Aanwijzingen van enkele ongewone rotsen in Arizona wezen wetenschappers van de Rice University op een ontdekking - een subtiele chemische handtekening in rotsen over de hele wereld - die een al lang bestaand mysterie zou kunnen beantwoorden:wat stal het ijzer van de continenten van de aarde?

De vondst heeft ingrijpende gevolgen. Als het ijzergehalte van continentale gesteenten wat groter was, zoals het is in de rotsen onder de oceanen van de aarde, bijvoorbeeld, onze atmosfeer lijkt misschien meer op die van Mars, een planeet zo bezaaid met roestig, geoxideerde rotsen dat het zelfs vanaf de aarde rood lijkt.

In een nieuwe krant die online beschikbaar is in wetenschappelijke vooruitgang , Rijstpetrologen Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman en Graham Eldridge beweren dat granaat het meeste ijzer van continenten steelt. De hypothese druist in tegen meer dan 40 jaar geofysisch denken, en Tang, een postdoctoraal onderzoeker, en Leen, hoogleraar en voorzitter van de afdeling Aarde, Milieu- en planetaire wetenschappen bij Rice, zeiden dat ze een gezonde dosis scepsis verwachten van leeftijdsgenoten.

"De standaard weergave, waar we het zelfs mee eens waren en waar we het mee eens waren, is dat ijzer uit de continentale korst wordt verwijderd door een ander mineraal genaamd magnetiet, " zei Lee. "Ik denk dat mensen niet veel over granaat hebben nagedacht, mogelijk omdat het niet erg veel voorkomt en magnetiet in veel monsters voorkomt."

Een pleidooi voor of tegen een van beide mineralen is niet eenvoudig, omdat het ijzer waarvan ze worden beschuldigd, vele kilometers onder actieve vulkanen verdwijnt. Het belangrijkste voorbeeld van vandaag is de boog van vulkanen die het Andesgebergte in Zuid-Amerika overspannen. Er wordt aangenomen dat soortgelijke continentale bogen een groot deel van de belangrijkste landmassa's van de aarde hebben gevormd, maar wetenschappers hebben geen instrumenten die in staat zijn om direct te observeren wat er gebeurt onder continentale vulkanische bogen. In plaats daarvan, het ontbrekende ijzeren mysterie moet worden opgelost met deductieve redeneringen over de innerlijke werking van de aarde en zeldzame rotsen die aanwijzingen bevatten van de plaats delict.

"De geaccepteerde wijsheid is dat magnetiet ijzer uit de smelt trekt voordat de smelt stijgt en bij continentale bogen wordt uitgebarsten, Tang zei. "IJzeruitputting is het meest uitgesproken bij continentale bogen, waar de korst dik is, en veel minder in eilandbogen, waar de korst dun is. Echter, er is geen duidelijke verklaring waarom de mate van magnetietbetrokkenheid zou correleren met de dikte van de korst."

Maar granaat correleert wel. Almandien, een met ijzer beladen soort granaat, wordt gemakkelijker gemaakt onder hoge druk en hoge temperatuur - het soort omstandigheden dat bestaat in de subductiezone onder de Andes, waar continentale korst wel 50 mijl dik kan zijn, zei Lee.

Tang zou granaat misschien nooit hebben vermoed, ware het niet dat Lee en studenten in 2009 een excursie naar het centrum van Arizona hadden gemaakt om xenolieten te zoeken.

"'Xeno' betekent buitenlands en 'lith' wat rots betekent, " zei Lee. "Ze zijn veel ouder dan de vulkanen waar ze vandaan kwamen. Deze vulkanen scheurden de rotsen van 60 tot 80 kilometer diep, en de xenolieten kwamen als kleine fragmenten tevoorschijn. Het is moeilijk om zulke rotsen te vinden, maar als je dat doet, ze geven je een raam, een direct raam, in de diepe delen van de continentale boog, de wortel."

Erdman, toen een doctoraatsstudent in Lee's lab, voerde een eerste analyse uit van de xenolieten, en stelden vast dat ze werden gevormd in een continentale boogomgeving en rijk waren aan granaat. Twee jaar later, Rijst-student Graham Eldridge bracht een zomer door met het karakteriseren van zeldzame aardelementen in de xenolieten en vond aanwijzingen dat ze ongebruikelijke Europium-verhoudingen bevatten.

Europium vormt typisch mineralen waardoor elk van zijn atomen drie elektronen kan delen met nabijgelegen atomen, een "oxidatietoestand" die chemici noteren als Eu+3. Europium vormt ook mineralen waarin het twee elektronen deelt, en de notatie voor deze minder geoxideerde toestand is Eu+2. In een zuurstofrijke omgeving, Europium komt voor in zijn hoogste oxidatietoestand (Eu+3), maar bij meer tussenliggende zuurstofniveaus in de mantel kan het zowel in Eu+2 als Eu+3 toestanden voorkomen.

De oxidatietoestanden van het Europium dat Eldridge in de xenolieten van Arizona vond, suggereerden dat ze zich vormden in minder geoxideerde omstandigheden dan zou worden verwacht in het magnetietscenario, maar er waren niet genoeg gegevens om dit vermoeden te bevestigen.

"Continentale bogen gebeuren in subductiezones, waar een oceanische tektonische plaat onder een continentale plaat schuift, Lee zei. "Als de oceanische plaat terug in de mantel wordt gerecycled, er wordt algemeen aangenomen dat het veel zuurstof in de mantel brengt. Het magnetietscenario voor ijzeruitputting is sterk afhankelijk van het idee dat deze subductiezones op diepte sterk geoxideerd zijn."

Tang trad in 2016 toe tot Lee's groep en was geïntrigeerd door de Europium-verhoudingen in de xenolieten. Tang had uitgebreide ervaring met het karakteriseren van Europium als onderdeel van zijn doctoraatsstudies aan de Universiteit van Maryland, en hij begon honderden nauwgezette metingen uit te voeren om de Europium-verhoudingen in de xenolieten van Arizona nauwkeuriger te karakteriseren.

De kwaliteit van de gegevens van Tang bevestigde niet alleen de lage-oxidatie Europium-verhoudingen, maar stelde hem ook in staat een nieuwe hypothese te ontwikkelen die alles met elkaar verbond:de granaat, de Europium-verhoudingen en het feit dat dikkere continentale korsten meer ijzerarm zijn dan dunnere eilandboogkorsten.

"Naarmate de aardkorst dikker en dikker wordt, zoals het is bij continentale bogen, de temperatuur en druk zijn groot genoeg om deze ijzerrijke granaten te produceren, die zwaar zijn en wegzakken, " zei Tang. "Het ijzer dat ze eruit halen is ijzerhoudend ijzer (Fe+2) en niet sterk geoxideerd. Het gaat terug in de mantel, en het ijzer dat in de smelt achterblijft en uitbarst om deel uit te maken van de continentale korst, wordt zelfs nog meer geoxideerd op zijn weg naar de oppervlakte."

Om de hypothese op wereldschaal te testen, Tang heeft enkele maanden besteed aan het onderzoeken van gegevens in de GEOROC-database van het Max Planck Instituut, een uitgebreide wereldwijde verzameling van gepubliceerde analyses van vulkanisch gesteente en xenolieten van mantels die over de hele wereld zijn verzameld.

"Er is een verband tussen ijzeruitputting en de handtekeningen van granaatfractionering, wat betekent dat magma's die meer granaat fractioneren, meer ijzerarm zijn, Tang zei. "Dit is geboren in het wereldwijde record, maar het bewijs is iets dat niet duidelijk zou zijn als we naar slechts een of twee gevallen kijken. Het is iets dat een wereldwijde database vereist, en die zijn pas sinds kort beschikbaar."

Lee zei dat de vondst belangrijke implicaties heeft voor het vermogen van de aarde om een ​​zuurstofrijke atmosfeer in stand te houden.

"Fotosynthese produceert zuurstof, maar het belangrijkste dat zuurstof lange tijd uit de circulatie haalt, is oxidatie met de korst, Lee zei. "Als wat uit vulkanen komt om de continenten te vormen, in feite al verroest is, dan zal het niet onmiddellijk reageren met en de zuurstof in de atmosfeer uitputten."

Na het indienen van hun resultaten voor peer-reviewed publicatie, Tang en Lee ontdekten dat de beroemde Australische petroloog Ted Ringwood en collega's granaat in plaats van magnetiet hadden gebruikt in een paar artikelen die 50 jaar geleden werden gepubliceerd.

"Veel van de mensen in ons vakgebied hebben een wetenschappelijke afkomst die teruggaat tot Ringwood, " zei Lee. "Ik weet zeker dat velen van hen één blik zullen werpen en denken dat dit een gek idee is, maar aangezien hun betovergrootvader, academisch gesproken, had hierover gespeculeerd, misschien zijn we in goed gezelschap."