von Mineralien bilden sich Hunderte von Kilometern unter der Erde, tief im Erdmantel.

Diese Mineralflecken — einige zu klein, um sie selbst unter dem Mikroskop zu sehen — bieten einen Einblick in das ansonsten unerreichbare Innere der Erde. Im Jahr 2014 entdeckten Forscher etwas in diesen Mineralien, das ohne seine tiefen Ursprünge unauffällig gewesen wäre: Wasser.

Nicht tatsächliche Wassertropfen oder sogar Moleküle von H20, sondern seine Bestandteile, Wasserstoff- und Sauerstoffatome, die in die Kristallstruktur des Minerals selbst eingebettet sind. Dieses wasserhaltige Mineral ist nicht nass. Aber wenn es schmilzt, verschüttet es Wasser. Die Entdeckung war der erste direkte Beweis dafür, dass wasserreiche Mineralien in dieser Tiefe zwischen 410 und 660 Kilometern Tiefe in einer Region namens Übergangszone zwischen dem oberen und unteren Mantel existieren.

Seitdem haben Wissenschaftler weitere verlockende Beweise für Wasser gefunden. Im März gab ein Team bekannt, dass sie Diamanten aus dem Erdmantel entdeckt hatten, in denen tatsächlich Wasser eingeschlossen war. Seismische Daten haben auch wasserfreundliche Mineralien in einem großen Teil des Erdinneren kartiert. Einige Wissenschaftler argumentieren nun, dass ein riesiges Wasserreservoir weit unter unseren Füßen lauern könnte. Wenn wir das gesamte Oberflächenwasser des Planeten als einen Ozean betrachten und es sogar einige Ozeane unter der Erde gibt, würde dies die Sichtweise der Wissenschaftler auf das Erdinnere verändern. Aber es wirft auch eine andere Frage auf: Woher könnte das alles kommen?

Wasserwelt

Ohne Wasser gäbe es das Leben, wie wir es kennen, nicht. Genauso wenig wie der lebendige, dynamische Planet, den wir heute kennen. Wasser spielt eine wichtige Rolle in der Plattentektonik, löst Vulkane aus und hilft Teilen des oberen Mantels, freier zu fließen. Dennoch ist der größte Teil des Mantels relativ trocken. Der obere Mantel zum Beispiel besteht hauptsächlich aus einem Mineral namens Olivin, das nicht viel Wasser speichern kann.

Aber unterhalb von 410 Kilometern, in der Übergangszone, drücken hohe Temperaturen und Drücke das Olivin in eine neue Kristallkonfiguration namens Wadsleyit. 1987 erkannte Joe Smyth, ein Mineraloge an der University of Colorado, dass die Kristallstruktur von Wadsleyit mit Lücken behaftet sein würde. Diese Lücken erweisen sich als perfekte Passungen für Wasserstoffatome, die sich in diese Defekte einschmuggeln und sich mit den benachbarten Sauerstoffatomen bereits im Mineral verbinden könnten. Wadsleyit, fand Smyth, kann möglicherweise viel Wasserstoff aufnehmen und es in ein wasserhaltiges Mineral verwandeln, das Wasser produziert, wenn es schmilzt. Für Wissenschaftler wie Smyth bedeutet Wasserstoff Wasser.

Tiefer in der Übergangszone wird Wadsleyit zu Ringwoodit. Und im Labor drückte und erhitzte Jacobsen (der in den 1990er Jahren Smyths Doktorand war) Ringwooditstücke, um die extremen Bedingungen der Übergangszone nachzuahmen. Forscher, die ähnliche Experimente mit Wadsleyit und Ringwoodit durchführten, fanden heraus, dass diese Mineralien in der Übergangszone 1 bis 3 Prozent ihres Gewichts in Wasser halten konnten. Wenn man bedenkt, dass die Übergangszone eine etwa 250 Kilometer dicke Hülle ist, die etwa 7 Prozent der Erdmasse ausmacht (zum Vergleich: die Kruste beträgt nur 1 Prozent), könnte sie das Mehrfache des Wassers der Ozeane der Erde enthalten.

Diese Experimente messen jedoch nur die Wasserkapazität. „Es ist kein Maß dafür, wie nass der Schwamm ist, es ist ein Maß dafür, wie viel der Schwamm halten kann“, sagte Wendy Panero, Geophysikerin an der Ohio State University.

Die Experimente waren auch nicht unbedingt realistisch, da die Forscher nur im Labor gewachsenen Ringwoodit testen konnten. Abgesehen von ein paar Meteoriten hatte noch niemand Ringwoodit in der Natur gesehen. Das heißt, bis 2014.

Verlockende Hinweise

Während sich Fußballfans zur Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien trafen, machte sich eine kleine Gruppe von Geologen auf den Weg zu den Ackerflächen rund um Juína, einer Stadt fast 2.000 Kilometer westlich von Brasilia. Sie waren auf der Jagd nach Diamanten, die aus lokalen Flüssen entnommen worden waren.

Wenn sich Diamanten in der Hitze und dem hohen Druck des Mantels bilden, können sie Mineralienstücke einfangen. Da Diamanten so zäh und steif sind, bewahren sie diese Mantelmineralien, wenn sie durch Vulkanausbrüche an die Oberfläche gesprengt werden.

Die Forscher kauften mehr als tausend der am meisten gesprenkelten, mit Mineralien gefüllten Kristalle. Einer der Wissenschaftler, Graham Pearson, brachte mehrere hundert zurück in sein Labor an der University of Alberta, wo er und seine Kollegen in einem bestimmten Diamanten Ringwoodit aus der Übergangszone entdeckten. Nicht nur das, sondern es war wasserhaltiger Ringwoodit, was bedeutete, dass er Wasser enthielt — etwa 1 Gewichtsprozent.“Es ist eine wichtige Entdeckung in Bezug auf die Plausibilität“, sagte Brandon Schmandt, Seismologe an der University of New Mexico. Zum ersten Mal hatten Wissenschaftler eine Probe der Übergangszone — und sie wurde hydratisiert. „Es ist also definitiv nicht verrückt zu glauben, dass auch andere Teile der Übergangszone hydratisiert sind.“

Aber, fügte er hinzu, „es wäre auch ein bisschen verrückt zu denken, dass ein Kristall den Durchschnitt der gesamten Übergangszone darstellt.“ Diamanten bilden sich schließlich nur unter bestimmten Bedingungen, und diese Probe könnte von einem einzigartig wässrigen Ort stammen.

Um zu sehen, wie weit verbreitet wasserhaltiger Ringwoodit sein könnte, hat sich Schmandt mit Jacobsen und anderen zusammengetan, um ihn mithilfe seismischer Wellen zu kartieren. Aufgrund der Konvektion kann wasserhaltiges Ringwoodit sinken, und wenn es unter die Übergangszone fällt, wringt der steigende Druck Wasser aus, wodurch das Mineral schmilzt. Direkt unter der Übergangszone, in der das Mantelmaterial abfällt, können diese Pools geschmolzener Mineralien die seismischen Wellen abrupt verlangsamen. Durch die Messung der seismischen Geschwindigkeiten unter Nordamerika fanden die Forscher heraus, dass solche Pools tatsächlich unterhalb der Übergangszone häufig vorkommen. Eine andere Studie, die die seismischen Wellen unter den europäischen Alpen misst, fand ein ähnliches Muster.Das reichlich vorhandene Mantelwasser erhielt im März einen weiteren Schub, als ein Team um Oliver Tschauner, Mineraloge an der University of Nevada, Las Vegas, Diamanten entdeckte, die tatsächliche Wassereisstücke enthalten — die erste Beobachtung von frei vorhandenem H2O aus dem Mantel. Die Proben könnten mehr über die nassen Bedingungen aussagen, die den Diamanten bildeten, als über die Existenz eines allgegenwärtigen Reservoirs. Aber weil dieses Wasser – eine Hochdruckform namens Eiswasser – an verschiedenen Orten im südlichen Afrika und in China gefunden wurde, Es könnte sich als relativ weit verbreitet herausstellen.“In ein paar Jahren werden wir feststellen, dass Eis viel häufiger vorkommt“, sagte Steve Shirey, Geologe an der Carnegie Institution for Science. „Es sagt uns, dass wir die gleiche Geschichte haben, die uns wasserhaltiger Ringwoodit erzählt.“

Aber wenn die Geschichte ist, dass der Mantel voller Wasser ist, lässt uns der Cliffhanger fragen, wie alles dorthin gekommen ist.

Wässrige Ursprünge

Gemäß der Standardgeschichte wurde das Wasser der Erde importiert. Die Region um die Sonne, in der sich der Planet bildete, war zu heiß, um flüchtige Verbindungen wie Wasser zu kondensieren. Die entstehende Erde begann also trocken und wurde erst nass, als wasserreiche Körper aus dem fernen Sonnensystem auf den Planeten stürzten und Wasser an die Oberfläche lieferten. Die meisten davon waren wahrscheinlich keine Kometen, sondern Asteroiden, sogenannte kohlenstoffhaltige Chondrite, die bis zu 20 Gewichtsprozent aus Wasser bestehen können und es in Form von Wasserstoff wie Ringwoodit speichern.

Aber wenn es in der Übergangszone einen riesigen Vorrat an Wasser gibt, müsste sich diese Geschichte über den Ursprung des Wassers ändern. Wenn die Übergangszone 1 Prozent ihres Gewichts in Wasser speichern könnte — eine moderate Schätzung, sagte Jacobsen – würde sie das Doppelte der Weltmeere enthalten. Der untere Mantel ist viel trockener, aber auch voluminöser. Es könnte (wieder) auf alle Ozeane der Welt hinauslaufen. Es gibt auch Wasser in der Kruste. Damit die Subduktion bei der derzeitigen Geschwindigkeit so viel Wasser von der Oberfläche aufnehmen kann, würde es viel länger dauern als das Alter des Planeten, sagte Jacobsen.

Wenn das der Fall ist, muss zumindest ein Teil des inneren Wassers der Erde immer hier gewesen sein. Trotz der Hitze im frühen Sonnensystem könnten Wassermoleküle nach einigen Theorien an den Staubpartikeln haften geblieben sein, die zur Erde verschmolzen sind.

Dennoch ist die Gesamtmenge an Wasser im Mantel eine höchst unsichere Zahl. Am unteren Ende könnte der Mantel nur halb so viel Wasser aufnehmen wie in den Weltmeeren, so Schmandt und andere.

Am oberen Ende könnte der Mantel zwei- oder dreimal so viel Wasser in den Ozeanen aufnehmen. Wenn es viel mehr gegeben hätte, hätte die zusätzliche Hitze der jüngeren Erde den Mantel zu wässrig und flüssig gemacht, um die Kontinentalplatten zu brechen, und die heutige Plattentektonik hätte vielleicht nie begonnen. „Wenn Sie einen Haufen Wasser in der Oberfläche haben, ist es großartig“, sagte Jun Korenaga, Geophysiker an der Yale University. „Wenn Sie einen Haufen Wasser im Mantel haben, ist es nicht großartig.“

Aber viele Unsicherheiten bleiben. Ein großes Fragezeichen ist der untere Mantel, wo extreme Drücke Ringwoodit in Bridgmanit verwandeln, der überhaupt nicht viel Wasser aufnehmen kann. Neuere Studien deuten jedoch auf das Vorhandensein neuer wasserführender Mineralien hin, die als Phase D und Phase H bezeichnet werden. „Da es sich um eine weit offene Frage handelt, denke ich, dass der Wassergehalt im Mantel zur Debatte steht — weit offen.“

Die Messung des inneren Wasserspeichers der Erde ist nicht einfach. Ein vielversprechender Weg sei es, die elektrische Leitfähigkeit des Mantels zu messen, sagte Korenaga. Diese Techniken sind jedoch noch nicht so weit fortgeschritten wie beispielsweise die Verwendung seismischer Wellen. Und während seismische Wellen einen globalen Blick auf das Erdinnere bieten, ist das Bild nicht immer klar. Die Signale sind subtil, und die Forscher benötigen genauere Daten und ein besseres Verständnis der Eigenschaften von realistischerem Mantelmaterial, anstelle von nur Ringwoodit und Wadsleyit. Diese beiden Mineralien bilden etwa 60 Prozent der Übergangszone, der Rest ist eine komplexe Mischung aus anderen Mineralien und Verbindungen.

Es würde auch helfen, mehr Diamanten mit wasserhaltigen Mineralien zu finden. In Jacobsens Labor fällt dieser Job der Doktorandin Michelle Wenz zu. Für jeden Diamanten verwendet sie leistungsstarke Röntgenstrahlen im Argonne National Laboratory, um die Position jedes Mineralfleckens zu kartieren, von dem es ein halbes Dutzend geben kann. Dann, um die Mineralien zu identifizieren, Sie strahlt Röntgenstrahlen auf jedes Bit und misst, wie die Strahlen von seiner Kristallstruktur streuen. Von den Hunderten von Diamanten im Labor, alle aus Brasilien, hat sie etwa 60 durchgemacht. Noch kein Wasser.

Wasser oder nicht, sagte sie, diese Kapseln aus der Tiefe sind immer noch erstaunlich. „Jeder ist so einzigartig“, sagte sie. „Sie sind wie Schneeflocken.“

Korrektur: Dieser Artikel wurde am 11. Juli 2018 überarbeitet, um einen Tippfehler zu korrigieren; Es ist der Mantel, nicht der Ozean, der zwei- oder dreimal so viel Wasser in den Ozeanen aufnehmen könnte.

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