研究发现，稀土元素与大陆缺少铁的石榴石有关

来自一些不寻常的亚利桑那岩石的线索指出，赖斯大学的科学家们正在发现一种发现 - 全世界岩石中的微妙化学特征 - 可以回答长久以来的谜团：什么东西从地球大陆偷走了铁?

这个发现有重要的影响。例如，如果大陆岩石的铁含量稍大一点，比如在地球海洋下面的岩石中，我们的大气看起来可能更像火星，这个星球上充满了生锈的氧化岩石，甚至从它看起来也是红色的地球。

一篇新论文，赖斯石油学家Cin-Ty Lee，Ming Tang，Monica Erdman和Graham Eldridge做出了一个案例：石榴石从大陆偷走了大部分铁。这个假设面临着40多年的地球物理思想，而唐博士是博士后研究员，李教授，莱斯地球环境和行星科学系教授和主席表示，他们预计会产生一定程度的怀疑同行。

“即使我们同意并撰写论文同意的标准观点是，铁被另一种称为磁铁矿的矿物从大陆地壳中去除，”李说。“我认为人们对石榴石的想法并不多，可能是因为石榴石并不多，磁铁矿出现在很多样品中。”

建立一个针对或不针对这两种矿物的案例并不容易，因为他们被指控偷窃的铁在活火山下方消失了许多英里。今天的主要例子是横跨南美安第斯山脉的火山弧。类似的大陆弧被认为已经形成了大部分地球的主要大陆，但是科学家没有能够直接观测大陆火山弧下发生的事件的仪器。相反，必须通过关于地球内部运作以及从犯罪现场掌握线索的稀有岩石的演绎推理来解决缺少的铁神秘问题。

“公认的看法是，磁铁矿在熔体上升之前将铁从熔体中拉出，并在大陆弧处喷出，”唐说。“铁的损耗在大陆弧处最为明显，在那里地壳较厚，岛弧较薄，地壳很薄。然而，没有明确的解释，为什么磁铁矿的侵入程度与厚度有关脆皮。”

但石榴石确实相关。阿尔曼迪因是一种含铁的石榴石，在高压和高温条件下更容易生产 - 这是安第斯山脉下俯冲带中存在的那种条件，大陆地壳厚达50英里，Lee说。

唐可能永远不会怀疑石榴石是否由李和学生在2009年到亚利桑那州中部实地考察寻找捕虏体。

“'Xeno'意思是外来的，'岩石'意思是岩石，”Lee说。“它们比它们来自的火山要古老得多，这些火山将岩石从60-80公里深的岩石上撕下来，而且捕虏体的碎片很少，很难找到这样的岩石，但是当你这样做时，它们会给你一扇窗户，一扇直接窗户，进入大陆弧深部，根部。“

Erdman是Lee实验室的一名博士生，对捕虏体进行了初步分析，并确定它们形成于大陆弧环境中，石榴石丰富。两年后，赖斯大学生格雷厄姆埃尔德里奇花了一个夏季表征了捕虏体中的稀土元素，并发现他们含有不寻常的铕比值的暗示。

铕典型地形成允许其每个原子与附近原子共享三个电子的矿物，化学家称其为“Eu + 3”的“氧化态”。铕也形成它共享两个电子的矿物，并且这种较低氧化态的符号是Eu + 2。在富氧环境中，铕以其最高氧化态(Eu + 3)发生，但在地幔中更多的中等氧含量下，它可以在Eu + 2和Eu + 3两种状态下发生。

埃尔德里奇在亚利桑那捕虏体中发现的铕的氧化态表明它们在低氧化条件下形成的比在磁铁矿情况下预期的要低，但没有足够的数据证实这种预感。

“大陆弧发生在俯冲带，海洋构造板块在大陆板块下滑动，”Lee说。“当大洋板块被再循环回地幔时，人们普遍认为向地幔中引入大量氧气，而磁铁矿的铁耗情况严重依赖于这些俯冲带深度氧化的观点。”

唐在2016年加入了Lee的团队，对于捕虏体中的铕比例很感兴趣。Tang在马里兰大学的博士研究中拥有丰富的铕特征经验，他开始进行了数百次艰苦的测量，以更准确地表征亚利桑那捕蝇体中的铕比。

唐的数据质量不仅证实了低氧化铕比率，而且让他开创了一个新的假设，将所有的东西都联系在一起：石榴石，铕比值和事实：较厚的陆壳比较薄的岛弧结壳更耗铁。

“随着地壳柱越来越厚，因为它在大陆弧上，温度和压力足以产生这些沉重而沉没的富铁石榴石，”唐说。“他们拔出的铁是二价铁(Fe + 2)，并没有被高度氧化，它又回到地幔中，留在熔体中并爆发成为大陆地壳一部分的铁在其途中变得更加氧化到表面。”

为了在全球范围内检验这一假设，唐在花了几个月时间检查了马克斯普朗克研究所的GEOROC数据库中的记录，该数据库是全球范围内收集的全球发布的火山岩和地幔捕虏体分析报告。

“铁耗竭与石榴石分馏签名之间有关系，这意味着分馏更多石榴石的岩浆更多地耗尽了铁，”Tang说。“这是在全球记录中诞生的，但证据是从一两个案例中看不出来的东西，这是需要全球数据库的事情，而这些只是最近才有的。”

李说，这个发现对地球维持富氧环境的能力具有重要意义。

“光合作用产生氧气，但长时间将氧气从循环中排出的主要原因是氧化与地壳，”李说。“如果从火山形成的大陆已经生锈了，那么它不会立即与大气中的氧气反应并消耗大气中的氧气。”

在提交他们的同行评审结果后，唐和李发现，50年前出版的几篇论文中，着名的澳大利亚石油学家泰德灵伍德和他的同事曾牵连石榴石而不是磁石。

“我们领域的许多人拥有可回到灵伍德的科学血统，”李说。“我相信他们中的很多人可能会看一眼，并认为这是一个疯狂的想法，但考虑到他们的曾祖父在学术上已经猜测了这一点，或许我们是在一个很好的公司。”

该研究得到了美国国家科学基金会的地球系统和动力学前沿资助。