中国研究称硅酸盐熔体高压可储存额外氧

驱动中国10月23日消息，中国学者发表在《国家科学评论》上的一项高压实验与模拟研究显示，硅酸盐熔体在高压下能够容纳远超传统化学计量预期的“额外氧”，最高可达样品重量的5.2±0.2 wt.%。这些氧随岩浆上升、压力降低而被逐步释放，为理解约25亿至20亿年前大气氧含量的第一次大幅上升提供了一条此前未被纳入考量的深部路径。

传统上，地球科学家计算岩浆中的氧含量，依据硅、镁、铁等主要元素的丰度和价态。氧在硅酸盐地幔中占原子总数的一半以上，但绝大部分被化学键固定，其数量被认为由这些阳离子的“配方”决定。与水和二氧化碳不同，氧本身长期不被视为可以独立溶解在岩浆中的挥发性组分。

由北京高压科学研究中心（HPSTAR）林彦好研究员与毛河光院士领衔，联合西北工业大学牛海洋教授及阿姆斯特丹自由大学Wim van Westrenen教授组成的团队，对这一默认假设进行了直接检验。研究团队在实验室中合成洋中脊玄武岩，并在1200至1800摄氏度、1个大气压至7吉帕斯卡的范围内进行熔融实验。7吉帕斯卡约相当于100万磅每平方英寸的压力，接近上地幔的部分条件。

为制造富氧环境，研究团队在部分样品中加入氧化铂，随后将熔体快速冷却为玻璃，并测量其元素组成、水含量和二氧化碳含量，从中剥离出“化学计量必需氧”与“挥发分中的氧”，剩余部分被定义为“额外氧”。实验结果呈现清晰的压强依赖：在1个大气压下，额外氧接近于零；当压力升至7吉帕斯卡时，额外氧超过样品重量的5%，精确值为5.2±0.2 wt.%。作为对照，未添加氧化铂的同等温压实验仅产出0.2%至0.5 wt.%的额外氧。

针对这些额外氧究竟进入熔体结构，还是仅以气泡形式被物理包裹的问题，拉曼光谱检测未在玻璃中发现氧气的气态信号，表明额外氧已被结合进硅酸盐网络之中。牛海洋团队基于深度神经网络原子间势的模拟进一步解释了这一容纳机制：随着氧含量升高，氧原子的电荷分布范围变宽。