Wie Wissenschaftler die Geheimnisse der tiefen Gewässer der Erde enthüllten

Illustration von Quarzkristallen, die durch eine chemische Reaktion von Wasser aus dem flüssigen Metall im äußeren Erdkern entstehen. Bildnachweis: Dan Shim/Arizona State University

Eine bahnbrechende Studie zeigt, dass das Oberflächenwasser der Erde den Kern erreicht, seine Zusammensetzung verändert und auf eine dynamischere Wechselwirkung zwischen Kern und Mantel und einen komplexen globalen Wasserkreislauf schließen lässt.

Vor einigen Jahrzehnten identifizierten Seismologen, die den tiefen Planeten fotografierten, eine dünne Schicht, die nur wenige hundert Kilometer dick war. Der Ursprung dieser als Primärschicht E bekannten Schicht war bisher ein Rätsel.

Ein internationales Forscherteam, darunter die Wissenschaftler Dan Shim, Taehyun Kim und Joseph O’Rourke von der Arizona State University vom College of Earth and Space Exploration, hat herausgefunden, dass Wasser von der Erdoberfläche tief in den Planeten eindringen und die Zusammensetzung des Planeten verändern kann. Der äußere Bereich des flüssigen Metalls bildet Keime und bildet eine charakteristische dünne Schicht.

Ihre Forschung wurde am 13. November in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Erdwissenschaften.

Tiefwassertransportprozess

Untersuchungen zeigen, dass über Milliarden von Jahren Oberflächenwasser durch Subduktion oder Subduktion tektonischer Platten tief in die Erde transportiert wurde. Wenn dieses Wasser die Grenze zwischen Kern und Mantel erreicht, etwa 1.900 Meilen unter der Oberfläche, löst es eine tiefgreifende chemische Reaktion aus, die die Struktur des Kerns verändert.

Illustration des Erdinneren, die das Abtauchen von Wasser und eine aufsteigende Magmasäule zeigt. An der Grenzfläche, wo eingebettetes Wasser auf den Kern trifft, findet ein chemischer Austausch statt, der zur Bildung einer wasserstoffreichen Schicht im oberen äußeren Kern und dichter Kieselsäure am Boden des Mantels führt. Bildnachweis: Yonsei University

Chemische Reaktionen an der Kern-Mantel-Grenze

Zusammen mit Young Jae Lee von Yonsei-Universität In Südkorea zeigten Shim und sein Team durch Hochdruckexperimente, dass untergetauchtes Wasser chemisch mit Grundstoffen reagiert. Durch diese Reaktion entsteht eine wasserstoffreiche, siliziumarme Schicht, die den oberen äußeren Kernbereich in eine filmartige Struktur verwandelt. Darüber hinaus entstehen bei der Reaktion Quarzkristalle, die aufsteigen und im Erdmantel verschmelzen. Es wird erwartet, dass diese modifizierte flüssige Mineralschicht weniger dicht ist und geringere seismische Geschwindigkeiten aufweist, was mit den von Seismologen kartierten anomalen Eigenschaften übereinstimmt.

Kern-Mantel-Wechselwirkung und globale Effekte

„Viele Jahre lang wurde angenommen, dass der physikalische Austausch zwischen Erdkern und Erdmantel gering sei. Unsere jüngsten Hochdruckexperimente zeigen jedoch eine andere Geschichte. „Wir haben herausgefunden, dass, wenn Wasser die Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel erreicht, „Es interagiert mit dem Silizium im Kern“, sagte Shim. Dabei entsteht Siliziumdioxid.“ „Diese Entdeckung weist zusammen mit unserer früheren Beobachtung der Bildung von Diamanten durch die Reaktion von Wasser mit Kohlenstoff in flüssigem Eisen unter extremem Druck auf eine viel dynamischere Wechselwirkung hin.“ zwischen dem Kern und dem Mantel, was auf einen erheblichen physischen Austausch hinweist.“

Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der inneren Prozesse der Erde und lässt auf einen umfangreicheren globalen Wasserkreislauf schließen als bisher angenommen. Die sich verändernde „Schicht“ des Kerns hat tiefgreifende Auswirkungen auf die geochemischen Kreisläufe, die den Oberflächenwasserkreislauf mit dem tiefen Mineralkern verbinden.

Referenz: „Eine wasserstoffreiche Schicht im oberen äußeren Kern entsteht aus tief untergetauchtem Wasser“ von Taehyun Kim, Joseph J. O’Rourke, Jeongmin Lee, Stella Chariton, Vitaly Prakapinka, Rachel J. Husband, Nico Giordano, Hans-Peter Lerman, Sang-Hyun Shim und Youngjae Lee, 13. November 2023, Natürliche Erdwissenschaften.
doi: 10.1038/s41561-023-01324-x

Die Studie wurde von einem internationalen Team von Geowissenschaftlern durchgeführt, die fortschrittliche experimentelle Techniken an der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory und PETRA III vom Deutschen Elektronen-Synchrotron in Deutschland nutzten, um die extremen Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze nachzubilden.

Teammitglieder und ihre Schlüsselrollen von der ASU sind Kim, die dieses Projekt als Gastdoktorandin begann und jetzt Postdoktorandin an der School of Earth and Space Exploration ist; Wasim, Professor an der School of Earth and Space Exploration, der die experimentellen Hochdruckarbeiten leitete; O’Rourke, Assistenzprofessor an der School of Earth and Space Exploration, führte Computersimulationen durch, um die Bildung und Kontinuität der sich verändernden dünnen Schicht im Kern zu verstehen. Lee leitete das Forschungsteam der Yonsei University zusammen mit den Hauptforschern Vitaly Prakapinka und Stella Chariton an der Advanced Photon Source sowie Rachel Zug, Nico Giordano und Hans-Peter Lerman am Deutschen Elektronen-Synchrotron.

Diese Arbeit wurde vom NSF Earth Sciences Program unterstützt.