科学家们发现，地球深处的熔岩能够储存远超以往认知的氧气。这一发现挑战了长期以来对岩浆的假设，并提出了一个引人关注的可能性：来自地球内部的氧气可能帮助改变了数十亿年前星球的大气。通过高压实验和先进的计算机模拟，研究人员发现岩浆可以吸收超出其化学成分所需的额外氧气。这一隐藏的氧气可能为地球深处、火山活动和富氧大气的发展之间提供了一个以前未被识别的联系。研究由高压科学与技术高端研究中心（HPSTAR）的林彦浩博士和毛浩光博士领导，与西北工业大学的牛海阳教授和阿姆斯特丹自由大学的温·范·维斯特伦教授合作。研究结果发表在《国家科学评论》上。科学家挑战长期以来对岩浆的假设氧气是地球内部最丰富的元素之一，约占星球硅酸盐内部原子的超过一半。硅酸盐是主要由硅和氧组成的矿物和熔融材料，以及其他元素。它们构成了地球的大部分地幔和地壳。尽管氧气丰富，科学家们传统上假设岩浆只能包含特定数量的氧气。在这种理解下，氧气的含量由熔岩中其他元素的数量和电荷状态决定，包括硅、镁和铁。水和二氧化碳则表现得不同。两者都可以溶解在岩浆中，并在周围压力降低时以气体形式逸出。这些物质被称为挥发性成分，它们的释放在火山活动中起着重要作用。然而，氧气通常未被视为岩浆可以吸收和释放的独立挥发性物质。熔融的硅酸盐岩是否能够独立于其普通化学成分储存额外氧气在很大程度上未得到探索。新的研究表明，这一假设可能需要改变。极端压力揭示熔岩中的隐藏氧气为此，科学家们使用能够产生极高压力和温度的实验设备重建地球深处的条件。他们加热了一种合成的中洋脊玄武岩，这是在海洋下构造板块分离处常见的一种火山岩。样品暴露在从正常大气压到7吉帕的压力范围，以及1200到1800摄氏度的温度下。7吉帕的压力大约是地球表面大气压的69,000倍。团队使用专门的活塞-圆筒和立方体压力机保持这些极端条件。他们还加入了氧化铂（PtO2）以建立富氧环境，并测试熔岩可以吸收多少额外的氧气。实验结束后，研究人员迅速冷却熔融材料，生产出了保留了熔融重要特征的玻璃。然后，他们分析了其元素组成，并测量了其中的水和二氧化碳的含量。通过计算平衡其他元素所需的氧气量，以及水和二氧化碳中已经包含的氧气，科学家们能够估算出剩余未说明的氧气量。他们将这额外的量称为“过量氧气”。结果显示压力与氧气储存之间存在显著关系。在正常大气压下，玻璃几乎不含过量氧气。然而，在7吉帕时，过量氧气占样本重量的超过5%。相比之下，在没有添加氧化铂的情况下进行的相似压力和温度的实验，其过量氧气浓度仅为0.2%至0.5%。研究人员还想确定额外的氧气是否真正被纳入材料中，还是仅仅被困在微小的气泡中。使用拉曼光谱技术，这一通过检查物质与光的相互作用来识别物质的技术，他们在玻璃中没有发现可检测的氧气气体的特征。这表明，过量氧气已成为玻璃结构的一部分，而不是积累在气泡中的。测得的浓度甚至可能低估了岩浆实际的氧气储存能力。一些氧气可能在熔融样品冷却时逸出，意味着原始熔体可能含有更大的氧气量。计算机模拟揭示岩浆如何储存额外氧气为了更好地理解这一发现，牛教授领导了一系列理论计算机模拟。