Ricerche innovative rivelano enormi riserve di ossigeno nascoste nel magma profondo della Terra

Le recenti scoperte scientifiche pubblicate sulla prestigiosa rivista National Science Review stanno ridefinendo in modo radicale la nostra comprensione geologica del pianeta. Per decenni, la comunità scientifica ha dato per scontato che il magma presente nel mantello terrestre potesse contenere soltanto una quantità fissa di ossigeno, rigidamente determinata dalla composizione chimica degli altri elementi circostanti. Tuttavia, nuovi esperimenti condotti ad alta pressione e simulazioni computerizzate avanzate dimostrano che la roccia fusa è in grado di immagazzinare enormi quantità di ossigeno in eccesso.

Questo fenomeno offre una prospettiva inedita e affascinante: le profondità della Terra potrebbero aver agito in passato come un gigantesco motore di ossidazione, contribuendo in modo determinante a trasformare l’atmosfera terrestre miliardi di anni fa.

Il dogma della stechiometria e il ruolo dei silicati

All’interno della Terra, i silicati dominano la crosta e il mantello, rendendo l’ossigeno l’elemento di gran lunga più abbondante dell’intero pianeta. Tradizionalmente, i geologi ipotizzavano che il contenuto di ossigeno nei fusi rocciosi fosse vincolato esclusivamente dalla carica elettrica e dalle proporzioni di elementi come silicio, magnesio e ferro, secondo rigide regole chimiche.

Mentre sostanze volatili come l’acqua e l’anidride carbonica sono sempre state considerate in grado di dissolversi nel magma per poi liberarsi sotto forma di gas durante le eruzioni vulcaniche, l’ossigeno non era mai stato trattato come un componente volatile indipendente. La nuova ricerca dimostra invece che, sotto condizioni estreme, le regole tradizionali della stechiometria non sono più valide.

Condizioni estreme e comportamento della roccia fusa

Per svelare questo segreto, i ricercatori guidati dal Dr. Yanhao Lin e dal Dr. Ho-kwang Mao del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR), insieme ad altri accademici di rilievo, hanno sottoposto campioni sintetici di basalto a pressioni estreme. Nello specifico, i campioni sono stati esposti a pressioni variabili dalla normale pressione atmosferica fino a 7 gigapascal (pari a circa 69.000 volte la pressione atmosferica terrestre) e a temperature comprese tra 1200 °C e 1800 °C.

I risultati ottenuti tramite analisi avanzate e spettroscopia Raman hanno evidenziato che:

• A pressione atmosferica normale, il vetro vulcanico ottenuto dai campioni non mostrava quasi alcun ossigeno in eccesso.

• A 7 gigapascal, l’ossigeno in eccesso incorporato nella struttura del materiale fuso superava il 5% del peso totale.

• Le analisi al computer tramite modelli di reti neurali profonde hanno confermato che l’ossigeno si lega direttamente alla struttura molecolare, formando in parte anche legami di tipo perossido ($\text{O}_2^{2-}$) a temperature elevate.

Il legame tra vulcanesimo e Grande Evento di Ossidazione

La scoperta di questo meccanismo apre scenari stimolanti sulla storia evolutiva della Terra. Tra 2,5 e 2,0 miliardi di anni fa, l’atmosfera terrestre ha registrato un incremento drastico e improvviso dei livelli di ossigeno, un periodo noto come il Grande Evento di Ossidazione (GOE), che coincide temporalmente con la formazione di grandi province ignee (LIP), enormi espansioni di roccia vulcanica.

I calcoli preliminari dei ricercatori indicano che se il magma eruttato in quell’epoca avesse rilasciato anche solo una minima frazione di ossigeno in eccesso (pari allo 0,27% del proprio peso), la quantità sprigionata avrebbe teoricamente eguagliato l’intero ossigeno presente oggi nell’atmosfera terrestre. Sebbene non si tratti di una prova definitiva di un legame causale diretto, l’ipotesi dimostra come immense quantità di magma possano generare un flusso ossidante di portata planetaria.

Approfondimenti tecnici dallo studio di riferimento

Le analisi dettagliate condotte nel contesto della ricerca pubblicata sulla rivista National Science Review forniscono metriche e parametri fondamentali per comprendere la stabilità e la dinamica di questo ossigeno non stechiometric ($EO$):

• Quantificazione dell’ossigeno in eccesso ($EO$): L’ossigeno in eccesso è definito come la percentuale in peso ($\text{wt. \%}$) rimanente dopo aver sottratto dalle misurazioni dirette di $\text{O}$ le proporzioni stechiometriche richieste da tutti i cationi con valenza positiva e dai componenti volatili misurati ($\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ e $\text{Cl}$). Matematicamente, nei campioni sperimentali si calcola come:

  $$EO = O_{\text{misurato}} – \sum \left( \text{stechiometria dei cationi e volatili} \right)$$

• Incremento con la pressione: I dati sperimentali dimostrano che i valori di $EO$ nei campioni di basalto delle dorsali oceaniche (MORB) totalmente fusi aumentano in modo sistematico dai $-0,1 \pm 0,2 \text{ wt. \%}$ registrati a $1 \text{ atm}$ fino a $5,2 \pm 0,2 \text{ wt. \%}$ raggiunti a $7 \text{ GPa}$.

• Simulazioni molecolari e coordinazione: Le simulazioni di dinamica molecolare ($MD$) basate su potenziali di reti neurali profonde (DNN) sul sistema $\text{MgSiO}_x$ ($x \ge 3$) mostrano che, all’aumentare della temperatura e della concentrazione di ossigeno, il numero di coordinazione del silicio ($\text{Si}$) subisce un incremento continuo, indicando una spiccata tendenza dell’ossigeno in eccesso a legarsi preferenzialmente al silicio stesso.

• Stati di carica e specie di tipo perossido: L’analisi delle cariche di Bader rivela che, nei fusi ricchi di ossigeno, gli atomi di $\text{O}$ mostrano cariche effettive meno negative ($> -1,5e$) con la presenza di distanze interatomiche $\text{O-O}$ molto ridotte ($1,1\%$ delle specie a $9 \text{ GPa}$ e $2242 \text{ °C}$), confermando la stabilizzazione di legami simili ai perossidi in condizioni di mantello profondo.

• Impatto sul bilancio di massa globale: Considerando che il volume stimato di magma delle grandi province ignee (LIP) formato tra $2,5$ e $2,0 \text{ Ga}$ supera i $7,2 \text{ milioni di km}^3$ (con una densità media del basalto stimata attorno a $3010 \text{ kg/m}^3$), il rilascio di una frazione di $EO$ pari allo $0,27 \text{ wt. \%}$ fornisce un modello di bilancio geochimico coerente con l’ossigenazione superficiale del pianeta.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract

La generazione e il trasporto del magma governano l’evoluzione planetaria. Sebbene l’ossigeno sia l’anione più abbondante nell’interno silicatico della Terra, il suo ruolo nel magma viene convenzionalmente ignorato, assumendo che il contenuto di ossigeno nel magma sia semplicemente determinato dalla stechiometria dei cationi. Qui dimostriamo, utilizzando esperimenti ad alta pressione e alta temperatura supportati da simulazioni di dinamica molecolare, che il magma silicatico può incorporare una quantità di ossigeno sostanzialmente maggiore di quella consentita dai vincoli tradizionali dello stato di valenza. L’ossigeno in eccesso agisce come un componente volatile precedentemente non riconosciuto, aumentando di concentrazione da quasi zero a 1 atm a > ∼5% in peso al di sopra di 5 GPa, più di cinque volte l’aumento massimo di ossigeno ottenibile nel mantello solido terrestre attraverso cambiamenti redox del ferro. Man mano che i magmi ricchi di ossigeno risalgono e si decomprimono, la loro capacità di trattenere l’ossigeno in eccesso diminuisce, determinando il rilascio di O₂ _. Questo comportamento fornisce un meccanismo diretto che potrebbe collegare la fusione del mantello all’ossidazione dell’interno superficiale e dell’atmosfera terrestre, e identifica il magma come un serbatoio dinamico nei cicli planetari dell’ossigeno.

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