Учёные открыли скрытый резервуар кислорода глубоко в недрах Земли
Учёные обнаружили, что расплавленная порода глубоко внутри Земли может хранить гораздо больше кислорода, чем считалось ранее. Открытие бросает вызов давним допущениям о магме и поднимает интригующую возможность: кислород, высвобождаемый из недр Земли, мог помочь преобразовать атмосферу планеты миллиарды лет назад.
Посредством экспериментов с высоким давлением и продвинутых компьютерных симуляций исследователи нашли, что магма может поглощать дополнительный кислород сверх того количества, которое обычно требуется её химическому составу. Этот скрытый кислород может обеспечивать ранее не признававшуюся связь между глубокими недрами Земли, вулканической активностью и развитием богатой кислородом атмосферы.
Исследование возглавили доктор Яньхао Линь и доктор Хо-кван Мао из Центра передовых исследований науки и технологий высоких давлений (HPSTAR) с профессором Хайяна Ню и профессором Вим ван Вестрененом. Результаты опубликованы в National Science Review.
Учёные ставят под сомнение давнее допущение о магме. Кислород — один из самых распространённых элементов внутри Земли, составляя более половины атомов в силикатных недрах планеты. Несмотря на обилие кислорода, учёные традиционно предполагали, что магма может содержать лишь определённое его количество. При таком понимании содержание кислорода определяется количествами и зарядовыми состояниями других элементов в расплавленной породе, включая кремний, магний и железо. Вода и углекислый газ ведут себя иначе: оба могут растворять в магме и позднее выходить как газы при снижении давления. Кислород, однако, обычно не рассматривался как отдельное летучее вещество, которое магма может поглощать и высвобождать. Новое исследование предполагает, что это допущение может потребовать изменения.
Экстремальное давление выявляет скрытый кислород в расплавленной породе. Учёные воссоздали условия глубоко внутри Земли. Они нагрели синтетическую версию базальта срединно-океанических хребтов, подвергнув образцы давлениям от нормального атмосферного до 7 гигапаскалей и температурам между 1200 и 1800 °C. Давление в 7 гигапаскалей примерно в 69 000 раз превышает атмосферное давление на поверхности Земли. Команда добавила оксид платины (PtO2), чтобы создать богатую кислородом среду и проверить, сколько дополнительного кислорода может поглотить расплавленная порода.
После экспериментов исследователи быстро охладили расплавленный материал, произведя стекло, сохранившее важные характеристики расплава. Результаты выявили яркую связь между давлением и хранением кислорода. При нормальном атмосферном давлении стекло содержало почти без излишка кислорода. При 7 гигапаскалях, однако, избыточный кислород составлял более 5% веса образца. Для сравнения, эксперименты без добавленного оксида платины при аналогичных условиях давали концентрации избыточного кислорода лишь 0,2–0,5% по весу. Используя спектроскопию комбинационного рассеяния, исследователи не нашли обнаружимой сигнатуры кислородного газа в стекле, что указывало: избыточный кислород стал частью структуры стекла, а не накопился в пузырьках.
Компьютерные симуляции раскрывают, как магма хранит лишний кислород. Профессор Ню возглавил серию теоретических компьютерных симуляций с использованием моделей глубоких нейронных сетей. Симуляции показали: дополнительный кислород может растворяться в расплавленном материале до достижения системой равновесия. Хотя компьютерные модели использовали упрощённую систему, содержащую лишь магний, кремний и кислород, они воспроизвели ту же общую модель, что и в лаборатории: способность магмы удерживать избыточный кислород росла с давлением. Расчёты также выявили изменения в поведении атомов кислорода: их электрические заряды стали более разнообразными, и небольшая доля образовывала перекисные связи. Важно, что зависящее от давления поведение напоминает воду и углекислый газ, которые тоже становятся более растворимыми в магме по мере роста давления. Исследователи предлагают признать кислород независимым компонентом силикатных расплавов, а не рассматривать его лишь в связи с другими элементами.
Могли ли древние вулканы помочь насытить атмосферу Земли кислородом? Открытие поднимает более крупный вопрос об истории Земли: могла ли магма переносить значительные количества кислорода из недр планеты на её поверхность? Исследователи предлагают возможный механизм с участием магмы, генерируемой в окисленных областях мантии Земли. Под огромными давлениями глубоко под землёй эта магма могла поглощать значительные количества избыточного кислорода. По мере движения вверх окружающее давление снижается, уменьшая количество кислорода, которое расплавленная порода может удерживать. Часть этого кислорода могла затем высвобождаться, потенциально внося вклад в химические реакции, повышающие окисление верхней мантии, коры и в конечном счёте атмосферы.
Этот предложенный механизм может помочь объяснить интригующее совпадение в геологическом прошлом Земли. Между примерно 2,5 и 2,0 миллиардами лет назад уровень атмосферного кислорода претерпел крупные повышения. Этот интервал совпадает с формированием некоторых из крупнейших крупных магматических провинций Земли — огромных регионов вулканической породы, созданных исключительно большими излияниями магмы. Исследователи предполагают, что кислород, высвобожденный из этих древних вулканических систем, мог способствовать изменениям атмосферного состава.
