Wasserstoffdiffusion in das Erdinnere

Subduktionszonen sind geologischen Regionen, in denen zwei tektonische Platten (Teile der Lithosphäre der Erde) heftig kollidieren, was dazu führt, dass sie sich übereinanderschrieben und  eine von ihnen im Erdmantel versinkt. Im allgemeinen Bewegungen erleichtern die ozeanische Lithosphäre (Kruste und der obere Mantels der Ozeanen) den Einbau von Wasser in wasserhaltige Mineralien. Während der Subduktion sind einige dieser wasserhaltigen Mineralien partiell dehydriert, wodurch eine flüssige Phase entsteht.

Ein Teil des Wassers geht zurück bis zur Erdoberfläche und ein Teil wird in den tiefen Erdmantel durch nominell wasserfreie Mineralien (nominally anhydrous minerals, NAM) transportiert. Das EU-finanzierte Projekt "Hydrogen incorporation in subducting lithosphere after dehydration reactions" (HISLA-DR) nahm sich vor, die schlecht verstanden Mechanismen der Wasserübertragung auf NAM zu erkunden.

Die Wissenschaftler sammelten zunächst neue Daten über die Wasserstoffdiffusion in NAM, insbesondere Olivin. Es wurden Laborexperimente durchgeführt, die gut eingegrenzte wasserhaltigen Defektchemie nutzte, und denen eine Sammlung von Gesteinsproben aus Hochdruck-Metaperidotiten (z.B. aus den Ostalpen) folgte. Die Analyse des Wasserstoffgehalts in NAM aus den Feldproben bildet den umfassendsten Datensatz zum Wassergehalt in natürlichen Peridotiten aus Subduktionszonen.

Aus Experimenten geht hervor, dass die Diffusion von Wasserstoff im Olivin-Gitter könnte entweder die Schnellste aller Arten oder um Größenordnungen langsamer sein. Wissenschaftler haben diese Rate mit Defekten verbunden, in denen Wasserstoff gebunden ist.  Wasserstoff, der mit den häufigsten Defekten in Olivin im oberen Erdmantel verbunden ist, diffundiert bis zu 1 000 Mal langsamer als bisher angenommen.

Proben aus den Alpen und Daten aus Laborexperimenten  demonstrieren die Konservierung von Wasser über lange Zeiträume und die Korrelation des Wasserstoffgehalt mit Temperatur und Druck. Beide unterstützen die beobachteten langsamen Wasserstoffdiffusionskoeffizienten. Kombinierte Feld- und Labordaten ermöglichen zum ersten Mal eine quantitative Bewertung der maximalen Wasserkapazität in NAM in Subduktionszonen, was darauf hindeutet, dass der Mantelkeil als Wasserreservoir dient.

Subduktionszonen sind die geologisch aktiven Regionen auf der Erde, sie spielten eine entscheidende Rolle bei seismischen Ereignissen und Vulkanausbrüchen. HISLA-DR hat einen tiefgehenden Einblick in dynamische wässrigen Ereignisse in diesen Regionen geliefert und eine wichtige Wissenslücke gefüllt sowie Einblicke in relevante Gefahrenprävention gegeben.