En vattenkista gömmer sig mer än 400 mil under dina fötter.
Det är där jordens mantel möter jordskorpan. Geovetenskapsmän hade länge tänkt att under denna övergångszon (börjar på 255 miles, eller 410 km, djup) var ett vattenfylldt mineral som kallas brucite instabilt och så sönderdelades, och skickade vattenmolekyler som strömmade mot planetens yta.
Men ny forskning antyder att innan brucite - som är 50 procent magnesiumoxid och 50 procent vatten - sönderdelas, förvandlas den till en annan, mer stabil 3D-struktur. Upptäckten, detaljerad online 21 november i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, innebär att det finns ett vattenstänk som ligger djupare i jorden än man tidigare trodde.
"förväntades inte helt", säger studiens medförfattare Andreas Hermann, föreläsare i beräkningsfysik vid University of Edinburgh i Skottland. "för att människor har studerat detta material i årtionden och ingen tänkt någonsin att se om det skulle finnas en annan fas innan det så småningom föll ihop."
Söker djup jorden
Forskare trodde tidigare att brucite förblev stabil endast så långt som övergångszonen, ett 250 mil djupt (250 km) skikt strax under den övre manteln. Delvis informerade mineralens struktur om denna uppfattning. Brucite är ett skiktat material där molekylerna i varje skikt är starkt bundna till varandra men svagt förbundna med andra skikt. Ett material som detta, om det pressas med tillräckligt med tryck, måste genomgå någon form av förändring. Forskare antog tidigare att som svar på övergångszontrycket, som når cirka 200 000 atmosfärer, brucite skulle smulas. (En atmosfär är ungefär är trycket vid havsnivån).
Om han inte kunde undersöka djupa jorden direkt använde Hermann och hans medförfattare, Mainak Mookherjee, professor i geologi vid Florida State University, kvantmekaniska beräkningar och analyserade olika möjliga strukturer för brucite under djupa jordförhållanden.
"Det här är databaserad databehandling", sa Hermann. "Vi skapar tusentals strukturer, optimerar dem alla och gör beräkningar tillräckligt noga för att om något står ut som mer stabilt än något annat kan vi pålitligt säga att det är så."
Brucite är ett väl studerat och relativt enkelt mineral. Trots det sa Hermann att nyckeln till de nya beräkningarna ignorerade befintliga antaganden om brucite. Efter flera månader med att ha kört olika strukturer genom sitt datorprogram, fann forskarna en tidigare okänd fas av brucite som skulle kunna motstå det höga trycket som finns i den nedre manteln.
Även med den nya fasen av brucite kan forskare fortfarande inte direkt mäta mängden ämne i manteln eller hur mycket vatten mineralet rymmer. Emellertid, Hermann och Mookherjee gjorde ut elastiska egenskaper för den nya fasen av brucite. Genom att veta detta, sa Hermann, kan seismologer kunna upptäcka hur mycket brucite som finns i manteln eftersom signaturerna av jordbävningar skiljer sig ut beroende på elasticiteten i berget genom vilket de reser.
Varför brucite betyder något
Nuvarande uppskattningar tyder på att den djupa jorden kan hålla lika mycket vatten som alla hav på planets yta tillsammans. Denna vattenbehållare, och den ytterligare trove-bruciten kan också innehålla, är mycket viktigt för materialets rörelse genom jorden. När vatteninnehållande mineraler reser ner genom jordens lager, sönderdelas materialen så småningom och släpper ut vattnet som tar sig tillbaka till ytan, ofta genom vulkanisk aktivitet.
Vatten är viktigt för återvinning av mineraler genom vulkanism och plattaktonik, eftersom det ger den smörjning som krävs för att de olika bergmaterialen ska kunna röra sig förbi varandra, vilket sker i subduktionszoner. Det hjälper också vissa material att lösa sig när de går genom bergcykeln. Utan vatten, sa Hermann, skulle planeten stanna i en geologisk stillastånd. Detta betyder ingen ny skorpa eller jord, och en stopp i vulkanismen; dessa förändringar kan ha katastrofala effekter på planetens land och atmosfär.
Bortsett från potentiellt förändrade forskares förståelse för vattenreservoarer långt under jordytan, sa Hermann att denna forskare är ett nytt sätt att tänka på den djupa jorden i allmänhet. Forskarna skulle inte ha hittat den nya fasen om de hade gynnat den accepterade versionen, sade han.
