een paar honderd diamanten ter grootte van een kiezelsteen, geplukt uit Braziliaanse modder, zitten in een kluis aan de Northwestern University. Voor sommigen zijn ze misschien waardeloos. “Ze zijn gehavend,” zei Steve Jacobsen, een mineraloog bij Northwestern. “Ze zien eruit alsof ze door een wasmachine zijn gegaan.”Velen zijn donker of geel, ver van de ongerepte juweliersdromen.

toch zijn deze fragmenten van kristallijne koolstof voor onderzoekers als Jacobsen even kostbaar — niet voor de diamant zelf, maar voor wat er in zit opgesloten: mineralen die honderden kilometers onder de grond zijn gesmeed, diep in de aardmantel.

deze minerale vlekken-sommige te klein om zelfs onder een microscoop te zien-bieden een kijkje in de anders onbereikbare binnenkant van de aarde. In 2014 zagen onderzoekers iets ingebed in deze mineralen dat, zonder zijn diepe oorsprong, onopvallend zou zijn geweest: water.

geen echte waterdruppels of zelfs moleculen van H2o, maar de bestanddelen ervan, waterstofatomen en zuurstof die in de kristalstructuur van het mineraal zelf zijn ingebed. Dit waterhoudende mineraal is niet nat. Maar als het smelt, morst er water uit. De ontdekking was het eerste directe bewijs dat waterrijke mineralen zo diep, tussen 410 en 660 kilometer diep, in een gebied genaamd de overgangszone, ingeklemd tussen de bovenste en onderste mantels bestaan.

sindsdien hebben wetenschappers meer verleidelijke bewijzen van water gevonden. In maart kondigde een team aan dat ze diamanten van de aardmantel hadden ontdekt die daadwerkelijk water bevatten. Seismische gegevens hebben ook watervriendelijke mineralen in kaart gebracht over een groot deel van het binnenste van de aarde. Sommige wetenschappers beweren nu dat een enorm reservoir van water ver onder onze voeten op de loer zou kunnen liggen. Als we al het oppervlaktewater van de planeet beschouwen als één oceaan, en er blijken zelfs een paar oceanen onder de grond te zijn, zou dat de manier waarop wetenschappers denken over het binnenste van de aarde veranderen. Maar het roept ook een andere vraag op: Waar Kan het allemaal vandaan komen?

Waterwereld

zonder water zou leven zoals we dat kennen niet bestaan. De levende, dynamische planeet die we nu kennen ook niet. Water speelt een integrale rol in platentektoniek, waardoor vulkanen ontstaan en delen van de bovenmantel vrijer kunnen stromen. Toch is het grootste deel van de mantel relatief droog. De bovenmantel, bijvoorbeeld, is voornamelijk gemaakt van een mineraal genaamd olivijn, dat niet veel water kan opslaan.

maar onder de 410 kilometer, in de overgangszone, persen hoge temperaturen en druk de olivijn in een nieuwe kristalconfiguratie genaamd wadsleyiet. In 1987 realiseerde Joe Smyth, een mineraloog aan de Universiteit van Colorado, zich dat de kristalstructuur van wadsleyiet met gaten zou worden aangetast. Deze gaten blijken perfect te passen voor waterstofatomen, die in deze defecten kunnen kruipen en zich kunnen binden met de aangrenzende zuurstofatomen die al in het mineraal aanwezig zijn. Wadsleyiet, gevonden door Smyth, kan potentieel veel waterstof vasthouden, waardoor het een waterhoudend mineraal wordt dat water produceert als het smelt. Voor wetenschappers als Smyth betekent waterstof water.

dieper in de overgangszone wordt wadsleyiet ringwoodiet. En in het lab, Jacobsen (die was Smyth ‘ s graduate student in de jaren 1990) zou knijpen en verhitten stukjes ringwoodite om de extreme omstandigheden van de overgangszone na te bootsen. Onderzoekers die soortgelijke experimenten met zowel wadsleyiet als ringwoodiet deden, ontdekten dat in de overgangszone deze mineralen 1 tot 3 procent van hun gewicht in water konden houden. Gezien het feit dat de overgangszone een ruwweg 250 kilometer dikke schaal is die goed is voor ongeveer 7 procent van de massa van de aarde (ter vergelijking, de korst is slechts 1 procent), kan het meerdere malen het water van de oceanen van de aarde bevatten.

deze experimenten meten echter alleen de watercapaciteit. “Het is geen meting van hoe nat de spons is, het is een meting van hoeveel de spons kan houden,” zei Wendy Panero, een geofysicus aan de Ohio State University.

de experimenten waren ook niet noodzakelijk realistisch, omdat onderzoekers alleen ringwoodite konden testen in het laboratorium. Op een paar meteorieten na, had niemand ooit ringwoodiet in de natuur gezien. Dat wil zeggen, tot 2014.terwijl voetbalfans samenkwamen op Brazilië Voor het WK 2014, trok een kleine groep geologen naar de landerijen rond Juína, een stad bijna 2000 kilometer ten westen van Brasilia. Ze waren op jacht naar diamanten die uit lokale rivieren waren gepand.

als diamanten ontstaan in de hitte en hoge druk van de mantel, kunnen ze stukjes mineralen vangen. Omdat diamanten zo hard en stijf zijn, behouden ze deze mantelmineralen als ze naar het oppervlak worden geblazen via vulkaanuitbarstingen.

de onderzoekers kochten meer dan duizend van de meest gespikkelde, met mineralen gevulde kristallen. Een van de wetenschappers, Graham Pearson, nam enkele honderden mee naar zijn lab aan de Universiteit van Alberta, waar hij en zijn collega ‘ s in een bepaalde diamant ringwoodiet ontdekten uit de overgangszone. Niet alleen dat, maar het was hydraterend ringwoodiet, wat betekende dat het water bevatte-ongeveer 1 gewichtsprocent.”het is een belangrijke ontdekking in termen van plausibiliteit,” zei Brandon Schmandt, een seismoloog aan de Universiteit van New Mexico. Voor het eerst hadden wetenschappers een monster van de overgangszone — en het was gehydrateerd. “Het is dus zeker niet gek om te denken dat andere delen van de overgangszone ook gehydrateerd zijn.”

maar, voegde hij eraan toe, “het zou ook een beetje gek zijn om te denken dat een kristal het gemiddelde van de gehele overgangszone vertegenwoordigt.”Diamanten vormen immers alleen onder bepaalde omstandigheden, en dit monster kan afkomstig zijn van een unieke waterige plaats.om te zien hoe wijdverbreid ringwoodiet zou kunnen zijn, werkte Schmandt samen met Jacobsen en anderen om het in kaart te brengen met behulp van seismische golven. Als gevolg van convectie, hydraterende ringwoodite kan zinken, en als het daalt onder de overgangszone, de stijgende druk wringt water uit, waardoor het mineraal te smelten. Net onder de overgangszone waar mantelmateriaal afdaalt, kunnen deze poelen van gesmolten mineralen abrupt seismische golven vertragen. Door het meten van seismische snelheden onder Noord-Amerika, de onderzoekers vonden dat, inderdaad, dergelijke pools lijken gemeenschappelijk onder de overgangszone. Een andere studie die de seismische golven onder de Europese Alpen meet, vond een vergelijkbaar patroon.overvloedig mantelwater kreeg nog een boost in maart toen een team onder leiding van Oliver Tschauner, een mineraloog aan de Universiteit van Nevada, Las Vegas, diamanten ontdekte die echte stukken waterijs bevatten — de eerste waarneming van vrij bestaand H2O uit de mantel. De monsters kunnen meer zeggen over de natte omstandigheden die de diamant vormden dan het bestaan van een alomtegenwoordig reservoir. Maar omdat dit water — een hogedrukvorm genaamd ice-VII-werd gevonden op verschillende locaties in zuidelijk Afrika en China, zou het relatief wijdverspreid kunnen blijken te zijn.”over een paar jaar vinden we dat ice-VII veel vaker voorkomt,” zei Steve Shirey, een geoloog aan het Carnegie Institution for Science. “Het vertelt ons dat we hetzelfde verhaal hebben dat hydrous ringwoodite ons vertelt.”

maar als het verhaal is dat de mantel vol is met water, laat de cliffhanger ons afvragen hoe het allemaal daar kwam.

waterige oorsprong

volgens de standaard tale werd het water van de aarde geïmporteerd. Het gebied rond de zon waar de planeet gevormd werd was te heet voor vluchtige stoffen zoals water om te condenseren. Dus de ontluikende aarde begon droog te worden, en werd pas nat nadat waterrijke lichamen uit het Verre zonnestelsel op de planeet neerstortten en water naar de oppervlakte brachten. De meeste daarvan waren waarschijnlijk geen kometen, maar asteroïden die koolstofhoudende chondrieten worden genoemd, die tot 20 gewichtsprocent water kunnen zijn en het opslaan in een vorm van waterstof zoals ringwoodiet.

maar als er een enorme voorraad water in de overgangszone is, zou dit verhaal van de oorsprong van water moeten veranderen. Als de overgangszone 1 procent van zijn gewicht in water zou kunnen opslaan — een gematigde schatting, zei Jacobsen — zou het twee keer de oceanen van de wereld bevatten. De onderste mantel is veel droger maar ook volumineus. Het zou (weer) alle oceanen van de wereld kunnen zijn. Er zit ook water in de korst. Voor subductie om zoveel water van het oppervlak op te nemen in de huidige snelheid, zou het veel langer duren dan de leeftijd van de planeet, zei Jacobsen.

als dat het geval is, moet ten minste een deel van het inwendige water van de aarde altijd hier geweest zijn. Ondanks de hitte in het vroege zonnestelsel, kunnen watermoleculen zijn blijven hangen aan de stofdeeltjes die samensmelten om de aarde te vormen, volgens sommige theorieën.

toch is de totale hoeveelheid water in de mantel zeer onzeker. Aan de lage kant kan de mantel slechts half zoveel water bevatten als in de wereldzeeën, volgens Schmandt en anderen.

aan de hoge kant kan de mantel twee of drie keer de hoeveelheid water in de oceanen bevatten. Als er veel meer was dan dat, zou de extra hitte van de jongere aarde de mantel te waterig en stromend hebben gemaakt om de continentale platen te breken, en de huidige platentektoniek is misschien nooit begonnen. “Als je een hoop water in het oppervlak hebt, is het geweldig,” zei Jun Korenaga, een geofysicus aan de Yale University. “Als je een bos water in de mantel hebt, is het niet geweldig.”

maar er zijn nog veel onzekerheden. Een groot vraagteken is de lagere mantel, waar extreme druk ringwoodiet verandert in bridgmaniet, die niet veel water kan houden. Recente studies, echter, suggereren de aanwezigheid van nieuwe waterhoudende mineralen genaamd fase D en fase H. precies wat deze mineralen zijn als en hoeveel water ze kunnen opslaan blijft een open vraag, Panero zei. “Omdat het een wijd open vraag is, denk ik dat het watergehalte in de mantel open blijft voor debat-wijd open.”

Het meten van de interne wateropslag van de aarde is niet eenvoudig. Een veelbelovende manier is om de elektrische geleidbaarheid van de mantel te meten, Korenaga zei. Maar die technieken zijn nog niet zo geavanceerd als bijvoorbeeld het gebruik van seismische golven. En hoewel seismische golven een globaal beeld geven van het binnenste van de aarde, is het beeld niet altijd duidelijk. De signalen zijn subtiel en onderzoekers hebben nauwkeuriger gegevens nodig en een beter begrip van de eigenschappen van realistischer mantelmateriaal, in plaats van alleen ringwoodiet en wadsleyiet. Deze twee mineralen vormen ongeveer 60 procent van de overgangszone, de rest is een complexe mix van andere mineralen en verbindingen.

het vinden van meer diamanten met waterhoudende mineralen zou ook helpen. In Jacobsen ‘ s lab, die baan valt aan afgestudeerde student Michelle Wenz. Voor elke diamant gebruikt ze krachtige röntgenstralen in het Argonne National Laboratory om de locatie van elk mineraaltje in kaart te brengen, waarvan er misschien een half dozijn zijn. Dan, om de mineralen te identificeren, laat ze X-stralen op elk bit stralen en meet hoe de stralen van zijn kristalstructuur verstrooien. Van de honderden diamanten in het lab, allemaal uit Brazilië, heeft ze er ongeveer 60 doorstaan. Nog geen water.

Water of niet, zei ze, deze capsules uit de diepte zijn nog steeds geweldig. “Elk is zo uniek,” zei ze. “Ze lijken veel op sneeuwvlokken.”

correctie: Dit artikel werd herzien op 11 juli 2018 om een typografische fout te corrigeren; het is de mantel, niet de oceaan, die twee of drie keer de hoeveelheid water in de oceanen kan bevatten.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.