Исследователи выяснили, что расплавленные породы в глубинах Земли способны удерживать значительно больше кислорода, чем предполагалось ранее. Это открытие ставит под сомнение устоявшиеся представления о составе магмы и указывает на возможную связь между внутренними процессами планеты и появлением кислорода в её атмосфере миллиарды лет назад. Результаты работы опубликованы в журнале National Science Review.
Кислород составляет более половины атомов в силикатной оболочке Земли, включающей мантию и кору. Однако обычно считалось, что его количество в магме определяется составом и электрическим зарядом других элементов, прежде всего кремния, магния и железа. В отличие от воды и углекислого газа, которые растворяются в расплаве и выделяются при снижении давления, кислород не рассматривали как самостоятельный летучий компонент.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда под руководством Яньхао Линя и Хо-Кван Мао из Центра передовых исследований науки и технологий высокого давления (HPSTAR) провела эксперименты с синтетическим базальтом срединно-океанических хребтов. Образцы нагревали до 1200–1800 °C и сжимали до 7 гигапаскалей — примерно в 69 тысяч раз выше атмосферного давления у поверхности Земли. В работе также участвовали Хайян Ню из Северо-Западного политехнического университета и Вим ван Вестренен из Свободного университета Амстердама.
Для создания богатой кислородом среды в расплав добавляли оксид платины PtO2. После экспериментов материал быстро охлаждали, превращая его в стекло, а затем определяли его состав и содержание воды и углекислого газа. Разницу между общим количеством кислорода и объёмом, необходимым для химического баланса, учёные назвали «избыточным кислородом». При обычном давлении его почти не обнаружили, тогда как при 7 гигапаскалях он превышал 5% массы образца; в контрольных опытах без оксида платины показатель составлял лишь 0,2–0,5%.
Спектроскопия комбинационного рассеяния не выявила в стекле признаков газообразного кислорода, поэтому он, вероятно, вошёл в структуру расплава, а не скопился в микроскопических пузырьках. Учёные допускают, что измеренные значения могут быть заниженными: часть кислорода могла покинуть образец во время охлаждения. Компьютерное моделирование с использованием глубоких нейронных сетей подтвердило зависимость растворимости кислорода от давления и показало, что при его накоплении меняются электрические заряды атомов, а небольшая их доля образует связи, похожие на пероксидные.
Авторы предполагают, что магма из окисленных областей мантии способна на глубине поглощать дополнительный кислород, а при подъёме к поверхности — высвобождать его из-за падения давления. Это могло усиливать окисление верхней мантии, коры и атмосферы. Период роста содержания атмосферного кислорода примерно 2,5–2,0 млрд лет назад совпал с формированием крупных магматических провинций, и расчёты показывают: если бы извергавшаяся тогда магма отдала кислород в количестве всего 0,27% своей массы, теоретически этого хватило бы для сопоставления с объёмом кислорода в современной атмосфере. Исследователи подчёркивают, что расчёт не доказывает такой сценарий, но показывает возможный масштаб влияния вулканизма.