Un diagramma schematico della fabbrica di ossigeno profondo della Terra mostra i processi di ossigenazione e deossigenazione dei materiali del mantello idrato nel mantello inferiore attraverso la profondità di circa 1000 km sotto la superficie terrestre. Nelle condizioni del mantello centrale della Terra, gli scienziati hanno scoperto una fase di eccesso di ossigeno, (Mg, Fe)2O3+δ (0 <δ <1) che si può formare con acqua sottosatura a>1000 chilometri di profondità. Quei materiali in eccesso di ossigeno possono aver ossidato a lungo termine il mantello superficiale e la crosta, che è essenziale per consentire all'ossigeno libero di accumularsi nell'atmosfera terrestre. Credito:Science China Press
La subduzione dei materiali idrati impone una grande influenza sulla struttura, dinamica, ed evoluzione del nostro pianeta. Però, non è in gran parte chiaro come le lastre in subduzione interagiscano chimicamente con il mantello centrale. Recentemente, una fase di eccesso di ossigeno (Mg, Fe)2O3+δ è stato scoperto in condizioni simili al mantello centrale della Terra (~1000-2000 km) da un team di scienziati del Center of High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) e della Stanford University.
Questa fase di eccesso di ossigeno è completamente recuperabile in condizioni ambientali per l'indagine ex-situ mediante microscopia elettronica a trasmissione. Contiene ferro ferrico come nell'ematite (Fe 2 oh 3 ) che è la forma di ferro più ossidata sulla superficie terrestre, ma questa nuova fase contiene più ossigeno dell'ematite attraverso le interazioni tra atomi di ossigeno. La natura peculiare dell'ossigeno in questa nuova fase potrebbe rivedere la nostra visione sulla chimica redox del mantello.
"Abbiamo impiegato tecniche di laboratorio per simulare le condizioni nelle profondità della Terra e abbiamo scoperto che è emersa una fase di eccesso di ossigeno quando assemblaggi di minerali idrati (ad es. ferropericlasio misto a brucite) sono stati esposti al riscaldamento laser a pressioni superiori a 40 milioni di volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre", ha affermato il dott. Jin Liu di HPTAR. "La formazione di questa nuova fase fornisce una forte evidenza che l'acqua agisce come un forte ossidante ad alta pressione».
"Questa fase potrebbe coesistere con la fase di tipo pirite contenente l'idrogeno FeO 2 in condizioni di mantello profondo, considerando che le due fasi sono distinte in cristallochimica, " ha aggiunto il dottor Qingyang Hu di HPSTAR. "A differenza della formazione della fase di tipo pirite che di solito si forma nel mantello inferiore profondo e richiede una grande quantità di acqua, questa fase di eccesso di ossigeno può formarsi con una moderata quantità di acqua in condizioni di medio mantello. Le condizioni flessibili di formazione ne fanno una fase potenzialmente più diffusa a profondità superiori a 1000 km nel mantello terrestre, occupando quasi i 2/3 del mantello." Inoltre, questa fase di eccesso di ossigeno può coesistere con i principali minerali del mantello, bridgmanite e ferropericlasio, nelle condizioni del mantello inferiore della Terra.
"La presenza diffusa della fase in eccesso di ossigeno rende questa e altri ossidi arricchiti di ossigeno un argomento importante per l'intera gamma dei futuri studi di geochimica e fisica dei minerali, " suggerì il dottor Ho-kwang Mao, direttore di HPSTAR. "Sorprendentemente, questa nuova fase si placa. Infatti, la maggior parte dei composti sintetizzati nelle condizioni del mantello inferiore e temprabili in condizioni ambientali sono stati scoperti e nominati come minerali come la bridgmanite (Mg, Fe)SiO 3 e seifertite SiO 2 . Quindi, questo rappresenta un'opportunità per cercare questa fase di eccesso di ossigeno in natura come inclusioni di diamanti o prodotti d'urto di meteoriti".
La struttura cristallina di questa fase in eccesso di ossigeno può rappresentare un prototipo di struttura che ospiterà altri componenti abbondanti sulla Terra (ad esempio Al, Circa, Ti, e Ni). Allo stesso tempo, lo spazio del canale in questa fase di eccesso di ossigeno potrebbe offrire una grande flessibilità non solo per l'ossigeno in eccesso, ma anche per altri volatili (es. N, S, F, e Cl). Data la sua versatilità strutturale, la nuova fase potrebbe essere un importante vettore volatile nel mantello profondo nel tempo geologico. Ma ancora più importante, insieme all'eccesso di Fe 3 + dal primordiale mantello inferiore, quei materiali in eccesso di ossigeno possono aver ossidato a lungo termine il mantello superficiale e la crosta, fondamentale per l'evoluzione e l'abitabilità della vita complessa sulla superficie terrestre.
Questi risultati suggeriscono che la fase di eccesso di ossigeno può facilitare serbatoi di eccesso di ossigeno dai resti di lastre idratate a profondità superiori a 1000 km. Le croste oceaniche nel medio mantello potrebbero quindi regolare profondamente l'aumento di ossigeno nell'atmosfera terrestre e l'abitabilità globale, come fluidi riciclati superficialmente. Tale intrigante chimica dell'ossigeno profondo fa luce sui modelli chimici e dinamici dei resti della lastra del mantello, nonché sull'interazione e la coevoluzione dell'interno e della superficie della Terra.
