Die Erdkruste als Schwamm

Kalte, schnell absinkende tektonische Platten, die tief ins Erdinnere vordringen, transportieren jedes Jahr bis zu eine Billion Liter Wasser in den Erdmantel. Damit gelangt offenbar etwa doppelt so viel Wasser in die Tiefe wie bisher angenommen. Das zeigt eine neue Studie eines von südkoreanischen Forschenden geleiteten internationalen Teams.

Unter der Leitung von Yongjae Lee, Professor am Department of Earth System Science der Yonsei University, untersuchte das Forschungsteam unter anderem mithilfe von Röntgenverfahren, wie sich das wasserhaltige Gestein Serpentinit beim Absinken ins Erdinnere verhält.

Die Ergebnisse zeigen, dass Serpentinit auch in großer Tiefe erhebliche Mengen Wasser speichern kann. Die Erkenntnisse könnten sowohl die Interpretation seismischer Aktivitäten in stark vulkanisch geprägten Regionen als auch unser Verständnis des globalen Wasserkreislaufs beeinflussen.

Subduktionszonen als Transportwege ins Erdinnere

Subduktionszonen entstehen dort, wo zwei tektonische Platten aufeinandertreffen und eine Platte unter die andere abtaucht. Diese geologisch äußerst aktiven Regionen sind durch zahlreiche Vulkane und Erdbeben geprägt. Dabei verhalten sich nicht alle abtauchenden Platten gleich. Ältere Bereiche der ozeanischen Erdkruste hatten seit ihrer Entstehung an einem mittelozeanischen Rücken mehr Zeit, abzukühlen und dicker zu werden. Dadurch sind sie dichter und weniger auftriebsfähig als jüngere ozeanische Kruste. Sie können deshalb schneller und in einem steileren Winkel in die Tiefe sinken - ein Vorgang, der als "kalte" Subduktion bezeichnet wird.

Besonders ausgeprägt ist dies an den beiden tiefsten Tiefseegräben der Erde, dem Marianengraben und dem Tongagraben im Pazifik. Dort tauchen alte, dichte ozeanische Platten in einem steilen Winkel in den Erdmantel ab. Über Jahrzehnte ging die Fachwelt davon aus, dass Serpentinit in diesen absinkenden Krustenbereichen mit zunehmendem Druck und steigender Temperatur sein gespeichertes Wasser wieder abgibt. Dabei wird das im Mineral Serpentin gebundene HO freigesetzt. H2O kann dazu beitragen, dass darüberliegendes Gestein teilweise aufzuschmelzen und sich bogenförmige Ketten von Vulkanen bilden.

Seit einigen Jahren gibt es jedoch Hinweise darauf, dass wasserhaltige Minerale in kalten, abtauchenden Platten wesentlich tiefer stabil bleiben können, als es klassische Modelle vorhersagen. Die aktuelle Studie liefert nun experimentelle Belege dafür und zeigt genauer, in welcher Tiefe und unter welchen Druck- und Temperaturbedingungen dies möglich ist.

Extreme Bedingungen im Labor

Um die extremen Bedingungen im tiefen Erdinneren im Labor nachzustellen, führte das Forschungsteam seit 2019 eine Reihe von Röntgenbeugungs- und Ultraschallgeschwindigkeitsexperimenten bei sehr hohem Druck und Temperaturen durch.
Für die Untersuchungen nutzten die Wissenschaftler mehrere Synchrotronstrahlungsquellen auf der ganzen Welt, darunter PETRA III bei DESY in Deutschland, das Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory in den USA und das Pohang Accelerator Laboratory in Südkorea.

Am DESY nutzte das Team beide Experimentierstationen für Extremzustände an PETRA III. An beiden Messplätzen lassen sich Druck und Temperatur präzise einstellen. Mithilfe der PETRA-III-Röntgenstrahlung können anschließend Veränderungen in der untersuchten Probe bis auf atomarer Ebene verfolgt werden. "Diese Studie zeigt, wie wichtig die Kombination von Untersuchungen in der Diamantstempelzelle und in der Großvolumenpresse ist, da damit unterschiedliche Aspekte dieses langjährigen Forschungsprojekts untersucht werden können", erklärt Hanns-Peter Liermann, Leiter der Beamline P02.2 für Extrembedingungen, die speziell für Untersuchungen mit der Diamantstempelzelle ausgelegt ist.

"Das Forschungsteam führte hier den Großteil der Röntgenbeugungsexperimente bei hohem Druck und Temperaturen und mit unterschiedlichen Wassergehalten durch. Auf diese Weise ließ sich die Stabilität von Serpentin untersuchen." An der Beamline P61B, die mit einer Großvolumenpresse ausgestattet ist, führten die Forscher Ultraschallmessungen an Serpentin durch. "Diese Messungen sind entscheidend, um die seismischen Eigenschaften des Materials unter denselben Druck- und Temperaturbedingungen bestimmen zu können", sagt Robert Farla, Leiter von P61B.

Wasser bleibt in der Tiefe gespeichert

Die Auswertung der Experimente zeigte einen deutlichen Unterschied zwischen verschiedenen Bereichen der abtauchenden Platte. An den vergleichsweise wärmeren Randbereichen der absinkenden tektonischen Platte wird Wasser tatsächlich in einer Tiefe von etwa 220 Kilometern freigesetzt. Dadurch steigt die Dichte des Gesteins um rund 16 Prozent, was wiederum Einfluss auf seismische Wellen Ausbreitung im Gestein hat. In den deutlich kühleren mittleren Bereichen der abtauchenden Platte läuft dagegen eine Reaktion ab, die bereits vermutet worden war, bislang aber noch nicht experimentell nachgewiesen werden konnte.

In einer Tiefe von etwa 280 Kilometern unter der Erdoberfläche nimmt das Mineral Serpentin plötzlich eine von zwei unterschiedlichen Formen an. Ist ausreichend Wasser vorhanden, entsteht eine Variante, die zusätzlich Wasser aufnehmen kann - bis zu sechs Prozent ihres eigenen Gewichts. Bei geringerem Wasserangebot bildet sich dagegen eine andere Form, die das bereits vorhandene Wasser lediglich weiter bindet, ohne zusätzliches Wasser aufzunehmen. Insgesamt bedeutet dies, dass Serpentinit etwa dreimal so viel Wasser speichern kann wie bisher angenommen.

Nach Ansicht des Forschungsteams gelangt ein Teil dieses zusätzlichen Wassers über Bruchzonen in die Subduktionszone. Diese entstehen, wenn sich die Erdkruste beim Absinken in den Erdmantel verformt und verbiegt. Beide wasserbindenden Reaktionen können gleichzeitig auftreten - abhängig davon, wie viel Wasser vorhanden ist und unter welchen Druck- und Temperaturbedingungen das Gestein steht. Die neuen Erkenntnisse haben auch Konsequenzen für die Interpretation seismischer Messdaten. Diese Daten spielen eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Erdbeben, Vulkanausbrüchen und anderen seismischen und tektonischen Vorgängen.

Bis zu eine Billion Kilogramm Wasser pro Jahr

Anschließend modellierte das Forschungsteam, welche Bedeutung die neu entdeckten Reaktionen für den globalen Wasserkreislauf im Erdinneren haben könnten. Von den weltweit 56 bekannten Subduktionszonen gelten 16 als kalt oder extrem kalt. Werden die neu beobachteten Reaktionen in die bestehenden Modelle für diese 16 Zonen integriert, ergibt sich eine bemerkenswerte Schätzung: Bis zu eine Billion Kilogramm Wasser könnten jedes Jahr in den Erdmantel transportiert werden. Das wäre etwa doppelt so viel wie bisherige globale Schätzungen.

"Die Forschung der vergangenen Jahrzehnte hat sich fast ausschließlich mit der Entwässerung von Serpentinit beschäftigt", sagt Yongjae Lee, Professor an der Yonsei University und Leiter der Studie. "Unsere Untersuchungen liefern jedoch klare Belege dafür, dass eine kalte, abtauchende tektonische Platte wie ein riesiger Schwamm wirken kann: Sie hält enorme Mengen Wasser zurück und transportiert dieses Wasser immer tiefer ins Erdinnere." Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unsere bisherigen Modelle zur Wasserzirkulation innerhalb tektonischer Platten und zur Entwicklung des Erdinneren möglicherweise überarbeitet werden müssen.

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Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)