En vannkule gjemmer seg kanskje mer enn 400 kilometer under føttene dine.
Det er der jordens mantel møter jordskorpen. Geovitenskapsmenn hadde lenge trodd at under denne overgangssonen (starter på 255 miles, eller 410 km, dyp) var et vannfylt mineral kalt brucite ustabilt og så dekomponert, og sendte vannmolekyler som strømmet mot planetens overflate.
Men ny forskning antyder at før brucitt - som er 50 prosent magnesiumoksyd og 50 prosent vann - brytes ned, forvandles det til en annen, mer stabil 3D-struktur. Funnet, som er detaljert online 21. november i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences, betyr at det er en mengde vann som ligger dypere i jorden enn man tidligere trodde.
"var ikke helt forventet," sa studieforfatter Andreas Hermann, foreleser i beregningsfysikk ved University of Edinburgh i Skottland. "fordi folk har studert dette materialet i flere tiår, og ingen har tenkt på å se om det ville være en annen fase før det til slutt falt fra hverandre."
Probing dyp jord
Forskere trodde tidligere at brucitt forble stabilt bare så langt som overgangssonen, et 250 mil dypt lag (250 km) like under den øvre mantelen. Delvis informerte mineralets struktur om dette synet. Brucite er et lagdelt materiale der molekylene i hvert lag er sterkt bundet til hverandre, men svakt forbundet med andre lag. Et materiale som dette, hvis det klemmes med nok trykk, må gjennomgå en slags endring. Forskere antok tidligere at som svar på overgangssone-presset, som når rundt 200 000 atmosfærer, ville brucite smuldre opp. (En atmosfære er tilnærmet er trykket ved havnivået).
Ikke i stand til å undersøke den dype jorden direkte, Hermann og hans medforfatter, Mainak Mookherjee, professor i geologi ved Florida State University, brukte kvantemekaniske beregninger for å analysere forskjellige mulige strukturer for brucite under dyptgående jordforhold.
"Dette er databehandling av store data," sa Hermann. "Vi lager tusenvis av strukturer, optimaliserer dem alle og gjør beregninger nøyaktige nok til at hvis noe fremstår som mer stabilt enn noe annet, kan vi pålitelig si at det er slik."
Brucite er et godt undersøkt og relativt enkelt mineral. Likevel sa Hermann at nøkkelen til de nye beregningene var å ignorere eksisterende antakelser om brucite. Etter flere måneder med å ha kjørt forskjellige strukturer gjennom dataprogrammet sitt, fant forskerne en tidligere ukjent fase av brucite som ville være i stand til å motstå det høye trykket som ble funnet i den nedre mantelen.
Selv med denne nye fasen med brucitt, er forskere fremdeles ikke i stand til å direkte måle mengden av stoffet i mantelen eller hvor mye vann mineralet inneholder. Imidlertid fant Hermann og Mookherjee ut de elastiske egenskapene til den nye fasen av brucite. Når vi visste dette, sa Hermann, kan seismologer være i stand til å oppdage hvor mye brucitt som er i mantelen fordi signaturene til jordskjelv er forskjellige basert på elastisiteten til berget de beveger seg gjennom.
Hvorfor brucite betyr noe
Nåværende estimater antyder at den dype jorden kan inneholde like mye vann som alle verdenshavene på planetens overflate samlet. Dette vannreservoaret, og den ekstra troce brucite som også kan inneholde, er svært viktig for bevegelsen av materialer gjennom jorden. Når vannholdige mineraler beveger seg ned gjennom jordas lag, brytes materialene etter hvert ned, og frigjør vannet som tar veien tilbake til overflaten, ofte gjennom vulkansk aktivitet.
Vann er avgjørende for resirkulering av mineraler gjennom vulkanisme og platetektonikk, fordi det gir smøringen som er nødvendig for at de forskjellige bergartene skal bevege seg forbi hverandre, slik som forekommer i subduksjonssoner. Det hjelper også at noen materialer løses opp når de beveger seg gjennom bergsyklusen. Uten vann, sa Hermann, ville planeten komme i en geologisk stillstand. Dette betyr ingen ny skorpe eller jord, og stopp i vulkanismen; disse endringene kan ha katastrofale effekter på planetens land og atmosfære.
Bortsett fra potensielt skiftende forskeres forståelse av vannmagasiner langt under jordoverflaten, sa Hermann at denne forskningen mester en ny måte å tenke på den dype jorden generelt. Forskerne ville ikke funnet denne nye fasen hvis de hadde foretrukket den aksepterte versjonen, sa han.
