Övergångszonen mellan jordens övre och nedre mantel innehåller avsevärda mängder vatten, enligt en internationell studie som involverar Institutet för Geovetenskap vid Goethe-universitetet i Frankfurt. Det tysk-italiensk-amerikanska forskarteamet analyserade en sällsynt diamant bildad 660 meter under jordens yta med hjälp av tekniker inklusive Raman-spektroskopi och FTIR-spektrometri. Studien bekräftade något som länge bara var en teori, nämligen att havsvatten följer med subducerande plattor och därmed går in i övergångszonen. Det betyder att vår planets vattenkretslopp inkluderar jordens inre.

Övergångszonen (TZ) är namnet på gränsskiktet som skiljer jordens övre mantel och den nedre manteln. Den ligger på ett djup av 410 till 660 kilometer. Det enorma trycket på upp till 23 000 bar i TZ gör att det olivgröna mineralet olivin, som utgör cirka 70 % av jordens övre mantel och även kallas peridot, ändrar sin kristallina struktur. Vid den övre gränsen av övergångszonen, på ett djup av cirka 410 kilometer, omvandlas den till tätare wadsleyit; vid 520 kilometer omvandlas den sedan till ännu tätare ringwoodit.

"Dessa mineralomvandlingar hindrar kraftigt bergets rörelser i manteln", förklarar prof. Frank Brenker från Institutet för geovetenskap vid Goethe-universitetet i Frankfurt. Till exempel stannar mantelplymer – stigande pelare av het berg från den djupa manteln – ibland direkt under övergångszonen. Massans rörelse i motsatt riktning stannar också. Brenker säger, "Subducerande plåtar har ofta svårt att bryta igenom hela övergångszonen. Så det finns en hel kyrkogård av sådana plåtar i denna zon under Europa."

Men hittills var det inte känt vad de långsiktiga effekterna av att "suga" in material i övergångszonen hade på dess geokemiska sammansättning och om det fanns större mängder vatten där. Brenker förklarar:"De subducerande plattorna bär också djuphavssediment piggy-back in i jordens inre. Dessa sediment kan innehålla stora mängder vatten och CO₂ . Men hittills var det oklart hur mycket som kommer in i övergångszonen i form av mer stabila, vattenhaltiga mineraler och karbonater – och det var därför också oklart om stora mängder vatten verkligen lagras där."

De rådande förhållandena skulle säkert gynna det. De täta mineralerna wadsleyit och ringwoodite kan (till skillnad från olivinen på mindre djup) lagra stora mängder vatten – faktiskt så stora att övergångszonen teoretiskt skulle kunna absorbera sex gånger så mycket vatten i våra hav. "Så vi visste att gränsskiktet har en enorm kapacitet att lagra vatten", säger Brenker. "Men vi visste inte om det faktiskt gjorde det."

En internationell studie där geoforskaren från Frankfurt var inblandad har nu gett svaret. Forskargruppen analyserade en diamant från Botswana, Afrika. Den bildades på ett djup av 660 kilometer, precis vid gränsytan mellan övergångszonen och den nedre manteln, där ringwoodit är det rådande mineralet. Diamanter från denna region är mycket sällsynta, även bland de sällsynta diamanterna av superdjupt ursprung, som bara står för 1% av diamanterna. Analyserna visade att stenen innehåller många ringwooditinneslutningar - som uppvisar en hög vattenhalt. Vidare kunde forskargruppen fastställa stenens kemiska sammansättning. Det var nästan exakt detsamma som i praktiskt taget varje fragment av mantelsten som finns i basalter var som helst i världen. Detta visade att diamanten definitivt kom från en normal del av jordens mantel. "I den här studien har vi visat att övergångszonen inte är en torr svamp, utan rymmer avsevärda mängder vatten," säger Brenker och tillägger:"Detta tar oss också ett steg närmare Jules Vernes idé om ett hav inuti jorden." Skillnaden är att det inte finns något hav där nere, utan vattenhaltigt berg som, enligt Brenker, varken skulle kännas blött eller droppa vatten.

Vattenhaltig ringwoodit upptäcktes först i en diamant från övergångszonen så tidigt som 2014. Brenker var också involverad i den studien. Det gick dock inte att fastställa stenens exakta kemiska sammansättning eftersom den var för liten. Det förblev därför oklart hur representativ den första studien var för manteln i allmänhet, eftersom vatteninnehållet i den diamanten också kan ha varit ett resultat av en exotisk kemisk miljö. Däremot var inneslutningarna i den 1,5 centimeter stora diamanten från Botswana, som forskargruppen undersökte i denna studie, tillräckligt stora för att den exakta kemiska sammansättningen skulle kunna bestämmas, och detta gav en slutlig bekräftelse på de preliminära resultaten från 2014.

Övergångszonens höga vattenhalt har långtgående konsekvenser för den dynamiska situationen inne i jorden. Vad det leder till syns till exempel på de varma mantelplymerna som kommer underifrån och som fastnar i övergångszonen. Där värmer de upp den vattenrika övergångszonen, vilket i sin tur leder till att det bildas nya mindre mantelplymer som absorberar vattnet som lagras i övergångszonen. Om dessa mindre vattenrika mantelplymer nu vandrar vidare uppåt och bryter igenom gränsen till den övre manteln, händer följande:Vattnet som finns i mantelplymerna släpps ut, vilket sänker smältpunkten för det framträdande materialet. Den smälter därför omedelbart och inte precis innan den når ytan, som det brukar hända. Som ett resultat är bergmassorna i denna del av jordmanteln inte längre lika tuffa totalt sett, vilket ger massrörelserna mer dynamik. Övergångszonen, som annars fungerar som en barriär för dynamiken där, blir plötsligt en drivkraft för den globala materialcirkulationen. + Utforska vidare

Avancerade datorsimuleringar avslöjar spännande insikter om magma djupt under jordens yta