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Veröffentlicht: 24.06.2014, 18:00 Uhr

Geologie Der Ozean unter uns

Gewaltige Wassermengen liegen im Erdmantel unter dem amerikanischen Kontinent verborgen. Sie sind dort im Mineral Ringwoodit gebunden.

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© Steve Jacobsen / Northwestern University Fragmente des Minerals Ringwoodit, hergestellt im Labor. Dieses Olivin kommt natürlich im Erdmantel in einer Tiefe zwischen 500 und 700 Kilometern vor und kann große Mengen an Wasser aufnehmen.

Dass Wasser nicht nur in den drei klassischen Aggregatzuständen flüssig, fest und gasförmig vorkommen kann, wissen Geowissenschaftler seit langem. Zahlreiche Minerale können nämlich mehrere Gewichtsprozent Wasser enthalten, beispielsweise Zeolithe, Türkis und Opal. Auch tief im Erdinneren kommen Gesteine vor, in denen größere Mengen an Wasser gebunden sind. Dieses Wasser spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Vulkanismus oberhalb der Subduktionszonen entlang der Kontinentalränder. Amerikanische Forscher haben aber nun tief unter Nordamerika einen riesigen „Ozean“ aus Wasser entdeckt. Das Wasser kommt dort allerdings nicht in flüssiger Form als unterirdischer See vor, sondern ist in dem zu den Olivinen gehörenden Mineral Ringwoodit gebunden.

Wenn Erdbebenforscher seismische Wellen zur Durchleuchtung des Erdinneren benutzen, fallen ihnen immer wieder eigenartige Zonen im oberen Erdmantel auf. Zwischen 400 und 700 Kilometer Tiefe ändert sich nämlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Erdbebenwellen mehrmals sehr deutlich, ohne dass es in diesem Tiefenbereich zu chemischen Veränderungen in den Gesteinen käme. Geowissenschaftler bezeichnen diese Schichten als Übergangszonen, in denen der enorme Gebirgsdruck dazu führt, dass die Olivine des oberen Erdmantels ihre Kristallstruktur ändern und - ohne ihre chemische Zusammensetzung zu ändern - zu den festeren Gesteinen des tiefen Erdmantels werden.

Seismische Sensoren spüren Ozean auf

Weil aber die physikalischen Vorgänge in diesen Tiefen noch längst nicht verstanden sind, sind diese Übergangszonen Gegenstand intensiver Forschung. Eine amerikanische Forschergruppe um Brandon Schmandt von der Universität von Neu-Mexiko in Albuquerque hat nun in der Zeitschrift „Science“  die Ergebnisse der Untersuchung dieser Zone mit mehreren, völlig voneinander verschiedenen Verfahren zusammengefasst und hat dabei Hinweise auf den unterirdischen „Ozean“ gefunden.

Ringwoodit in einer Diamant-Stempelzelle © Steve Jacobsen / Northwestern University, Vergrößern Druckexperiment: Ringwoodit in einer Diamant-Stempelzelle.

Die jüngste Analyse stützt sich vornehmlich auf die Auswertung der Messergebnisse eines bisher einzigartigen seismischen Großexperimentes. Innerhalb der vergangenen zehn Jahre haben Forscher im Rahmen des Projektes „US Array“ die gesamten Vereinigten Staaten mit einem Netz von mehr als 400 Erdbebenstationen überzogen. Dieses Netz „wanderte“ im Laufe der Dekade langsam von der Pazifikküste in Richtung Atlantik. Die Stationen blieben dabei jeweils für etwa zwei Jahre an einem Ort, nur um dann abgebaut und weiter östlich wieder aufgestellt zu werden.

Mineral unter Druck

Auf diese Weise entstand nicht nur ein einmaliger Katalog der Erdbeben unter den Vereinigten Staaten. Die Sensoren erfassten auch Tausende von Erdbeben in anderen Regionen der Welt, deren Wellen die Gesteine unter Nordamerika wie Röntgenstrahlen durchleuchteten. Dabei fiel auf, dass die Übergangszone unter Nordamerika in etwa 660 Kilometern Tiefe besonders ausgeprägt ist.

Gleichzeitig setzten die Forscher das wasserhaltige Mineral Ringwoodit, das in dieser Zone vermutet wird, in Laborversuchen hohen mechanischen Drücken aus, um das mechanische Verhalten des Gesteins zu untersuchen. Schließlich ermittelten sie in Computersimulationen, dass in diesen Tiefen im Ringwoodit bis zu drei Gewichtsprozent Wasser enthalten sein kann. Zusammen deuten die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen darauf hin, dass allein im Ringwoodit in der Übergangszone unter Nordamerika etwa so viel Wasser wie in den Weltmeeren gebunden ist.

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Sobald auch nur ein Teil des Wassers aus dem Ringwoodit herausgepresst wird, beginnt sich das umgebene, viel trockenere Gestein zu verformen und sogar teilweise zu schmelzen. Offenbar, so meinen die Forscher, ist dieser Vorgang eine wichtige Antriebskraft in der zähflüssigen Bewegung des Gesteins im oberen Erdmantel.

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