Вчені з США і Німеччини змусили оксид заліза (II) в силікатних мінералах диспропорціонувати на вищий оксид Fe2O3 і металеве залізо під дією тиску до 23 гігапаскалів. Результати дослідження, опублікованого в журналі, можуть служити доказом того, що окисленість верхньої мантії підвищилася, а, отже, з'явилася і можливість для кисню і води надходити на поверхню Землі завдяки саме цьому процесу. Більш того, градієнт окисленості, який утворився, за припущенням авторів, дозволив розчиненому вуглекислому газу з атмосфери осадитися у вигляді алмазів.
Великий вплив на склад і еволюцію атмосфери Землі мало те, наскільки окисленою була верхня мантія в перші 500 мільйонів років формування планети. Від цього залежала ступінь окислення летючих сполук, які потрапляли з надр в атмосферу. Ще до того, як металеве ядро повністю сформувалося, в мантії було мало кисню, і в атмосферу проникали такі гази як СО, метан і водень. Кисень би не зміг потрапити з надр в атмосферу, не прореагувавши з ними.
Окислювально-відновлювальні умови визначають за фугитивністю кисню. У найдавніших мінералах значення цього параметра вказали на те, що окислений стан верхньої мантії збільшився приблизно на п'ять порядків з початку формування гірських порід. Якийсь окислювальний процес дозволив вуглекислому газу і парам води вивільнитися з мантії.
Згідно з основною теорією, мантія «окислилася» водяними парами, а зайвий водень полетів у космос. Певною мірою цей процес міг здійснитися, проте невирішеним залишається питання, чи залишилося достатньо води всередині Землі після формування ядра, щоб окислити значний шар мантії.
Інша теорія передбачає, що завдяки кристалізації найпоширенішого мінералу нижньої мантії - бриджманіту (силікат-перовскіту) - відбулося диспропорціонування оксиду заліза (II) і більш окислені форми піднялися з конвекційними потоками у верхні шари. Експерименти показали, що в цьому мінералі містилося багато трьохвалентного заліза в рівновазі з металевим залізом, яке потім опустилося до ядра.
Диспропорціонування FeO в умовах високих тисків спостерігали і в силікатах. Під дією високих тисків зміна обсягу диспропорціонуючої суміші має бути негативною, проте в ранніх експериментах, в яких тиск підвищували до семи гігапаскалів, зміна обсягу виявлялася позитивною. Знак цієї зміни експериментально можна визначити за залежністю частки окисленого заліза від тиску при постійній фугитивності кисню. Теоретичні моделі передбачають, що при більш високих тисках зміна обсягу стає негативною.
Катерин Армстронг (Katherine Armstrong) з колегами з Каліфорнійського університету показали, що за таким же механізмом оксид заліза (II) диспропорціонує в рідких силікатах в умовах нижньої мантії при тиску до 23 гігапаскалів і припустили, що окисленість мантії неминуче залежала від формування як мінімум одного магматичного океану.
Вчені проводили експерименти над більш окисленим і більш відновленими зразками в присутності буфера, який підтримував фугитивність кисню. Після встановлення рівноваги в силікатних розплавів під тиском від 4 до 23 гігапаскалів автори охолодили зразки і проаналізували їх на відносний вміст заліза найвищою мірою окислення методом Мессбауерівської спектроскопії. У своїх розрахунках вони спиралися на припущення про те, що це співвідношення не змінилося в процесі кристалізації, так як на кордоні склоподібної і кристалічної фази воно було схожим, а в зразках не було сполук в достатніх концентраціях, щоб значно змінити його.
До 10 гігапаскалів частка окисленої форми зменшувалася з підвищенням тиску, але при більш високих значеннях концентрація Fe3 + стала збільшуватися. Автори стверджують (і їх теоретичні моделі це підтверджують), що така незвичайна поведінка пояснюється тим, що стисканість розплавленого вищого оксиду при високих тисках більше, ніж нижчого, тому вимірювана частка Fe3 + зменшується зі зростанням тиску.
Як стверджують вчені, збіднення мантії металом і підвищення концентрації заліза найвищою мірою окислення через диспропорціонування могло відбутися ще до формування ядра. Градієнт фугитивності кисню в глибокому магматичному океані, ймовірно, призвів до розчинення невеликих кількостей вуглекислого газу атмосфери в магмі і подальшого осадження у вигляді алмазів.
Раніше вчені знаходили алмази з включеннями залізних сплавів, що довело наявність рідких металевих фаз в мантії і областей з сильними відновлювальними властивостями. Більше про внутрішні шари Землі і про те, як їх вивчають можна прочитати в нашому матеріалі «Гори всередині».