Des indices provenant de certaines roches inhabituelles de l'Arizona ont dirigé les scientifiques de l'Université Rice vers une découverte - une signature chimique subtile dans les roches du monde entier - qui pourrait répondre à un mystère de longue date :qu'est-ce qui a volé le fer des continents terrestres ?

La découverte a de lourdes implications. Si la teneur en fer des roches continentales était un peu plus élevée, comme il est dans les rochers sous les océans de la Terre, par exemple, notre atmosphère pourrait ressembler davantage à celle de Mars, une planète si jonchée de rouille, roches oxydées qu'il apparaît rouge même de la Terre.

Dans un nouvel article disponible en ligne dans Avancées scientifiques , Les pétrologues du riz Cin-Ty Lee, Ming Tang, Monica Erdman et Graham Eldridge soutiennent que le grenat vole le plus de fer des continents. L'hypothèse va à l'encontre de plus de 40 ans de réflexion géophysique, et Tang, un stagiaire postdoctoral, et Lee, professeur et président du Département de la Terre, Sciences environnementales et planétaires à Rice, ont déclaré s'attendre à une bonne dose de scepticisme de la part de leurs pairs.

"La vue standard, avec lequel même nous étions d'accord et avons écrit des articles avec lesquels nous sommes d'accord, est que le fer est extrait de la croûte continentale par un autre minéral appelé magnétite, " Lee a dit. "Je pense que les gens n'ont pas beaucoup pensé au grenat, peut-être parce qu'elle n'apparaît pas beaucoup et que la magnétite apparaît dans de nombreux échantillons."

Construire un dossier pour ou contre l'un ou l'autre des minéraux n'est pas facile car le fer qu'ils sont accusés d'avoir volé disparaît à plusieurs kilomètres sous les volcans actifs. Le meilleur exemple aujourd'hui est l'arc des volcans qui s'étendent sur les montagnes des Andes en Amérique du Sud. On pense que des arcs continentaux similaires ont formé une grande partie des principales masses continentales de la Terre, mais les scientifiques ne disposent pas d'instruments capables d'observer directement ce qui se passe sous les arcs volcaniques continentaux. Au lieu, le mystère du fer manquant doit être résolu avec un raisonnement déductif sur le fonctionnement interne de la Terre et les roches rares qui contiennent des indices de la scène du crime.

"La sagesse acceptée est que la magnétite tire le fer de la fonte avant que la fonte ne monte et n'éclate au niveau des arcs continentaux, " Tang a dit. " L'épuisement du fer est plus prononcé dans les arcs continentaux, où la croûte est épaisse, et beaucoup moins dans les arcs insulaires, où la croûte est mince. Cependant, il n'y a pas d'explication évidente pour laquelle l'étendue de l'implication de la magnétite serait en corrélation avec l'épaisseur de la croûte."

Mais le grenat est corrélé. Almandin, un type de grenat chargé de fer, est plus facile à faire sous haute pression et haute température - le genre de conditions qui existent dans la zone de subduction sous les Andes, où la croûte continentale peut atteindre jusqu'à 50 milles d'épaisseur, dit Lee.

Tang n'aurait peut-être jamais soupçonné le grenat sans la visite sur le terrain de Lee et d'étudiants dans le centre de l'Arizona en 2009 pour rechercher des xénolithes.

"'Xeno' signifiant étranger et 'lith' signifiant rock, " Lee a dit. "Ils sont beaucoup plus vieux que les volcans d'où ils viennent. Ces volcans ont arraché les roches de 60 à 80 kilomètres de profondeur, et les xénolithes sont apparus sous forme de petits fragments. C'est difficile de trouver des rochers comme ça, mais quand tu le fais, ils vous donnent une fenêtre, une fenêtre directe, dans les parties profondes de l'arc continental, la racine."

Erdman, puis doctorant dans le laboratoire de Lee, réalisé une première analyse des xénolithes, et établi qu'ils se sont formés dans un cadre d'arc continental et étaient riches en grenat. Deux ans plus tard, Graham Eldridge, étudiant de premier cycle au riz, a passé un été à caractériser les éléments de terres rares dans les xénolithes et a découvert des indices indiquant qu'ils contenaient des rapports Europium inhabituels.

L'europium forme généralement des minéraux qui permettent à chacun de ses atomes de partager trois électrons avec des atomes voisins, un "état d'oxydation" que les chimistes notent comme Eu+3. L'europium forme également des minéraux dans lesquels il partage deux électrons, et la notation pour cet état moins oxydé est Eu+2. Dans un environnement riche en oxygène, L'europium est présent dans son état d'oxydation le plus élevé (Eu+3), mais à des niveaux plus intermédiaires d'oxygène dans le manteau, il peut se produire à la fois dans les états Eu+2 et Eu+3.

Les états d'oxydation de l'europium qu'Eldridge a trouvé dans les xénolites de l'Arizona suggèrent qu'ils se sont formés dans des conditions moins oxydées que ce à quoi on pourrait s'attendre dans le scénario de la magnétite, mais il n'y avait pas assez de données pour confirmer cette intuition.

"Les arcs continentaux se produisent dans les zones de subduction, où une plaque tectonique océanique glisse sous une plaque continentale, " Lee a dit. "Quand la plaque océanique est recyclée dans le manteau, on pense généralement qu'il introduit beaucoup d'oxygène dans le manteau. Le scénario de la magnétite pour l'épuisement du fer repose fortement sur l'idée que ces zones de subduction sont fortement oxydées en profondeur. »

Tang a rejoint le groupe de Lee en 2016 et a été intrigué par les ratios Europium dans les xénolithes. Tang avait une vaste expérience de la caractérisation d'Europium dans le cadre de ses études de doctorat à l'Université du Maryland, et il a commencé à effectuer des centaines de mesures minutieuses pour caractériser plus précisément les rapports d'Europium dans les xénolithes de l'Arizona.

La qualité des données de Tang a non seulement confirmé les ratios d'Europium à faible oxydation, mais lui a permis de développer une nouvelle hypothèse qui a tout lié :le grenat, les ratios Europium et le fait que les croûtes continentales plus épaisses sont plus appauvries en fer que les croûtes d'arc insulaires plus minces.

"Comme la colonne crustale devient de plus en plus épaisse, comme c'est le cas aux arcs continentaux, la température et la pression sont suffisamment élevées pour produire ces grenats riches en fer, qui sont lourds et s'enfoncent, " Tang a dit. " Le fer qu'ils extraient est du fer ferreux (Fe+2) et n'est pas fortement oxydé. Il retourne dans le manteau, et le fer qui reste dans la fonte et entre en éruption pour faire partie de la croûte continentale devient encore plus oxydé sur son chemin vers la surface."

Pour tester l'hypothèse à l'échelle mondiale, Tang a passé plusieurs mois à examiner les enregistrements de la base de données GEOROC de l'Institut Max Planck, une collection mondiale complète d'analyses publiées de roches volcaniques et de xénolites du manteau collectés partout dans le monde.

"Il existe une relation entre l'épuisement du fer et les signatures de fractionnement du grenat, ce qui signifie que les magmas qui fractionnent plus de grenat sont plus appauvris en fer, " Tang a dit. " Ceci est né dans le record mondial, mais la preuve est quelque chose qui ne serait pas évident en examinant seulement un ou deux cas. C'est le genre de chose qui nécessite une base de données globale, et ceux-ci ne sont devenus disponibles que récemment."

Lee a déclaré que la découverte avait des implications importantes pour la capacité de la Terre à maintenir une atmosphère riche en oxygène.

"La photosynthèse produit de l'oxygène, mais la principale chose qui retire l'oxygène de la circulation pendant longtemps est l'oxydation avec la croûte, " dit Lee. " Si ce qui sort des volcans pour former les continents est effectivement déjà rouillé, alors il ne réagira pas immédiatement avec et n'épuisera pas l'oxygène dans l'atmosphère."

Après avoir soumis leurs résultats pour une publication évaluée par des pairs, Tang et Lee ont découvert que le célèbre pétrologue australien Ted Ringwood et ses collègues avaient impliqué le grenat plutôt que la magnétite dans quelques articles publiés il y a 50 ans.

"Beaucoup de personnes dans notre domaine ont une lignée scientifique qui remonte à Ringwood, " Lee a déclaré. "Je suis sûr que beaucoup d'entre eux peuvent jeter un coup d'œil et penser que c'est une idée folle, mais considérant que leur arrière-arrière-grand-père, académiquement parlant, avait spéculé là-dessus, peut-être sommes-nous en bonne compagnie."