Gli indizi di alcune insolite rocce dell'Arizona hanno indirizzato gli scienziati della Rice University verso una scoperta - una sottile firma chimica nelle rocce di tutto il mondo - che potrebbe rispondere a un mistero di vecchia data:cosa ha rubato il ferro dai continenti della Terra?

La scoperta ha implicazioni pesanti. Se il contenuto di ferro delle rocce continentali fosse un po' maggiore, com'è nelle rocce sotto gli oceani della Terra, Per esempio, la nostra atmosfera potrebbe assomigliare di più a quella di Marte, un pianeta così disseminato di ruggine, rocce ossidate che appare rosso anche dalla Terra.

In un nuovo giornale disponibile online in Progressi scientifici , Petrologi del riso Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman e Graham Eldridge sostengono che il granato ruba più ferro dai continenti. L'ipotesi va contro gli oltre 40 anni di pensiero geofisico, e Tang, un borsista post-dottorato, e Lee, professore e presidente del Dipartimento della Terra, Scienze Ambientali e Planetarie al Riso, ha detto che si aspettano una sana dose di scetticismo dai coetanei.

"La vista standard, con cui anche noi eravamo d'accordo e con cui abbiamo scritto documenti concordanti, è che il ferro viene rimosso dalla crosta continentale da un altro minerale chiamato magnetite, " ha detto Lee. "Penso che la gente non abbia pensato molto al granato, forse perché non si vede molto e la magnetite si presenta in molti campioni."

Costruire una causa a favore o contro uno dei due minerali non è facile perché il ferro che sono accusati di aver rubato scompare molte miglia sotto i vulcani attivi. Il primo esempio oggi è l'arco di vulcani che attraversano le Ande in Sud America. Si ritiene che simili archi continentali abbiano formato gran parte delle principali masse continentali della Terra, ma gli scienziati non hanno strumenti in grado di osservare direttamente ciò che accade sotto gli archi vulcanici continentali. Anziché, il mistero del ferro mancante deve essere risolto con un ragionamento deduttivo sui meccanismi interni della Terra e rocce rare che contengono indizi dalla scena del crimine.

"La saggezza accettata è che la magnetite estrae il ferro dalla fusione prima che la fusione salga e venga eruttata negli archi continentali, " disse Tang. "L'esaurimento del ferro è più pronunciato negli archi continentali, dove la crosta è spessa, e molto meno negli archi insulari, dove la crosta è sottile. Però, non c'è una spiegazione ovvia del motivo per cui l'entità del coinvolgimento della magnetite sarebbe correlata allo spessore della crosta".

Ma il granato è correlato. Almandino, un tipo di granato carico di ferro, è più facilmente realizzabile ad alta pressione e ad alta temperatura, il tipo di condizioni che esistono nella zona di subduzione sotto le Ande, dove la crosta continentale può essere spessa fino a 50 miglia, ha detto Lee.

Tang potrebbe non aver mai sospettato il granato se non fosse stato per una gita di Lee e degli studenti nell'Arizona centrale nel 2009 per cercare xenoliti.

"'Xeno' significa straniero e 'lith' significa roccia, " Lee ha detto. "Sono molto più antichi dei vulcani da cui provenivano. Questi vulcani hanno strappato le rocce da 60 a 80 chilometri di profondità, e gli xenoliti vennero fuori come piccoli frammenti. È difficile trovare rocce come questa, ma quando lo fai, ti danno una finestra, una finestra diretta, nelle parti profonde dell'arco continentale, la radice."

Erdman, poi uno studente di dottorato nel laboratorio di Lee, condotto una prima analisi degli xenoliti, e stabilì che si erano formati in un ambiente ad arco continentale ed erano ricchi di granato. Due anni dopo, Lo studente universitario di Rice Graham Eldridge ha trascorso un'estate a caratterizzare gli elementi delle terre rare negli xenoliti e ha trovato indizi che contenevano rapporti di Europio insoliti.

L'europio forma tipicamente minerali che consentono a ciascuno dei suoi atomi di condividere tre elettroni con atomi vicini, uno "stato di ossidazione" che i chimici annotano come Eu+3. L'europio forma anche minerali in cui condivide due elettroni, e la notazione per questo stato meno ossidato è Eu+2. In un ambiente ricco di ossigeno, L'europio si presenta nel suo più alto stato di ossidazione (Eu+3), ma a livelli più intermedi di ossigeno nel mantello può verificarsi sia negli stati Eu+2 che Eu+3.

Gli stati di ossidazione dell'europio che Eldridge ha trovato negli xenoliti dell'Arizona hanno suggerito che si sono formati in condizioni meno ossidate di quanto ci si aspetterebbe nello scenario della magnetite, ma non c'erano dati sufficienti per confermare questa intuizione.

"Gli archi continentali si verificano nelle zone di subduzione, dove una placca tettonica oceanica scivola sotto una placca continentale, " disse Lee. "Quando la placca oceanica viene riciclata di nuovo nel mantello, è opinione diffusa che introduca molto ossigeno nel mantello. Lo scenario della magnetite per l'esaurimento del ferro si basa fortemente sull'idea che queste zone di subduzione siano altamente ossidate in profondità".

Tang si è unito al gruppo di Lee nel 2016 ed è stato incuriosito dai rapporti di Europio negli xenoliti. Tang ha avuto una vasta esperienza nel caratterizzare Europium come parte dei suoi studi di dottorato presso l'Università del Maryland, e iniziò a condurre centinaia di minuziose misurazioni per caratterizzare più precisamente i rapporti di Europio negli xenoliti dell'Arizona.

La qualità dei dati di Tang non solo ha confermato i rapporti di Europium a bassa ossidazione, ma gli ha permesso di sviluppare una nuova ipotesi che legava il tutto:il granato, i rapporti di Europium e il fatto che le croste continentali più spesse sono più prive di ferro delle croste più sottili dell'arco insulare.

"Man mano che la colonna crostale diventa sempre più spessa, come negli archi continentali, la temperatura e la pressione sono abbastanza grandi da produrre questi granati ricchi di ferro, che sono pesanti e affondano, " Tang ha detto. "Il ferro che estraggono è ferro ferroso (Fe +2) e non altamente ossidato. Torna nel mantello, e il ferro che rimane nella fusione ed erutta per diventare parte della crosta continentale diventa ancora più ossidato nel suo cammino verso la superficie."

Per verificare l'ipotesi su scala globale, Tang ha trascorso diversi mesi esaminando i record nel database GEOROC del Max Planck Institute, una raccolta globale completa di analisi pubblicate di rocce vulcaniche e xenoliti del mantello raccolti in tutto il mondo.

"Esiste una relazione tra l'esaurimento del ferro e le firme di frazionamento del granato, il che significa che i magmi che frazionano più granato sono più impoveriti di ferro, " Tang ha detto. "Questo è nato nel record mondiale, ma l'evidenza è qualcosa che non sarebbe ovvia guardando solo uno o due casi. È il tipo di cosa che richiede un database globale, e quelli sono diventati disponibili solo di recente."

Lee ha detto che la scoperta ha importanti implicazioni per la capacità della Terra di sostenere un'atmosfera ricca di ossigeno.

"La fotosintesi produce ossigeno, ma la cosa principale che toglie a lungo l'ossigeno dalla circolazione è l'ossidazione con la crosta, " disse Lee. "Se ciò che esce dai vulcani per formare i continenti è effettivamente già arrugginito, allora non reagirà immediatamente e non esaurirà l'ossigeno nell'atmosfera."

Dopo aver inviato i loro risultati per la pubblicazione peer-reviewed, Tang e Lee hanno scoperto che il famoso petrolologo australiano Ted Ringwood e colleghi avevano implicato il granato piuttosto che la magnetite in alcuni articoli pubblicati 50 anni fa.

"Molte delle persone nel nostro campo hanno un lignaggio scientifico che risale a Ringwood, " ha detto Lee. "Sono sicuro che molti di loro potrebbero dare un'occhiata e pensare che questa sia un'idea folle, ma considerando che il loro trisavolo, accademicamente parlando, aveva speculato su questo, forse siamo in buona compagnia".