Учёные выяснили, что расплавленные породы в глубинах Земли способны накапливать значительно больше кислорода, чем считалось ранее. Это открытие ставит под сомнение давние представления о магме и позволяет предположить, что кислород из недр планеты мог участвовать в формировании её атмосферы миллиарды лет назад. Результаты исследования опубликованы в журнале National Science Review.
С помощью экспериментов при высоком давлении и компьютерного моделирования специалисты установили, что магма может удерживать дополнительный кислород сверх того количества, которое требуется для её химического состава. Такой скрытый запас кислорода может связывать глубинные слои Земли, вулканическую активность и развитие атмосферы, богатой кислородом. Работу возглавили Яньхао Линь и Хо-Кван Мао из Центра передовых исследований высоких давлений (HPSTAR) совместно с Хайяном Ню из Северо-Западного политехнического университета и Вимом ван Вестрененом из Амстердамского свободного университета.
Кислород — один из самых распространённых элементов в недрах Земли: на него приходится более половины атомов в силикатной части планеты. Силикаты — это минералы и расплавы, состоящие в основном из кремния и кислорода с добавлением других элементов; они слагают большую часть мантии и коры. Традиционно считалось, что содержание кислорода в магме жёстко ограничено количеством и зарядовым состоянием кремния, магния и железа. Вода и углекислый газ ведут себя иначе: они растворяются в расплаве и выделяются в виде газов при снижении давления, и именно их выход играет важную роль в вулканизме. Кислород же обычно не рассматривали как отдельный летучий компонент, который магма может поглощать и отдавать.
Чтобы проверить это, исследователи воссоздали условия земных глубин на оборудовании, создающем экстремальные давление и температуру. Они нагревали синтетический аналог базальта срединно-океанических хребтов — породы, образующейся там, где тектонические плиты расходятся под океаном. Образцы подвергали давлению от атмосферного до 7 гигапаскалей (примерно в 69 тысяч раз выше давления у поверхности Земли) и температуре от 1200 до 1800 °C, используя поршневые и кубические прессы. Для создания среды, богатой кислородом, в смесь добавляли оксид платины (PtO2). После опытов расплав быстро охлаждали до стекла, сохранявшего свойства расплава, а затем анализировали его состав и измеряли содержание воды и углекислого газа. Вычтя кислород, необходимый для уравновешивания других элементов и уже входящий в состав воды и CO2, учёные оценили остаток, который назвали «избыточным кислородом».
Результаты показали заметную зависимость от давления. При обычном атмосферном давлении избыточного кислорода в стекле почти не было, а при 7 гигапаскалях он составлял более 5% массы образца. Для сравнения: опыты при схожих давлении и температуре, но без оксида платины давали лишь 0,2–0,5% по массе. С помощью рамановской спектроскопии, распознающей вещества по характеру взаимодействия со светом, исследователи не нашли признаков газообразного кислорода в стекле — значит, избыточный кислород входил в структуру материала, а не скапливался в пузырьках. Реальные значения могут быть даже выше: часть кислорода могла улетучиться при охлаждении образцов.
Для понимания процесса на атомном уровне группа профессора Ню провела компьютерное моделирование с использованием моделей глубоких нейронных сетей, точность которых приближается к расчётам из первых принципов. Симуляции показали, что дополнительный кислород растворяется в расплаве до равновесия, а способность магмы удерживать его растёт с давлением — та же закономерность, что и в лаборатории. Расчёты также выявили, что по мере насыщения кислородом заряды его атомов становятся более разнообразными, а небольшая их часть образует пероксидные связи, где атомы кислорода соединяются друг с другом. На этом основании авторы предлагают считать кислород самостоятельным компонентом силикатных расплавов, а не рассматривать его только в связке с другими элементами.
Открытие поднимает вопрос о том, могли ли древние вулканы насыщать атмосферу Земли кислородом. Учёные описывают механизм, при котором магма, образованная в окисленных областях мантии, под огромным давлением поглощает избыточный кислород, а при подъёме и падении давления часть его высвобождается. Этот кислород мог участвовать в реакциях, повышающих окисленность верхней мантии, коры и в итоге атмосферы. Такой механизм может объяснить совпадение по времени: примерно 2,5–2,0 млрд лет назад уровень кислорода в атмосфере заметно вырос, и этот период совпадает с формированием крупнейших вулканических провинций. Предварительный расчёт показывает, что если бы магма того времени отдала избыточный кислород в объёме всего 0,27% своей массы, суммарно это теоретически могло бы сравниться со всем кислородом нынешней атмосферы Земли. Это не доказывает, что вулканы действительно дали столько кислорода, но показывает, насколько масштабными могли быть последствия даже небольшой его утечки из огромных масс магмы.