Расплавленные породы скрывают лишний кислород: как это изменило историю Земли

Расплав базальта при давлении 7 ГПа способен удерживать более 5 массовых процентов «лишнего» кислорода, который не входит в состав обычных оксидов. Это неожиданное открытие международной группы геофизиков заставляет пересмотреть давнее представление о том, что количество кислорода в магме всегда определяется только химическим составом породы. Оказалось, что расплав может работать как контейнер для кислорода, а затем отдавать его при подъёме к поверхности.

Команда под руководством доктора Яньхао Линя и доктора Хо-Квана Мао из Центра высоких давлений и передовых технологий (HPSTAR) вместе с коллегами из Нидерландов и Китая опубликовала результаты в журнале National Science Review. Краткий обзор исследования появился на портале Phys.org.

Как измерили лишний кислород в расплаве

Учёные провели серию экспериментов с синтетическим базальтом, который плавили при давлениях от 1 атмосферы до 7 ГПа и температурах 1200–1800 °C. Чтобы создать окислительную среду, в образцы добавляли оксид платины (PtO₂). После закалки расплава исследователи измерили элементный состав стекла, а также содержание воды и углекислого газа. Затем из общего количества кислорода вычли ту его часть, которая необходима для баланса всех остальных элементов, а также кислород, входящий в молекулы H₂O и CO₂. Остаток назвали «избыточным кислородом».

Результат оказался впечатляющим: при давлении в 1 атмосферу избыток кислорода был близок к нулю, но при 7 ГПа его доля превысила 5 массовых процентов. Контрольные опыты без добавления PtO₂ при тех же давлениях и температурах дали лишь 0,2–0,5 массовых процента. Спектроскопия комбинационного рассеяния не обнаружила в стекле пузырьков газообразного кислорода, а значит, он не был захвачен механически, а встроен в структуру силикатного расплава.

Авторы подчёркивают, что измеренные значения, скорее всего, занижены: часть кислорода могла улетучиться при закалке образца. Так что реальная ёмкость магмы для кислорода может быть ещё выше.

Почему кислород не считают летучим компонентом

В земных силикатных недрах кислород составляет более половины всех атомов. Долгое время геохимики полагали, что его количество в магме жёстко фиксировано зарядовыми состояниями других элементов — кремния, магния, железа. В отличие от воды и углекислого газа, кислород не рассматривали как самостоятельный летучий компонент, способный растворяться в расплаве в переменных количествах.

Новые данные ломают эту схему. Теоретическое моделирование с использованием нейросетевых межатомных потенциалов показало: при увеличении содержания кислорода в расплаве электронные заряды на атомах кислорода распределяются по более широкому диапазону, а небольшая часть атомов образует пероксидные связи. Это означает, что кислород действительно может существовать в магме как отдельный компонент, а не только как пассивный анион в оксидах металлов.

Поведение кислорода напоминает то, как вода и углекислый газ растворяются в магме под давлением, — и это заставляет добавить кислород в список важных летучих компонентов расплавов.

Связь с древними извержениями и атмосферой

Если магма способна переносить избыточный кислород из глубоких слоёв мантии, то при её подъёме давление падает, и кислород должен постепенно высвобождаться. Это открывает новый механизм окисления верхней мантии, земной коры и атмосферы.

Особенно интересным выглядит совпадение по времени двух событий: рост содержания кислорода в атмосфере примерно 2,5–2,0 миллиарда лет назад совпадает с формированием крупнейших изверженных провинций (LIP). Грубая оценка показывает, что выделения всего лишь 0,27 массовых процента «лишнего» кислорода из магмы за этот период было бы достаточно для создания всей кислородной атмосферы современной Земли.

Ключевые следствия из этого можно свести к трём пунктам:

• глубинная мантия может быть окислена сильнее, чем считалось ранее;
• магматические океаны ранней Земли могли выделять кислород ещё до появления фотосинтеза;
• древние континентальные базальты стоит пересмотреть как потенциальные источники окислителей.

Разумеется, реальное количество выделившегося кислорода зависит от множества факторов — от скорости подъёма магмы, её состава и степени дегазации. Но теперь у исследователей есть конкретный механизм, который можно проверять.

Новый взгляд на эволюцию планет

Открытие полезно не только для понимания земной истории. Оно даёт инструмент для оценки эволюции магматических океанов и состава атмосфер у экзопланет. Если расплав на каменистой планете способен запасать кислород в глубине, то при вулканической активности он может выделяться в атмосферу даже без участия живых организмов.

Исследователи отмечают, что это меняет подход к поиску обитаемых миров: присутствие кислорода в спектре экзопланеты не обязательно указывает на биосферу. Оно может быть следствием неглубокого окисления мантии и последующей дегазации.

Остаётся открытым вопрос: сколько именно кислорода реально сохраняется в магме при её подъёме через трещины и каналы, ведь часть его может теряться уже на ранних стадиях. Но сама возможность того, что глубинная геология способна создавать кислородную атмосферу, заставляет по-новому взглянуть на раннюю Землю и другие каменистые миры.