Stabilität und Verteilung dichter hydrierter Magnesiumsilicate in der Mantel-Übergangszone unter Bedingungen niedriger Wasseraktivität

Wasser, das tief im Inneren der Erde verborgen ist

Tief unter unseren Füßen fließt Wasser nicht nur als Flüssigkeit — es ist in Kristallen eingeschlossen und steuert mit, wie unser Planet funktioniert. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache Frage: Wenn ozeanische Platten tief in die Erde absinken, wie viel ihres Wassers kann wirklich eine wichtige Grenze in mehreren Hundert Kilometern Tiefe passieren? Die Antwort ist entscheidend, um zu verstehen, wie Vulkane entstehen und wie viel Wasser der Planet in seinem Gesteinsinneren speichern könnte.

Wohin die sinkende Platte ihr Wasser mitnimmt

Wenn eine ozeanische Platte in den Mantel eintaucht, trägt sie Wasser, das in Mineralen wie Serpentin und verwandten hydratischen Gesteinen gebunden ist. Während die Platte absinkt und sich erwärmt, zerfallen die meisten dieser Minerale und setzen ihr Wasser frei, das aufsteigt und Magmen und Vulkanen zufließt. Nur ein Bruchteil des ursprünglichen Wassers erreicht die Mantel-Übergangszone, eine mittlere Schicht zwischen etwa 410 und 660 Kilometern Tiefe. Geologen diskutieren seit langem, ob spezielle hydrierte Minerale, die dichten hydrierten Magnesiumsilicate, in dieser Zone die Hauptträger des tiefen Wassers werden können.

Die Tiefen der Erde im Labor nachstellen

Um diese Idee zu prüfen, komprimierten und erhitzten die Autoren einfache Mischungen aus Magnesium, Silizium und Wasser auf Drücke und Temperaturen, wie sie in der Mantel-Übergangszone herrschen. Durch sorgfältiges Variieren des Gesamtwassergehalts von sehr trocken bis mäßig feucht beobachteten sie, welche Minerale bei 16 und 21,5 Gigapascal und 1400 Kelvin entstanden. Mikroskopische Bildgebung und präzise Messungen des Wassers in einzelnen Kristallen ermöglichten es ihnen nachzuvollziehen, wo der Wasserstoff im Gestein tatsächlich gebunden wurde.

Kristalle, die Wasser aufsaugen

Die Experimente zeigen, dass zwei verbreitete Mantelminerale, Wadsleyit und Ringwoodit, wie leistungsfähige Schwämme wirken. Solange der Gesamtwassergehalt unter etwa 1,2 Gewichtsprozent bleibt, wird nahezu das gesamte Wasser in diese Minerale als winzige Defekte in ihrer Kristallstruktur aufgenommen, statt als separate hydrierte Phasen aufzutreten. Erst wenn diese Schwelle überschritten wird, beginnen dichte hydrierte Magnesiumsilicate zu erscheinen; selbst dann wachsen sie zulasten von Wadsleyit und Ringwoodit. Massenbilanzen, die alle Komponenten des Systems berücksichtigen, bestätigen, dass diese Ergebnisse über ein breites Kompositionsspektrum konsistent sind.

Warum der tiefe Mantel relativ trocken bleibt

Natürliche subduzierende Platten, selbst in ungewöhnlich kalten und feuchten Regionen wie dem Marianengraben, tragen selten mehr als etwa 1 Gewichtsprozent Wasser, nachdem sich oberflächennahe hydratische Minerale zersetzt haben. Das bedeutet, dass sie typischerweise unterhalb der Schwelle liegen, die nötig wäre, um die wasserreichen Silicate zu stabilisieren. Stattdessen bleibt Wasser größtenteils in den nominell trockenen Mineralen als Kristalldefekte gebunden, wodurch es leichter auslaufen oder umverteilt werden kann, bevor größere Tiefen erreicht werden. Zusätzliche Komplikationen, etwa die Anwesenheit von Kohlendioxid, senken die effektive Wasseraktivität weiter und erschweren die Bildung dieser dichten hydrierten Phasen in realen Gesteinen noch zusätzlich.

Was an der Grenze bei 660 Kilometern passiert

Wenn die Platte die Grenze bei etwa 660 Kilometern passiert, zerfällt Ringwoodit in unteremantleare Minerale, die nur sehr wenig Wasser aufnehmen können. Das überschüssige Wasser bildet dann kleine Schmelzansammlungen, die eher dazu neigen, sich zu sammeln oder aufzusteigen, als weiter nach unten gezogen zu werden. Nur wenige sehr stabile, aluminiumreiche hydrierte Phasen können noch eine begrenzte Menge Wasser tiefer transportieren. Insgesamt kommt die Studie zu dem Schluss, dass die Mantel-Übergangszone eher als Blockade denn als Autobahn für den Tiefwassertransport wirkt: Wadsleyit und Ringwoodit binden den Großteil des dortigen Wassers, und der großräumige Recyclingprozess von Ozeanwasser in den unteren Mantel ist wahrscheinlich begrenzt.

Zitation: Song, Y., Guo, X., Zhai, K. et al. Stability and distribution of dense hydrous magnesium silicates in the mantle transition zone under low water activity conditions. Commun Earth Environ 7, 265 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03379-1

Schlüsselwörter: Mantel-Übergangszone, Subduktions-Wasserkreislauf, Wadsleyit und Ringwoodit, tiefe Erdhydratation, hydrische Mantelminerale