Кисень, яким сьогодні дихає більшість живих організмів, міг накопичуватися в атмосфері Землі не лише завдяки процесам на поверхні планети. Нове дослідження показало, що розплавлена гірська порода здатна утримувати значно більше кисню, ніж вважали геологи. Це відкриття може допомогти пояснити, як глибинні процеси в надрах Землі сприяли формуванню кисневої атмосфери мільярди років тому.
Роботу виконала міжнародна команда дослідників під керівництвом Яньхао Ліня та Хо-Квана Мао з Центру передових досліджень високого тиску та високих технологій. Результати опублікували в науковому журналі National Science Review.
Чому кисень у магмі недооцінювали
Кисень є одним із найпоширеніших елементів у силікатних породах, з яких складається значна частина внутрішньої будови Землі. Однак геологи традиційно розглядали його в магмі переважно як компонент, поведінка якого залежить від інших елементів — зокрема кремнію, магнію та заліза.
На відміну від води й вуглекислого газу, які можуть розчинятися в магмі та переміщуватися крізь неї, кисень зазвичай не вважали незалежним летким компонентом розплаву. Через це його можливу роль у перенесенні речовини з глибин Землі до поверхні могли недооцінювати.
Нове дослідження ставить під сумнів це припущення. Виявилося, що за певних умов магма може поглинати додатковий кисень і зберігати його у своїй структурі.
Що показали експерименти з розплавленою породою
Науковці дослідили синтетичний базальт, подібний до порід, які утворюються в місцях розходження океанічних плит. Зразки нагрівали до температур від 1200 до 1800 °C і піддавали тиску від атмосферного до 7 гігапаскалів — приблизно такого, який існує на глибині близько 200 кілометрів.
Щоб створити середовище з підвищеним вмістом кисню, дослідники додавали оксид платини. Після експериментів розплав швидко охолоджували, а потім визначали, скільки кисню залишилося в утвореному склі.
За атмосферного тиску додатковий кисень практично не накопичувався. Натомість за тиску 7 гігапаскалів його частка перевищила 5% маси зразка. У контрольних експериментах без додавання оксиду платини показник становив лише 0,2–0,5%.
Спектроскопічний аналіз не виявив ознак молекулярного кисню у вигляді газових бульбашок. Це вказує на те, що додатковий кисень вбудовувався безпосередньо в структуру силікатного розплаву. Дослідники також припускають, що під час охолодження частина кисню могла втратитися, тому виміряні значення можуть бути нижчими за реальну здатність магми його утримувати.
Чи могла магма допомогти наситити атмосферу киснем?
Після утворення в надрах Землі магма підіймається до поверхні, а тиск навколо неї поступово знижується. Автори дослідження припускають, що за таких умов розплав може вивільняти частину накопиченого кисню. Він потенційно здатен сприяти окисненню верхніх шарів мантії та земної кори, а згодом впливати й на хімічний склад атмосфери.
Ця гіпотеза цікава з огляду на події приблизно 2,5–2 мільярди років тому, коли в атмосфері Землі почав суттєво зростати вміст кисню. Цей період пов’язують із Великою кисневою подією. Він також збігався з епізодами інтенсивного плавлення мантії та масштабної вулканічної активності.
За попередньою оцінкою авторів, якби магма під час таких епізодів вивільнила додатковий кисень у кількості лише 0,27% своєї маси, цього теоретично вистачило б, щоб забезпечити весь обсяг кисню, який сьогодні міститься в атмосфері Землі. Однак це розрахункова оцінка, а не доказ того, що саме такий механізм сформував сучасну атмосферу.
Відкриття також може допомогти дослідникам краще зрозуміти еволюцію інших кам’янистих планет. Якщо магма здатна переносити й вивільняти значні обсяги кисню, це може впливати на формування їхніх атмосфер. Водночас роль цього процесу в історії Землі ще потрібно уточнити: лабораторні результати демонструють можливий механізм, але самі по собі не встановлюють, скільки кисню він додав до атмосфери в давнину.