Избыточно-кислородные оксиды в средней мантии Земли облегчают подъем глубинного кислорода

Субдукция гидратированных материалов оказывает огромное влияние на структуру, динамику и эволюцию нашей планеты. Однако во многом неясно, как погружающиеся плиты химически взаимодействуют со средней мантией. Недавно команда ученых из Центра науки и технологий высоких давлений (HPSTAR) и Стэнфордского университета открыла фазу с избытком кислорода (Mg,Fe)₂O₃₊δ в условиях, сходных с условиями средней мантии Земли (~1000-2000 км).

Эта фаза с избытком кислорода полностью сохраняется при возврате к нормальным условиям для ex-situ исследований с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Она содержит трехвалентное железо, как в гематите (Fe₂O₃), который является наиболее окисленной формой железа на поверхности Земли, но содержит больше кислорода за счет взаимодействий между атомами кислорода. Ее особенная природа может изменить наши представления о редокс-химии мантии.

«Мы использовали лабораторные методы для моделирования условий глубоких недр Земли и обнаружили, что фаза с избытком кислорода возникает, когда гидратированные минеральные ассоциации подвергаются лазерному нагреву при давлениях более чем в 40 миллионов раз выше атмосферного», — сообщил доктор Цзинь Лю из HPSTAR. Формирование этой фазы является веским доказательством того, что вода выступает сильным окислителем при высоком давлении.

Эта фаза может сосуществовать с пиритоподобной водородсодержащей фазой FeO₂ в условиях глубокой мантии. В отличие от пиритоподобной фазы, которая обычно образуется в глубокой нижней мантии и требует большого количества воды, новая фаза может формироваться при умеренном количестве воды в условиях средней мантии. Более гибкие условия образования делают ее потенциально более распространенной на глубинах более 1000 км, занимая почти 2/3 объема мантии.

Широкое распространение этой фазы делает ее и другие обогащенные кислородом оксиды важным объектом для будущих геохимических и минералогических исследований. Фаза является закаливаемой, что открывает возможность искать ее в природе — например, в виде включений в алмазах или продуктов ударного метаморфизма в метеоритах.

Канальное пространство в структуре этой фазы может быть гибким не только для избыточного кислорода, но и для других летучих элементов (например, N, S, F, Cl). Таким образом, новая фаза может быть важным переносчиком летучих веществ в глубокой мантии в геологическом масштабе времени. Вместе с избыточным Fe³⁺ из первичной нижней мантии такие материалы могли в долгосрочной перспективе окислять верхнюю мантию и кору, что фундаментально для эволюции и обитаемости Земли.

Эти результаты показывают, что фаза с избытком кислорода может способствовать формированию резервуаров избыточного кислорода из остатков гидратированных плит на глубинах более 1000 км. Таким образом, океаническая кора в средней мантии может глубоко регулировать подъем кислорода в атмосфере Земли и глобальную обитаемость.