Et hav inde i Jorden? Vand er bestemt til at være hundredvis af kilometer nede

Overgangszonen mellem jordens øvre og nedre kappe indeholder betydelige mængder vand, viser en international undersøgelse, der involverer Institut for Geovidenskab ved Goethe Universitet i Frankfurt. Det tysk-italiensk-amerikanske forskerhold analyserede en sjælden diamant dannet 660 meter under jordens overflade ved hjælp af teknikker, herunder Raman-spektroskopi og FTIR-spektrometri. Undersøgelsen bekræftede noget, der i lang tid kun var en teori, nemlig at havvand følger med subducerende plader og dermed kommer ind i overgangszonen. Det betyder, at vores planets vandkredsløb omfatter Jordens indre.

Overgangszonen (TZ) er navnet på det grænselag, der adskiller jordens øvre kappe og den nederste kappe. Det ligger i en dybde på 410 til 660 kilometer. Det enorme tryk på op til 23.000 bar i TZ får det olivengrønne mineral olivin, som udgør omkring 70 % af Jordens øvre kappe og også kaldes peridot, til at ændre sin krystallinske struktur. Ved overgangszonens øvre grænse, i en dybde af omkring 410 kilometer, omdannes den til tættere wadsleyit; ved 520 kilometer forvandles den derefter til endnu tættere ringwoodit.

"Disse mineralomdannelser hæmmer i høj grad bevægelserne af sten i kappen," forklarer prof. Frank Brenker fra Institut for Geovidenskab ved Goethe Universitet i Frankfurt. For eksempel stopper kappefaner - stigende søjler af varm sten fra den dybe kappe - nogle gange direkte under overgangszonen. Massens bevægelse i den modsatte retning går også i stå. Brenker siger:"Subducerende plader har ofte svært ved at bryde igennem hele overgangszonen. Så der er en hel kirkegård af sådanne plader i denne zone under Europa."

Indtil nu har det dog ikke været kendt, hvad de langsigtede virkninger af at "suge" materiale ind i overgangszonen var på dets geokemiske sammensætning, og om der fandtes større mængder vand der. Brenker forklarer:"De subducerende plader transporterer også dybhavssedimenter piggy-back ind i Jordens indre. Disse sedimenter kan indeholde store mængder vand og CO₂ . Men indtil nu var det uklart, hvor meget der kommer ind i overgangszonen i form af mere stabile, vandholdige mineraler og karbonater - og det var derfor også uklart, om der virkelig er store mængder vand oplagret der."

De herskende forhold ville bestemt være befordrende for det. De tætte mineraler wadsleyit og ringwoodit kan (i modsætning til olivinen på mindre dybder) opbevare store mængder vand - faktisk så store, at overgangszonen teoretisk ville være i stand til at optage seks gange mængden af ​​vand i vores have. "Så vi vidste, at grænselaget har en enorm kapacitet til at lagre vand," siger Brenker. "Vi vidste dog ikke, om det rent faktisk gjorde det."

En international undersøgelse, som geoforskeren fra Frankfurt var involveret i, har nu givet svaret. Forskerholdet analyserede en diamant fra Botswana, Afrika. Det blev dannet i en dybde på 660 kilometer, lige ved grænsefladen mellem overgangszonen og den nedre kappe, hvor ringwoodit er det fremherskende mineral. Diamanter fra denne region er meget sjældne, selv blandt de sjældne diamanter af superdyb oprindelse, som kun udgør 1% af diamanterne. Analyserne afslørede, at stenen indeholder talrige ringwoodite-indeslutninger - som udviser et højt vandindhold. Endvidere var forskergruppen i stand til at bestemme stenens kemiske sammensætning. Det var næsten nøjagtigt det samme som stort set alle fragmenter af kappesten fundet i basalter overalt i verden. Dette viste, at diamanten bestemt kom fra et normalt stykke af jordens kappe. "I denne undersøgelse har vi vist, at overgangszonen ikke er en tør svamp, men rummer betydelige mængder vand," siger Brenker og tilføjer:"Dette bringer os også et skridt tættere på Jules Vernes idé om et hav inde i Jorden." Forskellen er, at der ikke er noget hav dernede, men vandholdige sten, som ifølge Brenker hverken ville føles våde eller dryppe vand.

Vandholdigt ringwoodit blev først opdaget i en diamant fra overgangszonen allerede i 2014. Brenker var også involveret i den undersøgelse. Det var dog ikke muligt at bestemme den præcise kemiske sammensætning af stenen, fordi den var for lille. Det forblev derfor uklart, hvor repræsentativ den første undersøgelse var for kappen generelt, da vandindholdet i den diamant også kunne være et resultat af et eksotisk kemisk miljø. Derimod var indeslutningerne i den 1,5 centimeter store diamant fra Botswana, som forskerholdet undersøgte i nærværende undersøgelse, store nok til at gøre det muligt at bestemme den præcise kemiske sammensætning, og dette gav den endelige bekræftelse af de foreløbige resultater fra 2014.

Overgangszonens høje vandindhold har vidtrækkende konsekvenser for den dynamiske situation inde i Jorden. Hvad det fører til, kan for eksempel ses på de nedefra kommende varme kappefaner, som sætter sig fast i overgangszonen. Der opvarmer de den vandrige overgangszone, hvilket igen fører til dannelsen af ​​nye mindre kappefaner, der optager vandet, der er lagret i overgangszonen. Hvis disse mindre vandrige kappefaner nu vandrer længere opad og bryder igennem grænsen til den øverste kappe, sker der følgende:Vandet i kappefanerne frigives, hvilket sænker smeltepunktet for det fremkommende materiale. Det smelter derfor med det samme og ikke lige før det når overfladen, som det normalt sker. Som følge heraf er klippemasserne i denne del af Jordens kappe samlet set ikke længere så seje, hvilket giver massebevægelserne mere dynamik. Overgangszonen, der ellers fungerer som en barriere for dynamikken dér, bliver pludselig en driver for den globale materialecirkulation. + Udforsk yderligere

Avancerede computersimuleringer afslører spændende indsigt om magma dybt under Jordens overflade