Phát hiện mới về nguồn gốc oxy trên Trái Đất

Theo trang tin khoa học SciTechDaily, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát hiện cơ chế chưa được biết đến đầy đủ, cho phép đá nóng chảy trong lòng Trái Đất hấp thụ thêm oxy vào cấu trúc vật chất dưới điều kiện áp suất cao. Khi magma di chuyển lên gần bề mặt và áp suất giảm, lượng oxy này có thể được giải phóng, qua đó góp phần vào những biến đổi hóa học của lớp vỏ và khí quyển .

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học National Science Review, do hai nhà khoa học Yanhao Lin và Ho-kwang Mao thuộc Trung tâm Nghiên cứu tiên tiến về khoa học và công nghệ áp suất cao (HPSTAR) chủ trì, với sự tham gia của Giáo sư Haiyang Niu thuộc Đại học Bách khoa Tây Bắc (Trung Quốc) và Giáo sư Wim van Westrenen thuộc Đại học Tự do Amsterdam (Hà Lan).

Oxy chiếm hơn một nửa tổng số nguyên tử trong phần bên trong Trái Đất cấu tạo chủ yếu từ khoáng vật silicat. Tuy nhiên, phần lớn lượng oxy này liên kết hóa học với các nguyên tố khác, không tồn tại dưới dạng khí có thể trực tiếp thoát vào khí quyển . Trước đây, các nhà địa chất thường xác định lượng oxy trong magma dựa trên thành phần và trạng thái hóa trị của các nguyên tố như silic, magiê và sắt. Theo cách tiếp cận này, lượng oxy được tính toán chủ yếu nhằm bảo đảm sự cân bằng hóa học giữa các thành phần của đá nóng chảy. Tuy nhiên, k hả năng magma hấp thụ thêm oxy như một thành phần riêng biệt, tương tự quá trình hòa tan nước và carbon dioxide (CO2), vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

Để kiểm chứng giả thuyết, nhóm nghiên cứu sử dụng mẫu bazan tổng hợp có thành phần tương tự đá núi lửa hình thành tại các sống núi giữa đại dương. Các nhà khoa học bổ sung platinum dioxide (PtO2) nhằm tạo môi trường giàu oxy , sau đó nung chảy mẫu ở nhiệt độ từ 1.200 đến 1.800 độ C, dưới áp suất từ mức khí quyển thông thường đến 7 gigapascal. Nhóm cũng tiến hành các thí nghiệm đối chứng trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất nhưng không bổ sung PtO2.

Sau khi làm nguội nhanh để chuyển vật liệu nóng chảy thành thủy tinh, các nhà khoa học đo tổng lượng oxy trong mẫu. Từ kết quả này, họ loại trừ phần oxy cần thiết để cân bằng thành phần hóa học và phần oxy có trong nước, CO2 nhằm xác định lượng oxy dư.

Kết quả cho thấy, trong các mẫu được bổ sung PtO2, lượng oxy dư gần như bằng không ở áp suất khí quyển , nhưng tăng lên hơn 5% khối lượng mẫu khi áp suất đạt 7 gigapascal. Trong khi đó, các mẫu đối chứng chỉ ghi nhận lượng oxy dư từ 0,2% đến 0,5% khối lượng.

Theo nhóm nghiên cứu, áp suất cao có thể giúp magma hấp thụ lượng oxy bổ sung đáng kể khi có nguồn oxy thích hợp. Lượng oxy thực tế trong vật liệu nóng chảy ban đầu thậm chí có thể cao hơn số đo, do một phần oxy có khả năng thất thoát trong quá trình làm nguội. Để xác định oxy dư có thực sự được tích hợp vào cấu trúc vật chất hay chỉ bị giữ trong các bọt khí, nhóm sử dụng phương pháp quang phổ Raman. Kết quả không phát hiện dấu hiệu đặc trưng của khí oxy trong thủy tinh, cho thấy lượng oxy dư đã được tích hợp vào cấu trúc vật liệu.

Các mô phỏng ở cấp độ nguyên tử cũng cung cấp thêm cơ sở giải thích hiện tượng này. Theo đó, khi lượng oxy hòa tan tăng, trạng thái điện tích của các nguyên tử oxy trở nên đa dạng hơn và một tỷ lệ nhỏ hình thành liên kết tương tự peroxide. Dù mô hình mô phỏng sử dụng hệ vật chất đơn giản hơn so với mẫu bazan trong phòng thí nghiệm và cho kết quả về lượng oxy thấp hơn, cả hai phương pháp đều ghi nhận xu hướng khả năng hấp thụ oxy tăng theo áp suất.

Từ những phát hiện trên, các tác giả đề xuất xem oxy là một thành phần có khả năng hòa tan riêng biệt trong magma silicat, bên cạnh các chất dễ bay hơi đã được nghiên cứu như nước và CO2. Phát hiện này có thể giúp điều chỉnh cách giới khoa học đánh giá quá trình hình thành và tiến hóa của các đại dương magma thời kỳ đầu, hoạt động giải phóng khí từ núi lửa cũng như sự phát triển của khí quyển trên Trái Đất và các hành tinh đá khác.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng magma hình thành tại những khu vực có điều kiện oxy hóa cao trong lớp phủ Trái Đất có thể tích trữ oxy dư dưới áp suất lớn. Khi magma dâng lên, áp suất giảm khiến khả năng giữ oxy suy giảm, từ đó có thể giải phóng oxy và thúc đẩy các phản ứng oxy hóa trong lớp phủ nông, lớp vỏ và khí quyển . Cơ chế này được cho là có thể liên quan đến một giai đoạn quan trọng trong lịch sử Trái Đất, khi lượng oxy khí quyển gia tăng mạnh khoảng 2,5 - 2 tỷ năm trước, trùng với thời kỳ hình thành một số tỉnh đá magma lớn do hoạt động núi lửa quy mô rộng.

Theo ước tính sơ bộ của nhóm nghiên cứu, nếu lượng magma phun trào trong giai đoạn này giải phóng oxy dư tương đương chỉ 0,27% khối lượng, tổng lượng oxy được cung cấp có thể ngang với lượng oxy hiện có trong khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, đây mới là tính toán giả định dựa trên cơ chế được phát hiện trong phòng thí nghiệm, chưa phải bằng chứng trực tiếp cho thấy hoạt động núi lửa đã tạo ra lượng oxy tương ứng trong quá khứ. Các nhà khoa học cho rằng cần tiếp tục nghiên cứu điều kiện tồn tại, vận chuyển và giải phóng oxy trong magma tự nhiên để xác định mức độ đóng góp thực tế của cơ chế này đối với lịch sử khí quyển .