Расплавленная порода в глубине Земли способна удерживать значительно больше кислорода, чем предполагали ученые. Это открытие ставит под сомнение устоявшиеся представления о свойствах магмы и предлагает новое объяснение тому, как атмосфера планеты миллиарды лет назад могла насытиться кислородом.
К такому выводу пришла международная группа исследователей под руководством Яньхао Линя и Хо-кван Мао из Центра исследований в области науки и техники высоких давлений (HPSTAR). Результаты их работы опубликованы в журнале National Science Review. Ранее считалось, что содержание кислорода в магме строго определяется её химическим составом. В отличие от воды и углекислого газа, которые могут растворяться в расплаве и выделяться в виде газа, кислород не рассматривали как самостоятельный летучий компонент.
Чтобы проверить эту гипотезу, учёные воссоздали в лаборатории условия, характерные для недр Земли. Они нагревали синтетический аналог базальта срединно-океанических хребтов до 1800 °C, подвергая его давлению до 7 гигапаскалей – это примерно в 69 тыс. раз выше атмосферного. Эксперименты показали, что с ростом давления способность магмы удерживать «избыточный» кислород, не связанный с другими элементами, резко возрастает. При обычном давлении его практически не было, а при максимальном он составил более 5% от веса образца.
Спектроскопический анализ подтвердил, что кислород именно растворился в структуре расплава, а не оказался заперт в виде микропузырьков газа. Компьютерное моделирование на атомарном уровне показало, что под высоким давлением в расплаве меняется поведение атомов кислорода: часть из них образует пероксидные связи друг с другом. Это позволяет магме вмещать больше кислорода, чем предписывают стандартные химические модели.
Открытие указывает на возможный механизм, который мог повлиять на состав древней атмосферы. Магма, обогащённая кислородом в глубинных слоях мантии, при подъёме к поверхности испытывает падение давления. В результате избыточный кислород мог высвобождаться, окисляя породы коры и верхней мантии и со временем попадая в атмосферу. Исследователи отмечают, что период резкого роста концентрации кислорода в атмосфере 2,0–2,5 млрд лет назад совпадает с формированием крупнейших магматических провинций – эпохой исключительно мощной вулканической активности. По их расчётам, если бы извергавшаяся тогда магма высвободила всего 0,27% своего веса в виде кислорода, этого объёма хватило бы для формирования всей современной кислородной атмосферы.
