Als we een reis van het aardoppervlak naar het centrum zouden maken, het midden ligt ongeveer op 1900 km diepte in de onderste mantel. De onderste mantel varieert van 660 tot 2900 km diepte en beslaat 55% van onze planeet qua volume. De chemische samenstelling van de onderste mantel is vrij eenvoudig. Het is al lang afgebeeld als bestaande uit 2 belangrijke mineralen (~ 95%) namelijk bridgmanite en ferroperiklaas. Onlangs, dit model werd direct uitgedaagd door een reeks ontdekkingen in de lagere mantel.

"Een van de belangrijkste composities van de lagere mantel, ferroperiklaas (Mg, Fe)O, verandert in een pyriet-achtige structuur bij het ontmoeten van water. Deze intrigerende chemische reactie vindt alleen plaats in de diepe onderste mantel van de aarde, die wordt gedefinieerd in diepten tussen 1900 en 2900 km, " zei Qingyang Hu van HPSTAR. "De reactie produceert zogenaamde zuurstofovermatige fasen, of gewoon superoxiden. De onderste mantel wordt geoxideerd in aanwezigheid van water." In het algemeen, wanneer alle zuurstofatomen in een verbinding zijn gebonden met metaalatomen, ze worden oxiden genoemd. Echter, als een verbinding gepaarde zuurstofatomen heeft, zoals zuurstof-zuurstofbinding, het wordt een superoxide. Hoewel superoxide zelden in de natuur wordt aangetroffen, het kan gebruikelijk zijn in de diepe lagere mantel van de aarde.

"We vonden ook dat olivijn en zijn hogedrukfase-wadsleyiet, de dominerende mineralen in de bovenmantel, ontleden om superoxiden te genereren bij het onderdompelen in de diepe mantel met water, " toegevoegd door Jin Liu van bij HPSTAR. Er zijn maar weinig benaderingen beschikbaar voor wetenschappers om de mineralogie van de lagere mantel te onderzoeken, gezien zijn diepte. "Onze experimenten zijn zeer uitdagend. We voeren geschikte parameters in, zoals druk, temperatuur, en startmineralen. Daarna hebben we de output onderzocht, inclusief chemische reacties, nieuwe minerale assemblages, en hun dichtheidsprofielen. Die parameters stellen ons in staat om de aard van de onderste mantel en zijn oxidatietoestand beter te beperken. In tegenstelling tot het paradigma dat de onderste mantel sterk gereduceerd is, onze resultaten geven aan dat de diepe onderste mantel op zijn minst lokaal wordt geoxideerd waar water aanwezig is."

De teamleden gingen verder met mineralen die op het aardoppervlak aanwezig waren, door ze tussen twee stukken diamanten aambeelden te persen om ongeveer 100 te genereren, 000, 000 keer de atmosferische druk op zeeniveau, ze opwarmen met een infraroodlaser, alvorens de monsters te analyseren met behulp van een batterij röntgen- en elektronensondes. De experimenten hebben de extreme druk-temperaturen nagebootst die worden aangetroffen in de diepe lagere mantel van de aarde.

Eerdere experimenten onderzochten een droge minerale samenstelling in afwezigheid van water. Die experimenten meldden dat bridgmanite (en/of post-bridgmanite) en ferropericlase de meest voorkomende en stabiele mineralen zijn in de onderste mantel. Echter, wanneer water wordt ingevoerd, ferropericlase zou gedeeltelijk worden geoxideerd tot superoxide onder de diepe lagere mantelomstandigheden. Het is geverifieerd dat het superoxide in harmonie blijft met bridgmanite en post-bridgmanite.

Deze nieuwe watermantelchemie kan nauw worden verbonden met de waterkringloop in de vaste aarde. Elk jaar, miljarden tonnen oceaanwater vallen in de diepe aarde op de grenzen van tektonische platen. Terwijl wat water terugkeert via onderwatervulkanen en hete ventilatieopeningen, sommige gaan diep in het binnenste van de aarde. "Onze experimenten geven aan dat het diepe water een essentieel onderdeel is van de mantelchemie. De waterkringloop kan zich uitstrekken tot de diepe lagere mantel waar water een buitengewoon oxidatievermogen heeft, het produceren van sterk geoxideerd superoxide en het vrijgeven van waterstof, " stelde Dr. Ho-kwang Mao van HPSTAR voor. "De onderste mantel kan tegelijkertijd worden geoxideerd en gereduceerd."