Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Оксид железа под большим давлением указал на окисленность мантии Земли

Ученые из США и Германии вынудили оксид железа (II) в силикатных минералах диспропорционировать на высший оксид Fe2O3 и металлическое железо под действием давления до 23 гигапаскалей. Результаты исследования, опубликованного в журнале Science, могут служить доказательством того, что окисленность верхней мантии повысилась, а, следовательно, появилась и возможность для кислорода и воды поступать на поверхность Земли благодаря именно этому процессу. Более того, образовавшийся градиент окисленности, по предположению авторов, позволил растворенному углекислому газу из атмосферы осадиться в виде алмазов.

Большое влияние на состав и эволюцию атмосферы Земли оказало то, насколько окисленной была верхняя мантия в первые 500 миллионов лет формирования планеты. От этого зависела степень окисления летучих соединений, которые попадали из недр в атмосферу. Еще до того, как металлическое ядро полностью сформировалось, в мантии было мало кислорода, и в атмосферу проникали такие газы как СО, метан и водород. Кислород бы не смог попасть из недр в атмосферу, не прореагировав с ними.

Окислительно-восстановительные условия определяют по фугитивности кислорода. В древнейших минералах значения этого параметра указали на то, что окисленное состояние верхней мантии увеличилось примерно на пять порядков с начала формирования горных пород. Некий окислительный процесс позволил углекислому газу и парам воды высвободиться из мантии.

Согласно основной теории, мантия «окислилась» водяными парами, а лишний водород улетучился в космос. В какой-то мере этот процесс мог осуществиться, однако неразрешенным остается вопрос, осталось ли достаточно воды внутри Земли после формирования ядра, чтобы окислить значительный слой мантии.

Другая теория предполагает, что благодаря кристаллизации самого распространенного минерала нижней мантии — бриджманита (силикат-перовскита) — произошло диспропорционирование оксида железа (II) и более окисленные формы поднялись с конвекционными потоками в верхние слои. Эксперименты показали, что в этом минерале содержалось много трехвалентного железа в равновесии с металлическим железом, которое затем опустилось до ядра.

Диспропорционирование FeO в условиях высоких давлений наблюдали и в силикатах. Под действием высоких давлений изменение объема диспропорционирующей смеси должно быть отрицательным, однако в ранних экспериментах, в которых давление повышали до семи гигапаскалей, изменение объема оказывалось положительным. Знак этого изменения экспериментально можно определить по зависимости доли окисленного железа от давления при постоянной фугитивности кислорода. Теоретические модели предсказывают, что при более высоких давлениях изменение объема становится отрицательным.

Катерин Армстронг (Katherine Armstrong) с коллегами из Калифорнийского университета показали, что по такому же механизму оксид железа (II) диспропорционирует в жидких силикатах в условиях нижней мантии при давлении до 23 гигапаскалей и предположили, что окисленность мантии неизбежно зависела от формирования как минимум одного магматического океана.

Ученые проводили эксперименты над более окисленным и более восстановленными образцами в присутствии буфера, который поддерживал фугитивность кислорода. После установления равновесия в силикатных расплавов под давлением от 4 до 23 гигапаскалей авторы охладили образцы и проанализировали их на относительное содержание железа в высшей степени окисления методом Мессбауэровской спектроскопии. В своих расчетах они опирались на предположение о том, что это соотношение не изменилось в процессе кристаллизации, так как на границе стеклообразной и кристаллической фазы оно было похожим, а в образцах не было соединений в достаточных концентрациях, чтобы значительно изменить его.

До 10 гигапаскалей доля окисленной формы уменьшалось с повышением давления, но при более высоких значениях концентрация Fe3+ стала увеличиваться. Авторы утверждают (и их теоретические модели это подтверждают), что такое необычное поведение объясняется тем, что сжимаемость расплавленного высшего оксида при высоких давлениях больше, чем низшего, поэтому измеряемая доля Fe3+ уменьшается с ростом давления.

Как утверждают ученые, обеднение мантии металлом и повышение концентрации железа в высшей степени окисления из-за диспропорционирования могло произойти еще до формирования ядра. Градиент фугитивности кислорода в глубоком магматическом океане, вероятно, привел к растворению небольших количеств углекислого газа атмосферы в магме и дальнейшего осаждения в виде алмазов.

Ранее ученые находили алмазы с включениями железных сплавов, что доказало наличие жидких металлических фаз в мантии и областей с сильными восстановительными свойствами. Больше о внутренних слоях Земли и о том, как их изучают можно прочитать в нашем материале «Горы внутри».

Алина Кротова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.