Diamant aus 500 Kilometer Tiefe: Im Erdmantel gibt es große Mengen Wasser

In tiefen Erdschichten, mehrere hundert Kilometer unter der Oberfläche, muss es große Mengen Wasser geben. Das vermuten Geoforscher seit Jahren, den Beweis blieben sie aber schuldig. Bis ein Team um Graham Pearson von der Universität Alberta einen fünf Millimeter kleinen Diamanten aus Brasilien genauer untersuchte. Wie die Wissenschaftler jetzt im Fachjournal „Nature“ berichten, fanden sie darin winzige Vorkommen eines exotischen Minerals, das eindeutig Wasser enthält. Rechnet man die Messergebnisse hoch, sollte es in einer Tiefe von 520 bis 660 Kilometern so viel Wasser geben wie in allen Ozeanen an der Oberfläche versammelt ist.

Kein unterirdisches Meer wie bei Jules Verne

Das erinnert an Jules Verne, der für seine „Reise zum Mittelpunkt der Erde“ einen unterirdischen Hohlraum ersann, in dem ein Meer schwappt. In Wirklichkeit gibt es solche Höhlen nicht, der immense Druck in der Tiefe würde sie sofort verschließen. Und es ist auch kein flüssiges Wasser, das im Erdmantel strömt, es handelt sich um „Kristallwasser“. So werden Sauerstoff-Wasserstoff-Verbindungen bezeichnet, die in Mineralen neben anderen chemischen Elementen enthalten sind. Bei steigenden Temperaturen verlassen sie den Kristall und zirkulieren als heiße Lösung im Gestein oder gelangen über Vulkane an die Oberfläche.

Für die obersten Schichten sind solche Vorgänge gut untersucht, dort können Wissenschaftler etwa durch Bohrungen geeignete Proben gewinnen. Bei der Übergangszone zwischen oberem und unterem Erdmantel – rund 500 Kilometer tief und über 1500 Grad heiß – ist das unmöglich. Mithilfe von Laborversuchen, bei denen diese höllischen Bedingungen simuliert werden, können sie dennoch abschätzen, was dort unten vor sich geht. Dabei fanden die Forscher heraus, dass viele Minerale, die sie von der Oberfläche kennen, unter den extremen Bedingungen neue Strukturen bilden. So wird etwa aus dem Magnesium-Eisen-Silikat namens Olivin in großer Tiefe das Mineral „Ringwoodit“. Forscher um Hans Keppler an der Universität Bayreuth hatten bereits in den Neunzigerjahren gezeigt, dass der in der Tiefe häufig vorkommende Ringwoodit Kristallwasser enthalten kann.

Die Minerale der Tiefe überstehen den Aufstieg nur sehr selten

Der praktische Nachweis fehlte aber. Denn jedes Mineral aus großer Tiefe, das beispielsweise mit Magma nach oben kommt, verändert währenddessen seine Struktur so, dass es an die geringen Druck- und Temperaturverhältnisse der Oberfläche angepasst ist. Es sei denn, die Reise ist extrem schnell, etwa bei einem explosiven Vulkanausbruch. Dann bleibt keine Zeit für die Verwandlung, der Tiefenzustand wird praktisch „eingefroren“.

Das ist bei dem Diamant aus Brasilien geschehen. In seinem Inneren fand Pearsons Team erstmals Reste von Ringwoodit, der den Aufstieg überstanden hat und nicht zu Olivin wurde. Für die Forscher ist der verunreinigte Edelstein damit von unschätzbarem Wert: Eine intakte Probe aus mehr als 500 Kilometern Tiefe.

Wasseraustausch könnte Meeresspiegeländerungen erklären

Sie bestätigt den Verdacht, es gibt dort unten Wasser. „Das hat zwei wichtige Konsequenzen“, sagt Keppler, der an der Studie nicht beteiligt war. „Ist Wasser im Gestein, wird es weicher und schmilzt bei geringeren Temperaturen.“ Das sei wichtig für die Bewegung der Erdplatten und die Vulkantätigkeit. „Manche Forscher behaupten sogar, dass durch das Abtauchen der tektonischen Platten in den Erdmantel Wasser zwischen der Oberfläche und den tiefen Schichten ausgetauscht wird. Sie begründen damit besonders langfristige Meeresspiegeländerungen, die nicht auf Klimaänderungen zurückzuführen seien.“