Ett schematiskt diagram över jordens fabrik för djupsyre visar syresättnings- och deoxygeneringsprocesserna för vattenhaltiga mantelmaterial i den nedre manteln över ~1000 km djup under jordens yta. Under förhållandena för jordens mellanmantel, forskare upptäckte en fas med syreöverskott, (Mg, Fe)2O3+δ (0 <δ <1) som kan bildas med undermättat vatten på>1000 kilometers djup. Dessa syreöverskottsmaterial kan på lång sikt ha oxiderat den grunda manteln och skorpan, vilket är nödvändigt för att tillåta fritt syre att byggas upp i jordens atmosfär. Kredit:Science China Press
Subduktion av vattenhaltiga material medför stort inflytande på strukturen, dynamik, och vår planets utveckling. Dock, det är i stort sett oklart hur subducerande plattor kemiskt interagerar med mittmanteln. Nyligen, en syreöverskottsfas (Mg, Fe)2O3+δ upptäcktes under förhållanden som liknar jordens mellersta mantel (~1000-2000 km) av ett team av forskare från Center of High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) och Stanford University.
Denna syreöverskottsfas är helt återvinningsbar till omgivningsförhållanden för ex-situ-undersökning med användning av transmissionselektronmikroskopi. Den innehåller järn(III)järn som i hematit (Fe 2 O 3 ) som är den mest oxiderade formen av järn på jordens yta, men denna nya fas innehåller mer syre än hematit genom interaktioner mellan syreatomer. Syrets säregna natur i denna nya fas kan revidera vår syn på mantelns redoxkemi.
"Vi använde laboratorietekniker för att simulera förhållandena djupt inne i jorden och fann att en syreöverskottsfas uppstod när vattenhaltiga mineralsammansättningar (t.ex. ferroperiklas blandat med brucit) utsattes för laseruppvärmning vid tryck som är större än 40 miljoner gånger atmosfärstrycket på jordens yta", säger Dr Jin Liu från HPTAR. "Bildandet av denna nya fas ger starka bevis för att vatten fungerar som en stark oxidant vid högt tryck."
"Denna fas kan samexistera med den vätebärande FeO av pyrit-typ 2 vid djupa mantelförhållanden, medan de två faserna är olika i kristallkemi, " tillade Dr. Qingyang Hu från HPSTAR. "Till skillnad från bildandet av fasen av pyrittyp som vanligtvis bildas i djupt nedre mantel och kräver en stor mängd vatten, denna syreöverskottsfas kan bildas med en måttlig mängd vatten vid förhållanden i mitten av manteln. De flexibla formationsförhållandena gör det potentiellt till en mer utbredd fas på djup större än 1000 km i jordens mantel, upptar nästan 2/3 av manteln." Dessutom, denna syreöverskottsfas kan samexistera med de stora mantelmineralerna, bridgemanit och ferroperiklas, under jordens lägre mantelförhållanden.
"Den utbredda närvaron av syreöverskottsfasen gör den och andra syreberikade oxider till ett viktigt ämne för hela skalan av framtida geokemi- och mineralfysikstudier, " föreslog Dr Ho-kwang Mao, direktör för HPSTAR. "Anmärkningsvärt nog, denna nya fas är släckbar. I själva verket de flesta föreningar som syntetiserats under de nedre mantelförhållandena och som kan släckas tillbaka till omgivningsförhållandena har upptäckts och namngetts som mineraler som bridgmanit (Mg, Fe)SiO 3 och seifertit SiO 2 . Därav, detta ger en möjlighet att söka efter denna syreöverskottsfas i naturen som diamantinneslutningar eller meteoritchockprodukter."
Kristallstrukturen för denna syreöverskottsfas kan representera en strukturprototyp som kommer att rymma andra jordnära komponenter (t.ex. Al, Ca, Ti, och Ni). På samma gång, kanalutrymmet i denna syreöverskottsfas skulle kunna erbjuda en stor flexibilitet inte bara för överskott av syre, men också för andra flyktiga ämnen (t.ex. N, S, F, och Cl). Med tanke på dess strukturella mångsidighet, den nya fasen kan vara en viktig flyktig bärare i den djupa manteln över geologisk tid. Mer viktigt, tillsammans med överskott av Fe 3 + från den ursprungliga nedre manteln, dessa syreöverskottsmaterial kan på lång sikt ha oxiderat den grunda manteln och skorpan, som är grundläggande för utvecklingen och beboeligheten av komplext liv på jordens yta.
Dessa resultat tyder på att syreöverskottsfasen kan underlätta syreöverskottsreservoarer från hydratiserade skivrester på djup större än 1000 km. Oceaniska skorpor i mitten av manteln kan därför på djupet reglera ökningen av syre i jordens atmosfär och globala beboelighet, som ytligt återvunna vätskor. En sådan spännande kemi av djupt syre kastar ljus över kemiska och dynamiska modeller av mantelplattarester såväl som interaktionen och samutvecklingen av jordens inre och yta.
