Wetenschappers ontdekken verborgen oceaan diep onder onze voeten

Dat blijkt uit een studie van onderzoekers van het Instituut voor Geochemie in het Chinese Guangzhou, die werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Het gaat daarbij niet om golvend blauw water, maar om water dat is ingebouwd in mineralen en gebonden in minuscule kristalroosters.

Volgens de onderzoekers houdt de diepe aardmantel dit water waarschijnlijk al vast sinds de vroegste fase van de aarde, wat de kijk op de geschiedenis van onze planeet kan veranderen.

Een van de grote raadsels in de wetenschap is hoe het water zich bij het ontstaan van de aarde verdeelde. Hoe kon water in het binnenste bewaard blijven toen de jonge aarde nog een gloeiend hete bol was, bedekt met een oceaan van magma waaruit pas langzaam vast gesteente ontstond?

Hoe kon water bewaard blijven?

In die fase werden de grondtrekken van de planeet bepaald, waaronder welke stoffen naar de diepte zakten terwijl andere juist opstegen. Ook de weg die het water koos, dat later rivieren, wolken en oceanen zou voeden, werd in die periode vastgelegd.

Na haar ontstaan was de aarde lange tijd een grotendeels gesmolten wereld, die door enorme inslagen van kometen, asteroïden en protoplaneten telkens opnieuw werd verhit.

Pas geleidelijk koelde de planeet af, waarbij een sleutelrol was weggelegd voor het magnesiumsilicaat bridgmaniet dat vandaag zo’n tachtig procent van het volume van de onderste aardmantel uitmaakt.

Het Chinese team onderzocht voor het eerst systematisch hoe water zich verdeelde tussen groeiend bridgmaniet en de omringende smelt onder omstandigheden zoals die op de vroege aarde heersten.

Artikel gaat verder onder de afbeelding.

Daarvoor gebruikten de onderzoekers zogenoemde diamantstempelcellen, waarin monsters tussen twee geslepen diamantpunten worden geklemd onder een druk van honderdduizenden keren de luchtdruk.

De monsters werden met lasers verhit tot meer dan vierduizend graden Celsius, waardoor het uitgangsmateriaal van waterhoudend silicaatglas volledig smolt.

Tijdens het afkoelen vormde zich bridgmaniet in de smelt, waarna een uiterst nauwkeurige meettechniek liet zien hoeveel water in de kristallen zat en hoeveel er in de smelt achterbleef.

De smelt bleek steeds rijker aan water dan de kristallen, maar het aandeel dat bridgmaniet opnam groeide sterk met de temperatuur.

Artikel gaat verder onder de afbeelding.

Onder de extreme omstandigheden van de vroege aarde kon het mineraal daardoor verrassend veel water in zijn kristalrooster opnemen, veel meer dan eerdere experimenten bij lagere temperaturen hadden doen vermoeden.

De onderzoekers combineerden hun metingen met een computermodel dat het stollen van de magma-oceaan nabootst. Volgens dat model bevatte de jonge magma-oceaan mogelijk tussen één en twaalf keer zoveel water als alle huidige oceanen samen, waarvan zo’n 62 procent van het in vast gesteente gebonden water in de onderste mantel terechtkwam.

De bovenste mantel en de overgangszone op zo’n vierhonderd tot zevenhonderd kilometer diepte kwamen elk uit op ongeveer negentien procent.

Dat staat haaks op eerdere modellen, die ervan uitgingen dat de onderste mantel vrijwel droog was omdat eerdere experimenten bij lagere temperaturen precies dit effect over het hoofd zagen.

Het model verklaart tegelijk waarom er toch oceanen konden ontstaan. De laatste smelt die zich dicht bij het aardoppervlak verzamelde was namelijk extreem rijk aan water, waaruit de eerste zeeën ontstonden terwijl diep in de aarde een enorm onzichtbaar waterreservoir achterbleef.

Geen starre massa maar een systeem

De aardmantel is geen starre massa maar een systeem dat langzaam in beweging is, waarbij heet materiaal opstijgt terwijl oceanische platen met water weer in de diepte verdwijnen.

In die kringloop kan het vroeg opgeslagen water geleidelijk naar het oppervlak komen, waarop de lava van sommige vulkanische oceaaneilanden met haar zeer oorspronkelijke chemische kenmerken lijkt te wijzen.

Water in de mantel verlaagt bovendien het smeltpunt van gesteente, wat de bewegingen in de mantel en het vulkanisme beïnvloedt die op hun beurt het klimaat en de vorming van continenten mede bepaalden.

Veel vragen blijven nog open, maar de studie laat zien dat een belangrijk deel van de geschiedenis van het water mogelijk diep in onze planeet begon.