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Neue Eisenphasen könnten Wasser nahe dem Erdkern speichern
Versteckter Wasserspeicher: Tief im Erdmantel könnten bislang unbekannte Eisen-Oxyhydroxide Wasser über geologische Zeiträume festhalten. Hochdruckexperimente zeigen, dass zwei solcher Phasen selbst unter Bedingungen nahe der Kern-Mantel-Grenze entstehen und stabil bleiben. Damit liefern sie erstmals plausible mineralogische Kandidaten für uraltes wie auch durch Subduktion recyceltes Wasser.
Bayreuth (Deutschland). Ein Teil des Wassers im Erdinneren könnte fast so alt sein wie unser Planet. Isotopensignaturen in vulkanischen Gesteinen deuten auf tiefe, ursprüngliche Reservoirs hin, doch für den heißesten und tiefsten Erdmantel fehlte bislang ein überzeugender mineralogischer Speicher.
Bekannte Mantelminerale können unter diesen Bedingungen nur wenig Wasserstoff aufnehmen, andere wasserhaltige Phasen sind nur in speziellen chemischen oder relativ kühlen Umgebungen stabil. Genau diese Lücke könnten zwei neu hergestellte Eisen-Oxyhydroxide schließen.
Forscher des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) um Dr. Hongsheng Yuan haben die Verbindungen Fe₅O₁₂Hₓ und Fe₇O₁₂Hₓ unter Bedingungen des untersten Erdmantels synthetisiert. Dazu presste das Team winzige Proben in Diamantstempelzellen auf 78 bis 198 Gigapascal und erhitzte sie mit Lasern auf 2.400 bis 2.800 Kelvin, also etwa 2.100 bis 2.500 Grad Celsius.
Mit Synchrotron-Röntgenstrahlung bestimmten die Wissenschaftler anschließend Zusammensetzung und Kristallstruktur der neu gebildeten Phasen. Entscheidend ist, dass die Oxyhydroxide nicht nur aus bewusst wasserreichen Mischungen entstanden, sondern auch aus Ausgangsproben mit fast keinem Wasser. Die veröffentlichte Studie zeigt damit, dass die beiden Phasen auch unter wasseruntersättigten Bedingungen entstehen können.
„Offenbar reichen bereits sehr kleine Mengen Wasserstoff aus, damit sich diese wasserreichen Eisenverbindungen bilden können“, sagt Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky vom Bayerischen Geoinstitut (BGI).
Die neuen Strukturen können vergleichsweise viel Wasserstoff aufnehmen. Besonders Fe₅O₁₂Hₓ gilt als wasserstoffreich. Nach den Berechnungen des Teams könnte schon ein Anteil von etwa einem Prozent dieses Materials im Mantel einen großen Teil des geschätzten Wasserstoffvorrats der silikatischen Erde binden.
Dieses Rechenbeispiel ist jedoch keine Messung der tatsächlichen Häufigkeit im Erdinneren. Die Forscher erwarten vielmehr, dass die Eisen-Oxyhydroxide lokal konzentriert sind. Ihre hohe Dichte macht zugleich plausibel, dass sie in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze absinken und dort lange erhalten bleiben könnten.
„Außerdem könnten diese Minerale Wasser speichern, das durch die Bewegung tektonischer Platten in die Tiefe transportiert wird. Weil die Verbindungen sehr dicht sind, würden sie wahrscheinlich in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze verbleiben und dort Wasser langfristig festhalten“, sagt Dr. Lianjie Man vom Bayerischen Geoinstitut (BGI).
Als Entstehungsort kommt ein basaler Magmaozean infrage, der sich früh in der Erdgeschichte über dem Kern befunden haben könnte. Beim Abkühlen wäre seine Restschmelze zunehmend mit Eisen und Wasser angereichert worden, genau den Komponenten, aus denen die neuen Phasen entstehen. So könnten sie einen Teil des ursprünglichen Wassers chemisch gebunden haben.