Глубоко под нами в расплавленной магме может содержаться значительно больше кислорода, чем предполагалось ранее. Геофизики обнаружили, что магма способна усваивать «избыточный» кислород сверх обычного содержания, определяемого ее химическим составом.
Кислород — это один из основных элементов, составляющих внутреннюю структуру планеты: более половины атомов в силикатной мантии и коре представляют именно этот химический элемент. Долгое время считалось, что его концентрация в магме строго определяется соотношением других элементов: кремния, магния, железа и некоторых других, а также степенями их окисления. В отличие от воды или углекислого газа, которые ведут себя как летучие компоненты — растворяясь в расплаве и впоследствии выходя в виде газа, — кислород почти никогда не воспринимался как самостоятельный «летучий» участник этого процесса.
Чтобы подтвердить это, специалисты Центра передовых исследований высоких давлений HPSTAR (Китай) под руководством Яньхао Линя и Хо-квана Мао воссоздали в лаборатории условия глубин мантии. Синтетический аналог базальта, схожий с породами срединно-океанических хребтов, нагревали до 1200−1800 °C и сжимали до 7 гигапаскалей — это примерно 69 тысяч атмосфер. В расплав добавляли оксид платины, создавая кислородсодержащую среду, и изучали, сколько дополнительного кислорода сможет «усвоить» магма.
После быстрого охлаждения расплава получалось вулканическое стекло, в котором фиксировались свойства исходной магмы. Анализ показал: при нормальном давлении избыток кислорода практически отсутствовал, но при 7 ГПа его доля превышала 5% массы образца. Это значительно больше, чем в контрольных экспериментах без добавления оксида платины (0,2−0,5%). При этом рамановская спектроскопия не выявила пузырьков газообразного O₂, что означает, что кислород интегрировался в структуру стекла, а не «застрял» в порах.
Компьютерное моделирование дополнило общую картину на атомном уровне. С помощью нейросетевых моделей, приближающихся по точности к квантово-механическим расчетам, исследователи продемонстрировали, что с увеличением давления способность расплава растворять кислород возрастает, пока система не достигнет равновесия. В модельном магниево-силикатном расплаве часть атомов кислорода приобретала нестандартные зарядовые состояния и образовывала связи «кислород-кислород», напоминающие пероксидные — это один из возможных механизмов, позволяющих расплаву вмещать «избыточный» O₂.
По сути, кислород в магме начинает вести себя как еще один летучий компонент, аналогично воде или CO₂: чем глубже и выше давление, тем больше его может раствориться. При подъеме магмы к поверхности давление падает, и магма уже не в состоянии удерживать прежнее количество кислорода — он должен быть высвобожден, участвуя в окислительных реакциях в верхней мантии, коре и, в конечном итоге, в атмосфере.
