Forscher entdecken riesigen Ozean im Erdinneren

Tausende Kilometer tief unter unseren Füßen, dort, wo hoher Druck und Höllenhitze herrschen, könnte eine Art Ozean schlummern, der mehr Wasser enthält als alle Meere dieser Erde zusammen. Freilich nicht in Form blau schimmernder Wogen. Eher als verborgenes Reservoir. Eingebaut in Mineralien, gebunden in atomkleinen Kristallgittern. Eine Erkenntnis, die den Blick auf unseren Planeten und seine Jahrmilliarden währende Geschichte verändern könnte.

Denn eines der großen Rätsel der Geowissenschaften lautet seit Langem: Wie hat sich bei der Entstehung der Erde das Wasser verteilt? Wie konnte sich H₂O im Inneren halten, als die junge Welt noch eine glutheiße Kugel war, ein Planet im Ausnahmezustand, überzogen von einem Magmaozean? In dieser Phase, als der Mantel vielerorts flüssig war und erst allmählich feste Form annahm, entschieden sich die Grundzüge unseres Planeten: welche Stoffe in die Tiefe sanken, welche aufstiegen. Und welchen Weg sich das Wasser suchte, das später Flüsse, Wolken und Ozeane speisen sollte.

Forschende vom Guangzhou-Institut für Geochemie in China haben nun ein wichtiges Puzzleteil einer Antwort geliefert, publiziert im Fachjournal Science. Ihre Studie legt nahe, dass der tiefe Erdmantel vor Äonen deutlich mehr Wasser festhalten konnte als bislang angenommen. Und dass das häufigste Mineral dort unten eine Schlüsselrolle bei dem Prozess spielte.

Um die Ergebnisse der Untersuchung zu verstehen, muss man sich in die Zeit der frühen Erde versetzen. Nach ihrer Entstehung war unser Planet lange noch kein fester Himmelskörper, sondern eine weitgehend geschmolzene Welt. Gewaltige Einschläge aus dem jungen Sonnensystem – Kometen, Asteroiden, Protoplaneten – heizten den Erdmantel immer wieder auf. Erst ganz allmählich sollte der Globus abkühlen und der Magmaozean auf ihrer Oberfläche erstarren.

Dabei dominierte ein Mineral diesen Prozess besonders: Bridgmanit, ein Magnesium-Silikat, das heute rund 80 Prozent des Volumens des unteren Erdmantels ausmacht. Welche Stoffe Bridgmanit bei der Kristallisation einbaute und welche es eher der Schmelze überließ, hatte weitreichende Folgen für die spätere Gestalt der Erde.

Genau hier setzt die neue Studie der Wissenschaftler aus China an. Das Team untersuchte erstmals systematisch, wie sich Wasser zwischen frisch wachsendem Bridgmanit und der umgebenden Schmelze aufteilte. Und zwar unter Bedingungen, wie sie auf der frühen Erde herrschten. 

Dafür nutzten die Forschenden sogenannte Diamantstempelzellen: winzige Apparaturen, in denen Proben zwischen zwei geschliffenen Diamantspitzen eingeklemmt werden. Dreht man die Schrauben dieser Vorrichtung, kann der Druck auf das Hunderttausendfache des Atmosphärendrucks steigen. Die eingespannten Proben erhitzen die Forschenden mit Lasern auf mehr als 4.000 Grad Celsius. So ließen sie das Ausgangsmaterial vollständig schmelzen: wasserhaltiges Silikatglas, ein chemisches Analogon zum frühen Erdmantel.

Beim anschließenden Abkühlen begann sich in der Schmelze Bridgmanit zu bilden, genau so, wie es einst im Magmaozean der jungen Erde geschah. Mithilfe einer hochauflösenden Analysetechnik – der Nano-Sekundärionen-Massenspektrometrie – untersuchten die Forschenden, den Wassergehalt der winzigen Proben in Bereichen von weniger als einem Tausendstel Millimeter. So konnten sie exakt bestimmen, wie viel H₂O im festen Bridgmanit steckte – und wie viel in der umgebenden Schmelze verblieben war.

Das Ergebnis war eindeutig: Zwar war die Schmelze stets wasserreicher als der Kristall. Doch der Anteil des Wassers, den Bridgmanit aufnahm, wuchs stark mit der Temperatur. Und unter den Extrembedingungen der frühen Erde konnte das Mineral überraschend viel Wasser in sein Kristallgitter einbauen. Weit mehr, als frühere Experimente nahegelegt hatten. Ein Effekt, der den Blick auf den Wasserhaushalt der jungen Erde grundlegend verändert.

Mit diesen experimentellen Daten allein ist jedoch noch nicht erklärt, was sie für den ganzen Planeten bedeuten. Deshalb kombinierten die Forschenden ihre Messungen mit einem Computermodell, das die Erstarrung des Magmaozeans simuliert. Es beschreibt, wie der Erdmantel von unten nach oben auskristallisierte, und wie sich dabei H₂O zwischen festem Gestein und verbleibender Schmelze verteilte.

Demnach könnte der junge Magmaozean zwischen einer und rund zwölf "Ozeanmassen" Wasser enthalten haben. Eventuell also ein Vielfaches dessen, was heute in allen Weltmeeren herumschwappt. Entscheidend ist nun, was während der Kristallisation mit diesem Wasser geschah.

Das Modell zeigt: Bei den extrem hohen Temperaturen der frühen Erde konnte Bridgmanit einen erheblichen Teil dieses Wassers in sich aufnehmen, der in der Folge nicht nahe der Oberfläche, sondern tief im Inneren landete. Rund 62 Prozent des im festen Erdmantel gebundenen Wassers, so das Ergebnis, könnten im unteren Mantel gespeichert worden sein. Der obere Mantel und die sogenannte Übergangszone – eine Schicht in rund 400 bis 700 Kilometern Tiefe – kämen jeweils nur auf etwa 19 Prozent.

Diese Verteilung widerspricht bisherigen Annahmen fundamental. Frühere Modelle gingen davon aus, dass der untere Erdmantel fast trocken sei und nur wenige Prozent des Wassers enthalte. Der Grund für diese Fehleinschätzung liegt offenbar in der Temperatur: Frühere Experimente hatten die Wasseraufnahme von Bridgmanit bei deutlich niedrigeren Temperaturen untersucht – und damit genau jenen Effekt übersehen, der unter den Bedingungen der frühen Erde entscheidend war.

Gleichzeitig erklärt das Modell, warum dennoch Ozeane entstehen konnten. Die letzte Schmelze, die sich nahe der Erdoberfläche sammelte, war extrem wasserreich. Als diese Schmelze schließlich erstarrte oder H₂O freisetzte, konnten sich die ersten Meere bilden. Während im Untergrund ein riesiger, unsichtbarer Wasserspeicher zurückblieb.

Warum dieser verborgene Schatz bis heute relevant ist, zeigt ein gegenwärtiger Blick in das Innere des Planeten. Der Erdmantel ist kein starrer Block, sondern ein langsam zirkulierendes System. Über Millionen von Jahren steigt heißes Material aus der Tiefe auf, während an anderer Stelle ozeanische Platten mitsamt Wasser wieder in den Untergrund abtauchen. In diesem Kreislauf könnte das früh gespeicherte Wasser aus dem unteren Mantel nach und nach wieder an die Oberfläche gelangen.

Tatsächlich liefern einige Vulkane Hinweise darauf, dass solch uraltes Wasser bis heute existiert und ausgespien wird. So stammt die Lava bestimmter ozeanischer Inseln aus großer Tiefe und trägt chemische Signaturen, die auf sehr ursprüngliches H₂O hindeuten. Für die Forschenden ist das ein möglicher Fingerabdruck jenes Wassers, das schon in der Frühzeit der Erde im Mantel eingeschlossen wurde und nun stellenweise wieder an die Oberfläche gelangt.

Langfristig könnte dieser tiefe Wasserkreislauf sogar die Bewohnbarkeit des Planeten beeinflusst haben. Wasser im Mantel senkt den Schmelzpunkt von Gestein, beeinflusst die Zähigkeit des Materials und damit die Dynamik von Mantelbewegungen und Vulkanismus. Prozesse also, die über geologische Zeiträume das Klima, die Bildung von Kontinenten und letztlich auch lebensfreundliche Bedingungen auf der Erde mitbestimmt haben.

Zugleich bleiben viele Fragen offen. Wie viel des einst gespeicherten Wassers befindet sich heute tatsächlich noch in der Tiefe? Wie viel Flüssigkeit wurde über Jahrmilliarden wieder freigesetzt? Und gilt dieser Mechanismus auch für andere Gesteinsplaneten?

Die Studie liefert darauf noch keine endgültigen Antworten. Doch sie zeigt eindrücklich, wie sich mit modernen Hochdruckexperimenten und Computermodellen selbst jene Phase aus der grauen Vorzeit untersuchen lässt. Und sie legt nahe, dass ein wesentlicher Teil der Geschichte des Wassers – und damit auch der Geschichte des Lebens – nicht an der Oberfläche begann. Sondern tief im Inneren unseres Planeten.