Europium peger på ny mistænkt i kontinentalt mysterium

Ledetråde fra nogle usædvanlige sten fra Arizona pegede forskere fra Rice University på en opdagelse-en subtil kemisk signatur i klipper verden over-der kunne besvare et mangeårigt mysterium:Hvad stjal jernet fra Jordens kontinenter?

Fundet har tungtvejende konsekvenser. Hvis jernindholdet i kontinentale klipper var lidt større, som det er i klipperne under Jordens oceaner, for eksempel, vores atmosfære kan se mere ud som Mars, en planet så fyldt med rusten, oxiderede sten, at den ser rød ud selv fra Jorden.

I et nyt papir tilgængeligt online i Videnskab fremskridt , Ris petrologer Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman og Graham Eldridge laver en sag, der granat stjæler mest jern fra kontinenter. Hypotesen flyver over for mere end 40 års geofysisk tænkning, og Tang, en postdoktor, og Lee, professor og formand for Department of Earth, Miljø- og planetariske videnskaber ved Rice, sagde, at de forventer en sund dosis skepsis fra jævnaldrende.

"Standardvisningen, som vi selv var enige om og skrev papirer, der var enige i, er, at jern fjernes fra den kontinentale skorpe af et andet mineral kaldet magnetit, "Sagde Lee." Jeg tror, ​​at folk ikke har tænkt meget over granat, muligvis fordi det ikke viser særlig meget, og magnetit dukker op i mange prøver. "

Det er ikke let at bygge en sag for eller imod et af mineralerne, fordi jernet, de beskyldes for at stjæle, forsvinder mange kilometer under aktive vulkaner. Det bedste eksempel i dag er vulkanbuen, der spænder over Andesbjergene i Sydamerika. Lignende kontinentale buer menes at have dannet meget af Jordens store landmasser, men forskere har ingen instrumenter, der er i stand til direkte at observere, hvad der sker under kontinentale vulkanske buer. I stedet, det manglende jernmysterium skal løses med deduktiv begrundelse om Jordens indre virke og sjældne klipper, der holder spor fra gerningsstedet.

"Den accepterede visdom er, at magnetit trækker jern fra smelten, før smelten stiger og får udbrud ved kontinentale buer, "Sagde Tang." Jernudtømning er mest udtalt ved kontinentale buer, hvor skorpen er tyk, og meget mindre i øbuer, hvor skorpen er tynd. Imidlertid, der er ingen indlysende forklaring på, hvorfor omfanget af magnetitinddragelse ville korrelere med tykkelsen af ​​skorpen. "

Men granat korrelerer. Almandine, en jernladet type granat, laves lettere under højt tryk og høj temperatur - den slags forhold, der findes i subduktionszonen under Andesbjergene, hvor kontinental skorpe kan være så meget som 50 miles tyk, Sagde Lee.

Tang havde måske aldrig mistanke om granat, hvis det ikke var for en ekskursion af Lee og studerende til det centrale Arizona i 2009 for at lede efter xenolitter.

"'Xeno' betyder udenlandsk og 'lith' betyder rock, "Sagde Lee." De er meget ældre end de vulkaner, de kom fra. Disse vulkaner flåede klipperne op fra 60 til 80 kilometer dybt, og xenolitterne kom op som små fragmenter. Det er svært at finde sten som denne, men når du gør det, de giver dig et vindue, et direkte vindue, ind i de dybe dele af den kontinentale bue, roden."

Erdman, derefter en doktorand i Lees laboratorium, foretaget en indledende analyse af xenolitterne, og fastslog, at de blev dannet i kontinentale lysbuer og var rige på granat. To år senere, Ris -bachelor Graham Eldridge tilbragte en sommer med at karakterisere sjældne jordartselementer i xenolitterne og fandt hints om, at de indeholdt usædvanlige Europium -forhold.

Europium danner typisk mineraler, der tillader hvert af dets atomer at dele tre elektroner med nærliggende atomer, en "oxidationstilstand", som kemikere angiver som Eu+3. Europium danner også mineraler, hvor det deler to elektroner, og betegnelsen for denne mindre oxiderede tilstand er Eu+2. I et ilt-rigeligt miljø, Europium forekommer i sin højeste oxidationstilstand (Eu+3), men ved flere mellemliggende niveauer af ilt i kappen kan det forekomme i både Eu+2 og Eu+3 -tilstande.

Europiumets oxidationstilstande, som Eldridge fandt i xenolitterne i Arizona, foreslog, at de dannedes under mindre oxiderede forhold, end man kunne forvente i magnetit-scenariet, men der var ikke nok data til at bekræfte denne anelse.

"Kontinentale buer sker ved subduktionszoner, hvor en oceanisk tektonisk plade glider under en kontinental plade, "Sagde Lee." Når oceanpladen genbruges tilbage i kappen, det menes bredt at indføre en masse ilt i kappen. Magnetitscenariet for jernnedbrydning er stærkt afhængig af tanken om, at disse subduktionszoner er stærkt oxiderede i dybden. "

Tang sluttede sig til Lees gruppe i 2016 og blev fascineret af Europium -forholdene i xenolitterne. Tang havde stor erfaring med at karakterisere Europium som en del af sine doktorgradsstudier ved University of Maryland, og han begyndte at udføre hundredvis af omhyggelige målinger for mere præcist at karakterisere Europium -forholdene i Arizona xenoliths.

Kvaliteten af ​​Tangs data bekræftede ikke kun Europium-forholdene med lavt oxidationsniveau, men tillod ham at udvikle en ny hypotese, der bandt alt sammen:granat, Europium-forholdene og det faktum, at tykkere kontinentale skorper er mere jernforarmede end tyndere øbue skorper.

"Efterhånden som skorpe -søjlen bliver tykkere og tykkere, som det er ved kontinentale buer, temperaturen og trykket er stort nok til at producere disse jernrige granater, som er tunge og synker ud, "Sagde Tang." Jernet, de trækker ud, er jern (Fe+2) og ikke stærkt oxideret. Det går tilbage i kappen, og jernet, der forbliver i smelten og bryder ud for at blive en del af den kontinentale skorpe, bliver endnu mere oxideret på vej til overfladen. "

For at teste hypotesen på global skala, Tang brugte flere måneder på at undersøge optegnelser i Max Planck Instituts GEOROC -database, en omfattende global samling af offentliggjorte analyser af vulkanske klipper og kappe xenolitter indsamlet over hele verden.

"Der er en sammenhæng mellem jernudtømning og granatfraktionering signaturer, hvilket betyder magmas, der fraktionerer mere granat, er mere udarmet i jern, "Sagde Tang." Dette er født ud i den globale rekord, men beviserne er noget, der ikke ville være indlysende ved kun at se på et eller to tilfælde. Det er den slags ting, der kræver en global database, og dem er først for nylig blevet tilgængelige. "

Lee sagde, at fundet har vigtige konsekvenser for Jordens evne til at opretholde en iltrig atmosfære.

"Fotosyntese producerer ilt, men det primære, der tager ilt ud af cirkulation i lang tid, er oxidation med skorpen, "Sagde Lee." Hvis det, der kommer ud af vulkaner for at danne kontinenterne, faktisk allerede er rustet, så vil den ikke umiddelbart reagere med og nedbryde iltet i atmosfæren. "

Efter at have indsendt deres resultater til peer-reviewed publikation, Tang og Lee fandt ud af, at den berømte australske petrolog Ted Ringwood og kolleger havde impliceret granat frem for magnetit i et par papirer, der blev offentliggjort for 50 år siden.

"Mange af menneskene på vores område har en videnskabelig slægt, der går tilbage til Ringwood, "Sagde Lee." Jeg er sikker på, at mange af dem måske tager et blik og synes, at det er en skør idé, men i betragtning af at deres oldefar, akademisk set, havde spekuleret i dette, måske er vi i godt selskab. "