Ledtrådar från några ovanliga stenar i Arizona pekade på Rice-universitetets forskare mot en upptäckt-en subtil kemisk signatur i stenar världen över-som kan svara på ett sedan länge gåtfullt mysterium:Vad stal järnet från jordens kontinenter?

Fyndet har tunga konsekvenser. Om järnhalten i kontinentala bergarter var lite större, som det är i klipporna under jordens hav, till exempel, vår atmosfär kan se mer ut som Mars, en planet så full av rostig, oxiderade stenar att det verkar rött även från jorden.

I ett nytt papper tillgängligt online i Vetenskapliga framsteg , Rispetrologer Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman och Graham Eldridge gör ett fodral som granat stjäl mest järn från kontinenter. Hypotesen flyger inför 40 plus år av geofysiskt tänkande, och Tang, en postdoktor, och Lee, professor och ordförande för Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap vid Rice, sa att de förväntar sig en hälsosam dos skepsis från kamrater.

"Standardvy, som även vi instämde i och skrev papper som håller med, är att järn avlägsnas från kontinental skorpa av ett annat mineral som kallas magnetit, "Lee sa." Jag tror att folk inte har tänkt så mycket på granat, möjligen för att den inte dyker upp särskilt mycket och magnetit dyker upp i många prover. "

Att bygga ett fall för eller mot något av mineralerna är inte lätt eftersom järnet de anklagas för att stjäla försvinner många mil under aktiva vulkaner. Det främsta exemplet idag är vulkanbågen som sträcker sig över Anderna i Sydamerika. Liknande kontinentala bågar antas ha bildat mycket av jordens stora landmassor, men forskare har inga instrument som direkt kan observera vad som händer under kontinentala vulkanbågar. Istället, det saknade järnmysteriet måste lösas med deduktivt resonemang om jordens inre arbete och sällsynta stenar som håller ledtrådar från brottet.

"Den accepterade visdomen är att magnetit drar järn ur smältan innan smältan stiger och får utbrott vid kontinentala bågar, "Sa Tang." Järnutarmning är mest uttalad vid kontinentala bågar, där skorpan är tjock, och mycket mindre i öbågar, där skorpan är tunn. Dock, det finns ingen uppenbar förklaring till varför omfattningen av magnetitinblandning skulle korrelera med skorpans tjocklek. "

Men granat korrelerar. Almandine, en järnfylld granat, görs lättare under högt tryck och hög temperatur - den typ av förhållanden som finns i subduktionszonen under Anderna, där kontinental skorpa kan vara så mycket som 50 miles tjock, Sa Lee.

Tang hade kanske aldrig misstänkt granat om det inte var för en utflykt av Lee och studenter till centrala Arizona 2009 för att leta efter xenoliter.

"'Xeno' betyder främmande och 'lith' som betyder rock, "Sa Lee." De är mycket äldre än vulkanerna de kom ifrån. Dessa vulkaner slet upp klipporna från 60 till 80 kilometer djupa, och xenoliterna kom upp som små fragment. Det är svårt att hitta stenar som detta, men när du gör det, de ger dig ett fönster, ett direkt fönster, in i de djupa delarna av kontinentalbågen, roten."

Erdman, sedan en doktorand i Lees laboratorium, genomförde en första analys av xenoliterna, och konstaterade att de bildades i en kontinental bågmiljö och var rika på granat. Två år senare, Risgraden Graham Eldridge tillbringade en sommar med att karakterisera sällsynta jordartsmetaller i xenoliterna och fann tips om att de innehöll ovanliga Europium -förhållanden.

Europium bildar vanligtvis mineraler som gör att var och en av dess atomer kan dela tre elektroner med närliggande atomer, ett "oxidationstillstånd" som kemister anger som Eu+3. Europium bildar också mineraler där det delar två elektroner, och beteckningen för detta mindre oxiderade tillstånd är Eu+2. I en syrefylld miljö, Europium förekommer i sitt högsta oxidationstillstånd (Eu+3), men vid mer mellanliggande nivåer av syre i manteln kan det förekomma i både Eu+2 och Eu+3 tillstånd.

Oxidationstillstånden för Europium som Eldridge hittade i xenoliterna i Arizona föreslog att de bildades under mindre oxiderade förhållanden än vad som skulle förväntas i magnetitscenariet, men det fanns inte tillräckligt med data för att bekräfta denna aning.

"Kontinentala bågar händer vid subduktionszoner, där en oceanisk tektonisk platta glider under en kontinental platta, "Sa Lee." När den oceaniska plattan återvinns tillbaka i manteln, det är allmänt tänkt att införa mycket syre i manteln. Magnetitscenariot för järnutarmning förlitar sig starkt på tanken att dessa subduktionszoner oxideras starkt på djupet. "

Tang gick med i Lees grupp 2016 och fascinerades av Europium -förhållandena i xenoliterna. Tang hade lång erfarenhet av att karakterisera Europium som en del av sina doktorandstudier vid University of Maryland, och han började genomföra hundratals noggranna mätningar för att mer exakt karaktärisera Europium -förhållandena i Arizona -xenoliterna.

Kvaliteten på Tangs data bekräftade inte bara Europium-förhållandena med låg oxidation utan tillät honom att utveckla en ny hypotes som band allt samman:granaten, Europium-förhållandena och det faktum att tjockare kontinentalskorpa är mer järnutarmade än tunnare öbågskorpor.

"När skorpuspelaren blir tjockare och tjockare, som det är vid kontinentala bågar, temperaturen och trycket är tillräckligt stora för att producera dessa järnrika granater, som är tunga och sjunker ut, "Tang sa." Järnet de drar ut är järn (Fe+2) och inte starkt oxiderat. Den går tillbaka in i manteln, och järnet som finns kvar i smältan och bryter ut för att bli en del av kontinentalskorpan oxideras ännu mer på väg till ytan. "

För att testa hypotesen på global nivå, Tang tillbringade flera månader med att undersöka poster i Max Planck -institutets GEOROC -databas, en omfattande global samling av publicerade analyser av vulkaniska bergarter och mantelxenoliter samlade över hela världen.

"Det finns ett samband mellan järnutarmning och granatfraktioneringssignaturerna, vilket betyder magmas som fraktionerar mer granat är mer utarmade i järn, "Tang sa." Detta föds ut i det globala rekordet, men bevisen är något som inte skulle vara uppenbart från att titta på bara ett eller två fall. Det är den typen av saker som kräver en global databas, och de har först nyligen blivit tillgängliga. "

Lee sa att fyndet har viktiga konsekvenser för jordens förmåga att upprätthålla en syrerik atmosfär.

"Fotosyntesen producerar syre, men det främsta som tar ut syre ur cirkulationen under lång tid är oxidation med skorpan, "Sa Lee." Om det som kommer ut från vulkaner för att bilda kontinenterna faktiskt redan är rostat, då reagerar den inte direkt med och tömmer syret i atmosfären. "

Efter att ha lämnat in sina resultat för fackgranskad publikation, Tang och Lee fann att den berömda australiensiska petrologen Ted Ringwood och kollegor hade implicerat granat snarare än magnetit i några artiklar som publicerades för 50 år sedan.

"Många av människorna inom vårt område har en vetenskaplig härkomst som går tillbaka till Ringwood, "Sa Lee." Jag är säker på att många av dem kanske tar en titt och tycker att det här är en galen idé, men med tanke på att deras farfars farfar, akademiskt sett, hade spekulerat i detta, vi kanske är i gott sällskap. "