Unterirdischer Ozean? Gigantische Wassermengen im Erdmantel entdeckt

Durch abtauchende Erdplatten gelangt stetig Ozeanwasser in die Übergangszone zwischen unterem und oberem Erdmantel. Ein Diamant aus dieser Tiefe belegt nun: Die Grenzschicht ist voller Wasser.

Von Insa Germerott
Veröffentlicht am 30. Sept. 2022, 15:49 MESZ
Diamant aus dem Erdmantel.

Der Diamant aus Botswana verriet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, dass in 660 Kilometern Tiefe erhebliche Mengen an Wasser im Gestein gespeichert sind.

Foto von Tingting Gu / Gemological Institute of America, New York, NY, USA

1864 beschreibt Jules Verne in einem der weltweit ersten Science-Fiction-Romane ein Meer im Erdinneren. Was der französische Autor damals nicht ahnen konnte: Seine fiktive Annahme würde sich nicht einmal 200 Jahre später bewahrheiten. Denn in der Übergangszone, die den oberen und den unteren Erdmantel voneinander trennt, befindet sich tatsächlich Wasser – vermutlich sogar in deutlich größeren Mengen als bisher erwartet. 

Ein internationales Forschungsteam konnte diese Annahme nun endgültig bestätigen. In ihrer Studie, die in der Zeitschrift Nature Geoscience erschien, analysierten sie einen seltenen Diamanten aus Botswana, welcher aus der Übergangszone an der Grenze zum unteren Erdmantel stammt. Dabei machten sie eine erstaunliche Entdeckung: In dem 1,5 Zentimeter großen Mineral aus 660 Kilometern Tiefe gibt es Wassereinschlüsse. Der Wasserkreislauf unserer Erde ist also viel größer als bisher angenommen – und umfasst auch unterirdisches Wasservorkommen. Wie aber kam das Wasser in den Erdmantel? Und welche Auswirkungen hat das? 

“Wir haben mit dieser Studie nachgewiesen, dass die Übergangszone kein trockener Schwamm ist, sondern erhebliche Mengen Wasser speichert.”

von Frank Brenker
Geologe, Institut für Geowissenschaften an der Goethe-Universität Frankfurt

Bis zu sechsmal mehr Wasser als in allen Ozeanen der Erde

Die Übergangszone liegt zwischen 410 und 660 Kilometern Tiefe, zwischen dem oberen und dem unteren Erdmantel. Ein immenser Druck von 23.000 Bar sorgt in dieser Zone dafür, dass das Mineral Olivin, das rund 70 Prozent des oberen Erdmantels ausmacht, in zunehmender Tiefe seine Kristallstruktur verändert. Zunächst wandelt es sich ab 410 Kilometern Tiefe zum dichter gepackten Wadsleyit um, später dann – in 520 Kilometern Tiefe – zum Ringwoodit, einer noch dichter gepackten Struktur. 

Bekannt ist, dass es immer wieder zum Abtauchen von Erdplatten in die Übergangszone durch die Plattentektonik kommt. Frank Brenker, Geologe vom Institut für Geowissenschaften an der Goethe-Universität Frankfurt und Beteiligter der Studie, erklärt: „Mit den abtauchenden Platten werden auch Tiefseesedimente huckepack mit ins Erdinnere transportiert.“ Diese würden unter anderem große Mengen Wasser und Kohlenstoffdioxid enthalten, die so in die Übergangszone gelangen. 

Im Erdmantel angekommen, könnte das Wasser dort sogar eingelagert werden. Denn theoretisch sind die Minerale Wadsleyit und Ringwoodit in der Lage, gigantische Wassermengen zu speichern: mehr als die sechsfache Menge unserer Ozeane. So könnte zwischen dem oberen und unteren Erdmantel ein riesiges Meer Platz finden – allerdings nicht in flüssiger Form, sondern eingeschlossen in Gestein. Bislang war allerdings nicht restlos klar, ob die Minerale der Übergangszone tatsächlich Wasser speichern.

Ein Diamant mit Wassereinschlüssen

2014 startete ein Forschungsteam einen ersten Anlauf zur Klärung dieser Frage. Damals konnte erstmals ein wasserhaltiges Ringwoodit in einem Diamanten aus der Übergangszone nachgewiesen werden. Die Untersuchung seiner chemischen Zusammensetzung blieb allerdings aus, da der Stein zu klein war. Dementsprechend waren die damaligen Ergebnisse nicht repräsentativ für den durchschnittlichen Erdmantel, da der Diamant auch aus einem chemisch exotischen Umfeld hätte stammen können.

Die neue internationale Studie umfasst nun beides: Untersuchungen zum Wassergehalt und zur chemischen Zusammensetzung des Diamanten aus Botswana. Dieser hat einen ‚supertiefen‘ Ursprung, er stammt direkt aus dem Kontaktbereich von der Übergangszone zum unteren Erdmantel. Mithilfe von Raman-Spektroskopie und FTIR-Spektrometrie analysierte das deutsch-italienisch-amerikanische Forschungsteam unter der Leitung von Tingting Gu seine Eigenschaften.

Sie fanden heraus, dass der Stein zahlreiche Ringwoodit-Einschlüsse besitzt – die vorwiegende Struktur in diesen Tiefen. Diese Einschlüsse weisen wiederum einen hohen Wassergehalt auf. Und nicht nur das: Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung ergab, dass der Stein aus einem durchschnittlichen Stück Erdmantel stammt, weshalb die Wassereinschlüsse repräsentativ für die gesamte Schicht sind. „Wir haben mit dieser Studie nachgewiesen, dass die Übergangszone kein trockener Schwamm ist, sondern erhebliche Mengen Wasser speichert“, sagt Brenker. 

Der hohe Wassergehalt in der Übergangszone hat Auswirkungen auf sogenannte Mantle Plumes, also Aufströme heißen Gesteinsmaterials aus dem unteren Erdmantel. Und die haben wiederum Einfluss auf die Plattentektonik. Durch den hohen Wassergehalt wird der Erdmantel dynamischer und weicher, da wasserhaltige Mantle Plumes bereits in der Übergangszone anfangen zu schmelzen – und nicht erst kurz vor der Erdoberfläche. Dadurch wird die Übergangszone, die ansonsten eher starr ist, zu einem neuen Antrieb für die Plattentektonik. Stärkere Bewegungen der Platten sind die Folge, die dann wiederum öfter in die Übergangszone abtauchen – ein Kreislauf entsteht.

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