Slow-motion kollisioner av tektoniska plattor under havet drar ungefär tre gånger mer vatten ner i den djupa jorden än tidigare uppskattat, enligt en första i sitt slag seismisk studie som sträcker sig över Marianergraven.

Observationerna från den djupaste havsgraven i världen har viktiga konsekvenser för det globala vattnets kretslopp, enligt forskare inom Arts &Sciences vid Washington University i St. Louis.

"Folk visste att subduktionszoner kunde få ner vatten, men de visste inte hur mycket vatten, sade Chen Cai, som nyligen avslutade sina doktorandstudier vid Washington University. Cai är den första författaren till studien som publicerades i numret 15 november av tidskriften Natur .

"Denna forskning visar att subduktionszoner flyttar mycket mer vatten in i jordens djupa inre - många miles under ytan - än vad man tidigare trott, sa Candace Major, en programdirektör vid National Science Foundations avdelning för havsvetenskaper, som finansierade studien. "Resultaten belyser subduktionszonernas viktiga roll i jordens vattenkretslopp."

"Tidigare uppskattningar varierar mycket i mängden vatten som subduceras djupare än 60 miles, sa Doug Wiens, Robert S. Brookings Distinguished Professor in Earth and Planetary Sciences in Arts &Sciences och Cais forskningsrådgivare för studien. "Den huvudsakliga källan till osäkerhet i dessa beräkningar var den initiala vattenhalten i den subducerande översta manteln."

För att genomföra denna studie, forskare lyssnade på mer än ett års mullrande från jorden – från omgivande buller till faktiska jordbävningar – med hjälp av ett nätverk av 19 passiva, havsbottenseismografer utplacerade över Mariangraven, tillsammans med sju ö-baserade seismografer. Graven är där den västra Stilla havets plattan glider under Mariana-plattan och sjunker djupt in i jordens mantel när plattorna långsamt konvergerar.

De nya seismiska observationerna målar upp en mer nyanserad bild av Stillahavsplattan som böjer sig in i diket - löser upp dess tredimensionella struktur och spårar de relativa hastigheterna för typer av sten som har olika kapacitet att hålla vatten.

Sten kan greppa och hålla fast vid vatten på en mängd olika sätt.

Havsvatten på toppen av plattan rinner ner i jordskorpan och den övre manteln längs förkastningslinjerna som spetsar det område där plattorna kolliderar och böjer sig. Då fastnar den. Under vissa temperatur- och tryckförhållanden, kemiska reaktioner tvingar vattnet till en icke-flytande form eftersom vattenhaltiga mineraler – våta stenar – låser in vattnet i berget i den geologiska plattan. Hela tiden, plattan fortsätter att krypa allt djupare in i jordens mantel, ta med sig vattnet.

Tidigare studier på subduktionszoner som Mariana Trench har noterat att subduktionsplattan kunde hålla vatten. Men de kunde inte avgöra hur mycket vatten den höll och hur djup den gick.

"Tidigare konventioner baserades på aktiva källstudier, som bara kan visa de översta 3-4 miles in i den inkommande plattan, " sa Cai.

Han syftade på en typ av seismisk studie som använder ljudvågor skapade med sprängningen av en luftpistol från ett havsforskningsfartyg för att skapa en bild av bergstrukturen under ytan.

"De kunde inte vara särskilt exakta om hur tjock den är, eller hur återfuktad den är, " Sai Cai. "Vår studie försökte begränsa det. Om vatten kan tränga djupare in i plattan, den kan stanna där och föras ner till djupare djup."

De seismiska bilderna som Cai och Wiens fick visar att området med hydratiserat berg vid Mariangraven sträcker sig nästan 20 miles under havsbotten - mycket djupare än man tidigare trott.

Mängden vatten som kan hållas i detta block av hydratiserad sten är avsevärd.

Bara för regionen Mariana Trench, fyra gånger fler vattensubdukter än tidigare beräknat. Dessa egenskaper kan extrapoleras för att förutsäga förhållandena under andra havsgravar över hela världen.

"Om andra gamla, kalla subducerande plattor innehåller liknande tjocka lager av vattenhaltig mantel, då måste uppskattningar av det globala vattenflödet in i manteln på djup större än 60 miles ökas med en faktor på cirka tre, " sa Wiens.

Och för vatten i jorden, det som går ner måste komma upp. Havsnivåerna har förblivit relativt stabila över geologisk tid, varierar med mindre än 1, 000 fot. Detta betyder att allt vatten som går ner i jorden vid subduktionszoner måste komma tillbaka upp på något sätt, och inte kontinuerligt hopar sig inne i jorden.

Forskare tror att det mesta av vattnet som går ner i diket kommer tillbaka från jorden till atmosfären som vattenånga när vulkaner får utbrott hundratals kilometer bort. Men med de reviderade uppskattningarna av vatten från den nya studien, mängden vatten som kommer in i jorden verkar avsevärt överstiga mängden vatten som kommer ut.

"Uppskattningarna av vatten som kommer tillbaka ut genom vulkanbågen är förmodligen mycket osäkra, sa Wiens, som hoppas att denna studie kommer att uppmuntra andra forskare att ompröva sina modeller för hur vatten flyttar tillbaka ut ur jorden. "Denna studie kommer förmodligen att orsaka en omvärdering."

På väg bortom Mariangraven, Wiens tillsammans med ett team av andra forskare har nyligen utplacerat ett liknande seismiskt nätverk offshore i Alaska för att överväga hur vatten flyttas ner i jorden där.

"Varierar mängden vatten avsevärt från en subduktionszon till en annan, baserat på vilken typ av fel som du har när plattan böjs?" frågade Wiens. "Det har förekommit förslag på det i Alaska och i Centralamerika. Men ingen har ännu tittat på den djupare strukturen som vi kunde göra i Mariangraven."