Las pistas de algunas rocas inusuales de Arizona apuntaron a los científicos de la Universidad de Rice hacia un descubrimiento, una sutil firma química en rocas de todo el mundo, que podría responder a un misterio de larga data:¿Qué robó el hierro de los continentes de la Tierra?

El hallazgo tiene importantes implicaciones. Si el contenido de hierro de las rocas continentales fuera un poco mayor, como está en las rocas debajo de los océanos de la Tierra, por ejemplo, nuestra atmósfera podría parecerse más a la de Marte, un planeta tan lleno de óxido rocas oxidadas que parece rojo incluso desde la Tierra.

En un nuevo artículo disponible en línea en Avances de la ciencia , Los petrólogos de arroz Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman y Graham Eldridge argumentan que el granate roba la mayor cantidad de hierro de los continentes. La hipótesis va en contra de más de 40 años de pensamiento geofísico, y Tang, un becario postdoctoral, y Lee, profesor y presidente del Departamento de Tierra, Ciencias ambientales y planetarias en Rice, dijeron que esperan una buena dosis de escepticismo por parte de sus compañeros.

"La vista estándar, con el que incluso nosotros estuvimos de acuerdo y escribimos artículos de acuerdo, es que el hierro es eliminado de la corteza continental por otro mineral llamado magnetita, ", Dijo Lee." Creo que la gente no ha pensado mucho en el granate, posiblemente porque no aparece mucho y la magnetita aparece en muchas muestras ".

Construir un caso a favor o en contra de cualquiera de los minerales no es fácil porque el hierro que se les acusa de robar desaparece muchas millas debajo de los volcanes activos. El mejor ejemplo de hoy es el arco de volcanes que se extiende por la Cordillera de los Andes en América del Sur. Se cree que arcos continentales similares han formado gran parte de las principales masas terrestres de la Tierra, pero los científicos no tienen instrumentos capaces de observar directamente lo que sucede debajo de los arcos volcánicos continentales. En lugar de, El misterio del hierro perdido debe resolverse con un razonamiento deductivo sobre el funcionamiento interno de la Tierra y las rocas raras que contienen pistas de la escena del crimen.

"La sabiduría aceptada es que la magnetita extrae el hierro de la masa fundida antes de que la masa fundida se eleve y haga erupción en los arcos continentales, ", Dijo Tang." El agotamiento del hierro es más pronunciado en los arcos continentales, donde la corteza es gruesa, y mucho menos en los arcos de islas, donde la corteza es fina. Sin embargo, no hay una explicación obvia de por qué la extensión de la participación de la magnetita se correlacionaría con el grosor de la corteza ".

Pero el granate se correlaciona. Almandina, un tipo de granate cargado de hierro, se hace más fácilmente bajo alta presión y alta temperatura, el tipo de condiciones que existen en la zona de subducción debajo de los Andes, donde la corteza continental puede tener hasta 50 millas de espesor, Dijo Lee.

Tang nunca hubiera sospechado de granate si no fuera por una excursión de Lee y estudiantes al centro de Arizona en 2009 para buscar xenolitos.

"'Xeno' significa extranjero y 'lith' significa roca, "Dijo Lee." Son mucho más antiguos que los volcanes de donde provienen. Estos volcanes rompieron las rocas de 60 a 80 kilómetros de profundidad, y los xenolitos surgieron como pequeños fragmentos. Es difícil encontrar rocas como esta pero cuando lo haces te dan una ventana, una ventana directa, en las partes profundas del arco continental, la raíz."

Erdman, luego un estudiante de doctorado en el laboratorio de Lee, realizó un análisis inicial de los xenolitos, y estableció que se formaron en un marco de arco continental y eran ricos en granate. Dos años después, Graham Eldridge, estudiante de Rice, pasó un verano caracterizando elementos de tierras raras en los xenolitos y encontró indicios de que contenían proporciones de europio inusuales.

El europio generalmente forma minerales que permiten que cada uno de sus átomos comparta tres electrones con átomos cercanos, un "estado de oxidación" que los químicos notan como Eu + 3. El europio también forma minerales en los que comparte dos electrones, y la notación para este estado menos oxidado es Eu + 2. En un ambiente abundante en oxígeno, El europio se presenta en su estado de oxidación más alto (Eu + 3), pero a niveles más intermedios de oxígeno en el manto puede ocurrir tanto en los estados Eu + 2 como Eu + 3.

Los estados de oxidación del europio que Eldridge encontró en los xenolitos de Arizona sugirieron que se formaron en condiciones menos oxidadas de lo que cabría esperar en el escenario de magnetita. pero no había suficientes datos para confirmar esta corazonada.

"Los arcos continentales ocurren en las zonas de subducción, donde una placa tectónica oceánica se desliza debajo de una placa continental, ", Dijo Lee." Cuando la placa oceánica se recicla de nuevo en el manto, Se cree que introduce una gran cantidad de oxígeno en el manto. El escenario de magnetita para el agotamiento del hierro se basa en gran medida en la idea de que estas zonas de subducción están muy oxidadas en profundidad ".

Tang se unió al grupo de Lee en 2016 y estaba intrigado por las proporciones de europio en los xenolitos. Tang tenía una amplia experiencia en la caracterización de Europium como parte de sus estudios de doctorado en la Universidad de Maryland, y comenzó a realizar cientos de meticulosas mediciones para caracterizar con mayor precisión las proporciones de europio en los xenolitos de Arizona.

La calidad de los datos de Tang no solo confirmó las proporciones de europio de baja oxidación, sino que le permitió desarrollar una nueva hipótesis que unía todo:el granate, las proporciones de europio y el hecho de que las costras continentales más gruesas tienen menos hierro que las costras de arco insular más delgadas.

"A medida que la columna de la corteza se vuelve más y más gruesa, como en los arcos continentales, la temperatura y la presión son lo suficientemente altas como para producir estos granates ricos en hierro, que son pesados ​​y se hunden, ", Dijo Tang." El hierro que extraen es hierro ferroso (Fe + 2) y no muy oxidado. Vuelve al manto, y el hierro que permanece en el derretimiento y entra en erupción para convertirse en parte de la corteza continental se oxida aún más en su camino hacia la superficie ".

Para probar la hipótesis a escala global, Tang pasó varios meses examinando registros en la base de datos GEOROC del Instituto Max Planck, una colección global completa de análisis publicados de rocas volcánicas y xenolitos del manto recolectados en todo el mundo.

"Existe una relación entre el agotamiento del hierro y las firmas de fraccionamiento del granate, lo que significa que los magmas que fraccionan más granate están más empobrecidos en hierro, ", Dijo Tang." Esto nace en el registro mundial, pero la evidencia es algo que no sería obvio al observar solo uno o dos casos. Es el tipo de cosas que requieren una base de datos global, y esos solo han estado disponibles recientemente ".

Lee dijo que el hallazgo tiene implicaciones importantes para la capacidad de la Tierra para mantener una atmósfera rica en oxígeno.

"La fotosíntesis produce oxígeno, pero lo principal que saca el oxígeno de la circulación durante mucho tiempo es la oxidación con la corteza, "Dijo Lee." Si lo que sale de los volcanes para formar los continentes ya está oxidado, entonces no reaccionará inmediatamente con el oxígeno de la atmósfera ni lo agotará ".

Después de enviar sus resultados para su publicación revisada por pares, Tang y Lee descubrieron que el renombrado petrólogo australiano Ted Ringwood y sus colegas habían implicado al granate en lugar de la magnetita en unos pocos artículos publicados hace 50 años.

"Muchas de las personas en nuestro campo tienen un linaje científico que se remonta a Ringwood, ", Dijo Lee." Estoy seguro de que muchos de ellos pueden echar un vistazo y pensar que esta es una idea loca, pero considerando que su tatarabuelo, académicamente hablando, había especulado sobre esto, quizás estemos en buena compañía ".