Een schat aan water kan zich meer dan 400 kilometer onder je voeten verbergen.
Dat is waar de aardmantel de korst ontmoet. Geowetenschappers hadden lang gedacht dat onder deze overgangszone (beginnend bij 255 mijl of 410 km diep) een met water gevuld mineraal genaamd bruciet onstabiel was en dus ontbonden, waardoor watermoleculen naar het oppervlak van de planeet stroomden.
Maar nieuw onderzoek suggereert dat voordat bruciet - dat is 50 procent magnesiumoxide en 50 procent water - ontleedt, het verandert in een andere, stabielere 3D-structuur. De bevinding, gedetailleerd online op 21 november in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences, betekent dat er een voorraad water dieper in de aarde zit dan eerder werd gedacht.
"werd niet helemaal verwacht", zegt co-auteur Andreas Hermann, docent computationele fysica aan de Universiteit van Edinburgh in Schotland. "omdat mensen dit materiaal al tientallen jaren bestuderen en niemand er ooit aan heeft gedacht om te kijken of er nog een fase zou zijn voordat het uiteindelijk uit elkaar zou vallen."
Diepe aarde tasten
Wetenschappers waren eerder van mening dat bruciet alleen stabiel bleef tot aan de overgangszone, een laag van 250 kilometer diep net onder de bovenmantel. De structuur van het mineraal heeft deze visie gedeeltelijk ondersteund. Brucite is een gelaagd materiaal waarbij de moleculen in elke laag sterk aan elkaar zijn gebonden, maar zwak zijn verbonden met andere lagen. Een materiaal als dit moet, als het met voldoende druk wordt geperst, een soort verandering ondergaan. Onderzoekers gingen er eerder van uit dat bruciet als reactie op de druk in de overgangszone, die ongeveer 200.000 atmosfeer bereikt, zou afbrokkelen. (Eén atmosfeer is ongeveer de druk op zeeniveau).
Hermann en zijn co-auteur, Mainak Mookherjee, een professor in de geologie aan de Florida State University, konden de diepe aarde niet rechtstreeks onderzoeken en gebruikten kwantummechanische berekeningen, waarbij ze verschillende mogelijke structuren voor bruciet in diepe aardse omstandigheden analyseerden.
'Dit is big-data computing', zei Hermann. "We creëren duizenden structuren, optimaliseren ze allemaal en voeren berekeningen uit die nauwkeurig genoeg zijn om te zeggen dat als iets stabieler is dan iets anders, we betrouwbaar kunnen zeggen dat het zo is."
Brucite is een goed bestudeerd en relatief eenvoudig mineraal. Toch zei Hermann dat de sleutel tot de nieuwe berekeningen het negeren van bestaande veronderstellingen over bruciet was. Na enkele maanden verschillende structuren door hun computerprogramma te hebben geleid, vonden de onderzoekers een voorheen onbekende fase van bruciet die de hoge druk in de ondermantel zou kunnen weerstaan.
Zelfs met deze nieuwe fase van bruciet zijn wetenschappers nog steeds niet in staat om direct de hoeveelheid van de stof in de mantel te meten of hoeveel water het mineraal bevat. Hermann en Mookherjee hebben de elastische eigenschappen van de nieuwe fase van bruciet echter wel uitgewerkt. Wetende dit, zei Hermann, kunnen seismologen mogelijk detecteren hoeveel bruciet er in de mantel zit, omdat de handtekeningen van aardbevingen verschillen op basis van de elasticiteit van de rots waardoor ze reizen.
Waarom bruciet ertoe doet
Huidige schattingen suggereren dat de diepe aarde evenveel water kan bevatten als alle oceanen op het oppervlak van de planeet samen. Dit waterreservoir en de extra brucietmassa kunnen ook van groot belang zijn voor de verplaatsing van materialen door de aarde. Terwijl waterbevattende mineralen door de aardlagen naar beneden reizen, vallen de materialen uiteindelijk uiteen, waardoor het water vrijkomt dat naar de oppervlakte terugkeert, vaak door vulkanische activiteit.
Water is essentieel voor de recycling van mineralen door vulkanisme en platentektoniek, omdat het zorgt voor de smering die nodig is om de verschillende gesteentematerialen langs elkaar heen te laten bewegen, zoals gebeurt in subductiezones. Het helpt ook sommige materialen op te lossen terwijl ze door de rotscyclus bewegen. Zonder water, zei Hermann, zou de planeet geologisch tot stilstand komen. Dit betekent geen nieuwe korst of grond en een stop in vulkanisme; deze veranderingen kunnen catastrofale gevolgen hebben voor het land en de atmosfeer van de planeet.
Afgezien van het potentieel veranderende inzicht van wetenschappers in waterreservoirs ver onder het aardoppervlak, zei Hermann dat dit onderzoek een nieuwe manier van denken over de diepe aarde in het algemeen voorstaat. De onderzoekers zouden deze nieuwe fase niet hebben gevonden als ze de voorkeur hadden gegeven aan de geaccepteerde versie, zei hij.
