Кислород в атмосфере Земли может иметь неожиданное происхождение

Фото из открытых источников

Новые исследования показывают, что расплавленная порода может поглощать гораздо больше кислорода, чем ожидалось, что потенциально может помочь объяснить, как атмосфера Земли стала богатой кислородом. Результаты исследования были опубликованы в журнале National Science Review.

Расплавленная порода способна поглощать и переносить гораздо больше кислорода, чем предполагали геологи. Это открытие позволяет предположить, что магма могла сыграть гораздо большую роль в насыщении кислородом ранней атмосферы Земли, чем ученые предполагали ранее.

Полученные данные опровергают давнее предположение о том, что может и чего не может переносить магма. Работу возглавили Яньхао Линь и Хо-Кван Мао из Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления (HPSTAR). Они сотрудничали с Хайян Ню из Северо-Западного политехнического университета и Вимом ван Вестрененом из Vrije Universiteit Amsterdam. 

Кислород, в некотором смысле, скрыт на виду внутри Земли. Он составляет более половины атомов в силикатном недре планеты. Проблема в том, что геологи традиционно рассматривали его как пассивного партнера. Его присутствие в магме определяется количеством и зарядовыми состояниями других присутствующих элементов. 

К ним могут относиться кремний, магний и железо. Вода и углекислый газ растворяются в магме как независимые летучие компоненты, способные диффундировать внутрь и наружу. Ранее считалось, что кислород ведет себя иначе.

Это предположение повлияло на то, как ученые интерпретируют вулканические газы, степени окисления мантии и эволюцию атмосфер планет.  Если содержание кислорода в магме определяется исключительно другими присутствующими элементами, то он не может самостоятельно перемещаться через расплав или переносить кислород из недр Земли.

Новое исследование опровергает эту картину.

Исследователи использовали эксперименты с высоким давлением и высокой температурой на синтетическом базальте срединно-океанического хребта. Это тот тип горных пород, который образуется в зонах океанического спрединга, где происходит поднятие мантийного материала на поверхность.

Они измерили, сколько кислорода сохранило полученное стекло после быстрого охлаждения расплавленных образцов. Для создания среды, обогащенной кислородом, в образцы базальта добавили оксид платины. 

Затем смеси подвергали воздействию давления от 1 атмосферы до 7 гигапаскалей при температурах от 1200 до 1800 °C. После охлаждения исследователи тщательно вычли кислород, содержащийся во всех остальных элементах. Все, что осталось, они назвали «избыточным кислородом». 

При атмосферном давлении избыток кислорода был практически равен нулю. При давлении 7 гигапаскалей, которое наблюдается примерно в 200 километрах под поверхностью Земли, его содержание по массе превышало 5 процентов. Контрольные эксперименты, проведенные без добавления оксида платины, показали содержание платины всего 0,2–0,5% по массе в тех же условиях, что подтверждает реальность эффекта. 

Рамановская спектроскопия не выявила признаков присутствия кислорода в стекле. Это указывает на то, что избыток кислорода был включен в саму силикатную структуру, а не захвачен в виде пузырьков. Поскольку часть кислорода, вероятно, улетучилась во время закалки, измеренные значения почти наверняка представляют собой нижнюю границу того, что может содержать расплав.

Молекулярно-динамическое моделирование позволило дать объяснение наблюдаемым в экспериментах явлениям на атомном уровне. В упрощенной системе магний-кремний-кислород кислород непрерывно диффундировал в расплав до достижения равновесия. Равновесная концентрация возрастала с повышением давления, что согласуется с экспериментальными данными. 

Как и ожидалось, исходя из упрощенного состава, смоделированные значения были ниже, чем в экспериментах, но тенденция осталась той же. По мере поглощения расплавом большего количества кислорода электрические заряды на атомах кислорода распространялись на более широкий диапазон, и небольшая их часть начала образовывать связи, подобные пероксидным. 

Эта структурная перестройка позволяет расплаву вмещать гораздо больше кислорода, чем это допускает традиционная химия, основанная на балансе валентностей. Такое поведение отражает то, как вода и углекислый газ легче растворяются в магме при более высоком давлении.

Таким образом, кислород следует рассматривать как самостоятельный летучий компонент силикатных расплавов, а не как следствие всего остального.

Последствия этого выходят далеко за рамки лабораторной геохимии. Магма, образующаяся в окисленных областях глубокой мантии, может растворять значительные количества избыточного кислорода. По мере подъема магмы и снижения давления она может высвобождать кислород, потенциально способствуя окислению неглубокой мантии, земной коры и, в конечном итоге, атмосферы.

Временные рамки указывают на это. Значительное повышение уровня кислорода в атмосфере примерно от 2,5 до 2,0 миллиардов лет назад, включая Великое окислительное событие, в целом совпадает с периодами исключительно масштабного плавления мантии и вулканической активности. 

По приблизительным расчетам, если бы магма, извергавшаяся во время этих эпизодов, высвободила всего 0,27 весовых процента избыточного кислорода, этого было бы достаточно, чтобы обеспечить весь кислород, присутствующий в современной атмосфере.

Помимо Земли, это исследование предлагает новую концепцию для понимания эволюции магматических океанов на других каменистых планетах. Это может помочь определить, сможет ли планета развить и поддерживать атмосферу, пригодную для жизни.