Superkritisches Wasser im Erdinnern

Die Erde ist der einzige uns bekannte Planet, der Wasser in gewaltigen Mengen und in allen drei Phasenzuständen aufweist. Aber der irdische Allerweltsstoff Wasser hat sehr ungewöhnliche Eigenschaften, die dann zutage treten, wenn man ihn unter hohen Druck und hohe Temperaturen bringt.

Eine deutsch-finnisch-französische Forschergruppe veröffentlichte in der neuen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), was geschieht, wenn man Wasser unter Druck- und Temperaturbedingungen bringt, wie sie in der tiefen Erde herrschen. Bei Drücken über 22 MPa und Temperaturen über 374°C, jenseits des kritischen Punktes, wird Wasser zu einem sehr aggressiven Lösungsmittel, ein Umstand, der entscheidend für die Physikochemie des Erdmantels und der Erdkruste ist.

„Ohne Wasser im Erdinneren gäbe es keine Stoffkreisläufe und keine Tektonik. Aber wie das Wasser im oberen Erdmantel und in der Erdkruste wirkt, ist immer noch Gegenstand intensiver Forschung“, sagte Dr. Max Wilke vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, der zusammen mit seinem Kollegen Dr. Christian Schmidt und einem Team der TU Dortmund die Experimente durchführte.

Die Forschergruppe brachten dazu das Wasser ins Labor. Zunächst wurde die mikroskopische Struktur von Wasser in Abhängigkeit von Druck und Temperatur experimentell mithilfe von Röntgen-Raman-Streuung untersucht. Dazu wurde die Diamantstempelzellen des GFZ an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble benutzt, in denen sehr kleine Wasserproben eingeschlossen, geheizt und auf immer höhere Drücke gebracht wurden. Die Analyse der Daten erfolgte mit Hilfe von molekulardynamischen Simulationsrechnungen durch den GFZ-Wissenschaftler Sandro Jahn.

„Die Studie zeigt, dass die Struktur des Wassers sich kontinuierlich von einer geordneten vernetzten Struktur zu einer ungeordneten, gering vernetzten Struktur bei überkritischen Bedingungen entwickelt“, erläutert Max Wilke.

„Die Kenntnis dieser strukturellen Eigenschaften des Wassers in der tiefen Erde ist eine wichtige Grundlage zum Verständnis von chemischen Verteilungsprozessen in metamorphen und magmatischen Prozessen.“ Die Studie ermöglicht eine bessere Abschätzung des Verhaltens von Wasser unter Extrembedingungen bei geochemischen und geologischen Prozessen . Man nimmt an, dass die besonderen Eigenschaften von überkritischem Wasser auch das Verhalten von Magma steuert.

Sahle Ch.J., Sternemann C., Schmidt C., Lehtola S., Jahn S., Simonelli L., Huotari S., Hakala M., Pylkkänen T., Nyrow A., Mende K., Tolan M., Hämäläinen K., Wilke M. (2013) Microscopic structure of water at elevated temperatures and pressures. PNAS, http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1220301110