Подсказки, полученные в некоторых необычных горных породах Аризоны, привели ученых из Университета Райса к открытию - тонкому химическому следу в горных породах по всему миру - которое может дать ответ на давнюю загадку: что украло железо с континентов Земли?
Находка имеет серьезные последствия. Если бы содержание железа в континентальных породах было немного выше, как, например, в породах под земными океанами, наша атмосфера могла бы больше походить на атмосферу Марса, планеты, настолько усеянной ржавыми окисленными породами, что кажется красной даже с Земля.
В новой статье, доступной онлайн в журнале Science Advances, петрологи риса Син-Тай Ли, Минг Тан, Моника Эрдман и Грэм Элдридж приводят доводы в пользу того, что гранат крадет больше всего железа с континентов. Эта гипотеза бросает вызов более чем 40-летнему опыту геофизических исследований, и Танг, научный сотрудник с докторской степенью, и Ли, профессор и заведующий кафедрой наук о Земле, окружающей среде и планетах Университета Райса, заявили, что ожидают здоровой дозы скептицизма от коллеги.
«Стандартная точка зрения, с которой согласились даже мы и написали статьи, в которых согласны, заключается в том, что железо удаляется из континентальной коры другим минералом, называемым магнетитом», - сказал Ли. «Я думаю, что люди мало думали о гранате, возможно, потому, что он почти не обнаруживается, а магнетит обнаруживается во многих образцах».
Создать аргументы в пользу или против того или иного минерала непросто, потому что железо, в краже которого их обвиняют, исчезает на много миль ниже действующих вулканов. Ярким примером сегодня является дуга вулканов, которая охватывает Анды в Южной Америке. Считается, что подобные континентальные дуги сформировали большую часть основных массивов суши Земли, но у ученых нет инструментов, способных напрямую наблюдать за тем, что происходит под континентальными вулканическими дугами. Вместо этого тайна пропавшего железа должна быть раскрыта с помощью дедуктивных рассуждений о внутреннем устройстве Земли и редких породах, которые содержат подсказки с места преступления.
«Принято считать, что магнетит вытягивает железо из расплава до того, как расплав поднимется и извергнется на континентальные дуги», - сказал Тан. «Истощение запасов железа наиболее заметно на континентальных дугах, где кора толстая, и в гораздо меньшей степени на островных дугах, где кора тонкая. Однако нет очевидного объяснения, почему степень вовлечения магнетита коррелирует с толщиной коры. корочка."
Но гранат действительно коррелирует. По словам Ли, альмандин, разновидность граната с высоким содержанием железа, легче производить при высоком давлении и высокой температуре - таких условиях, которые существуют в зоне субдукции под Андами, где толщина континентальной коры может достигать 50 миль.
Тан, возможно, никогда бы не заподозрил наличие граната, если бы Ли и его студенты не отправились в центральную Аризону в 2009 году на поиски ксенолитов.
""Xeno" означает иностранный, а "lith" означает рок", - сказал Ли. «Они намного старше вулканов, из которых они произошли. Эти вулканы разорвали породы на глубину от 60 до 80 километров, и ксенолиты появились в виде маленьких фрагментов. Такие камни трудно найти, но когда найдешь, они дают тебе окно, прямое окно, в глубокие части континентальной дуги, корень."
Эрдман, в то время докторант в лаборатории Ли, провел первоначальный анализ ксенолитов и установил, что они образовались в условиях континентальной дуги и были богаты гранатом. Двумя годами позже Грэм Элдридж, студент из Райса, провел лето, описывая редкоземельные элементы в ксенолитах, и обнаружил намеки на то, что они содержат необычное соотношение европия.
Европий обычно образует минералы, которые позволяют каждому из его атомов делиться тремя электронами с соседними атомами, «степень окисления», которую химики обозначают как Eu+3. Европий также образует минералы, в которых он имеет два общих электрона, и это менее окисленное состояние обозначается как Eu+2. В богатой кислородом среде европий находится в самой высокой степени окисления (Eu+3), но при более промежуточных уровнях кислорода в мантии он может находиться как в состояниях Eu+2, так и в состояниях Eu+3.
Состояния окисления европия, обнаруженные Элдриджем в ксенолитах Аризоны, позволяют предположить, что они образовались в менее окисленных условиях, чем можно было бы ожидать в случае с магнетитом, но не было достаточно данных, чтобы подтвердить эту догадку.
«Континентальные дуги возникают в зонах субдукции, где океаническая тектоническая плита скользит под континентальную плиту», - сказал Ли. «Когда океаническая плита возвращается обратно в мантию, широко распространено мнение, что в мантию поступает много кислорода. Сценарий истощения запасов железа с помощью магнетита в значительной степени основан на идее, что эти зоны субдукции сильно окислены на глубине».
Тан присоединился к группе Ли в 2016 году и был заинтригован содержанием европия в ксенолитах. У Тана был обширный опыт определения характеристик европия в рамках его докторантуры в Университете Мэриленда, и он начал проводить сотни кропотливых измерений, чтобы более точно охарактеризовать соотношения европия в ксенолитах Аризоны..
Качество данных Танга не только подтвердило низкоокислительные отношения европия, но и позволило ему разработать новую гипотезу, которая связала все вместе: гранат, отношения европия и тот факт, что более толстые континентальные коры более обеднены железом чем более тонкие корки островной дуги.
«По мере того, как столб земной коры становится все толще и толще, как это происходит на континентальных дугах, температура и давление достаточно высоки, чтобы образовать эти богатые железом гранаты, которые имеют тяжелый вес и тонут», - сказал Тан. «Железо, которое они извлекают, представляет собой двухвалентное железо (Fe+2) и не сильно окисленное. Оно возвращается обратно в мантию, а железо, которое остается в расплаве и извергается, становясь частью континентальной коры, по пути становится еще более окисленным. на поверхность."
Чтобы проверить гипотезу в глобальном масштабе, Тан провел несколько месяцев, изучая записи в базе данных GEOROC Института Макса Планка, обширной глобальной коллекции опубликованных анализов вулканических пород и ксенолитов мантии, собранных по всему миру.
«Существует взаимосвязь между истощением железа и сигнатурами фракционирования граната, что означает, что магмы, которые фракционируют больше граната, более обеднены железом», - сказал Тан. «Это подтверждается глобальными записями, но доказательства - это то, что не было бы очевидным при рассмотрении всего одного или двух случаев. Это то, что требует глобальной базы данных, а они стали доступны только недавно».
Ли сказал, что находка имеет важное значение для способности Земли поддерживать богатую кислородом атмосферу.
«Фотосинтез производит кислород, но основное, что выводит кислород из циркуляции на долгое время, - это окисление в земной коре», - сказал Ли.«Если то, что выходит из вулканов, образуя континенты, фактически уже заржавело, то оно не будет немедленно реагировать и истощать кислород в атмосфере».
После отправки своих результатов в рецензируемую публикацию Тан и Ли обнаружили, что известный австралийский петролог Тед Рингвуд и его коллеги в нескольких статьях, опубликованных 50 лет назад, указывали на гранат, а не на магнетит.
"Многие из людей в нашей области имеют научную родословную, которая восходит к Рингвуду", сказал Ли. «Я уверен, что многие из них могут взглянуть и подумать, что это безумная идея, но, учитывая, что их прапрадедушка, с академической точки зрения, размышлял об этом, возможно, мы в хорошей компании».
Исследование было поддержано грантом Frontiers of Earth Systems and Dynamics от Национального научного фонда.