Геофізики з'ясували, що первинний магматичний океан був або помірно окислювальним, або помірно відновлювальним. До такого висновку вчені прийшли при поясненні аномально низької частки ніобію щодо танталу у вивчених зразках магми. В основу роботи лягли експерименти з сумішшю металів і силікатів, яку стискали і нагрівали за допомогою алмазної ковадла до умов, схожих з магматичними. Стаття опублікована в.
Ніобій і тантал розташовані один під іншим у таблиці Менделєєва і мають схожі хімічні властивості. Ці метали занесені на молоду Землю метеоритами, і логічно було б припустити, що раз їх властивості схожі і ведуть вони себе майже однаково, то їх співвідношення в мантії повинно залишатися таким же, як і в метеоритах. Як мінімум, це істинно для інших подібних пар, як цирон-гафній або церій-свинець.
Але виявилося, що у всіх відомих зразках мантії ставлення ніобію до танталу менше, ніж у метеоритах, і пару десятків років тому вчені назвали це ніобієвим парадоксом. У цього парадоксу могло бути два пояснення: або з якоїсь причини сталася помилка вибірки, і в інших місцях ніобію навпаки більше, або щось змушує вести його несхожим на тантал чином і опускатися нижче до металевого ядра.
В цілому, хімічні елементи можуть бути літофільними - мати спорідненість до силікатів, або сидерофільними - до заліза. І ніобій, і тантал є літофілами, але вченим відомо, що, наприклад, ванадій при дуже високому тиску (25 гігапаскалей) починає вести себе як сидерофіл. Передбачалося, що схожим чином поводиться ніобій, і що саме це змушує його відокремлюватися від танталу і концентруватися ближче до залізного ядра. Однак, це припущення накладає обмеження на хімічні умови первинного базальтового океану: його середовище має бути дуже відновлювальним, оскільки при великій концентрації оксиду заліза збільшення тиску перестає підвищувати сидерофільність. Модель вкрай відновлювального первинного базальтового океану гіпотетично може бути вірною, але вимагає додаткового узгодження з іншими знаннями про еволюцію планет.
Тим часом після поширення пресів з алмазними ковадлами і лазерним нагрівом, які дозволяють домогтися тиску в десятки гігапаскалів і температури більше чотирьох тисяч градусів Цельсія, відкрився несподіваний ефект. При дуже великих температурі і тиску кисень розчиняється в рідкому металі, і докорінно змінює розподіл елементів між силікатними і металевими розплавами.
Виходячи з цього, Дун'ян Хуан (Dongyang Huang) з Паризького університету і його колеги вирішили по-новому підійти до ніобієвого парадоксу. Їхня робота складалася з двох частин: експериментів з цими металами в умовах, максимально близьких до молодої Землі, і комп'ютерного моделювання земних надр на основі цих даних.
В якості металевої частини був узятий сплав заліза, нікелю, ванадію і хрому, найбільш релевантний модельованим умовам, а в ролі мантії використовували діоксид кремнію в суміші з оксидом марганцю та іншими елементами, в тому числі оксидами ніобію і танталу. У серії експериментів цю суміш нагрівали до 4200 градусів Цельсія і стискали до 75 гігапаскалей. Аналіз показав, що як такі нагрівання і тиск або майже не впливають на сидерофільність ніобію і танталу, або навпаки зменшують їх спорідненість до заліза. Однак, що надійшов з оксидів кисень, який розчинився в рідкому металі, все змінив.
У його присутності і ніобій, і тантал збільшують свою тягу до заліза, але ніобій робив це до більш високої межі і з більшою швидкістю. На основі отриманих даних вчені вирішили оновити модель формування земних надр і використовувати її для обчислень. Вони задавали різні вихідні кількості оксиду заліза в первинному магматичному океані, від дуже малих до 20 відсотків, фіксували в якості кінцевої точки нинішній стан (6 відсотків), і дивилися за еволюцією. Раніше ця ж модель вимагала відновлювальні умови для спостережуваного розподілу речовин, але тепер виявилося навпаки: моделі з низькою концентрацією оксиду заліза дають меншу частку ніобію відносно танталу, ніж у вивчених зразках. З спостережуваною картиною стикуються моделі, які передбачають або помірно окислювальну, або помірно відновлювальну магму, з концентрацією оксиду заліза від 2 до 18 відсотків. Це дозволяє дозволити ніобієвий парадокс без використання нереалістично екстремальних передумов.
Алмазні ковадла дозволяють симулювати умови всередині різних планет, не тільки Землі. Наприклад, вдалося з'ясувати, що надра багатих вуглецем планет повинні бути сповнені алмазів, а в Гарвардському університеті отримали металевий водень, аналогічний тому, який повинен знаходитися всередині газових гігантів.