在去年夏天的空閑時間里，萊斯大學地球科學家Ming Tang養(yǎng)成了在全球礦物數(shù)據(jù)庫中比較各種巖石中鈮含量的習慣。他發(fā)現(xiàn)的東西值得與朋友一起跳過幾個晚上。
在本月由Nature Communications，Tang 發(fā)表的一篇論文中，賴斯巖石學家Cin-Ty Lee及其同事提出了一個地球科學基本問題的答案：大陸在哪里形成?
“如果我們的結論是正確的，那么我們現(xiàn)在所處的每片土地都會從安第斯山脈或西藏開始，有非常多山的表面，”該研究的主要作者，賴斯系的博士后研究員唐說。地球，環(huán)境和行星科學(EEPS)。“今天，大多數(shù)地方都是平坦的，因為那是大陸地殼的穩(wěn)定階段。但我們發(fā)現(xiàn)，當?shù)貧ば纬蓵r，它必須從山體建造過程開始。”
鈮是地球上最稀有的元素之一與大陸形成之間的聯(lián)系，這個故事在數(shù)十億年的分子和小山脈一樣小的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。領先的參與者是鈮和鉭，稀有金屬如此相似，地質學家通常認為它們是雙胞胎。
“它們具有非常相似的化學性質，在大多數(shù)地質過程中幾乎完全相同，”唐說。“如果你測量鉭和鈮，你會發(fā)現(xiàn)它們在地幔中的比例幾乎是恒定的。這意味著當你在巖石中發(fā)現(xiàn)更多的鈮時，你會發(fā)現(xiàn)更多的鉭，當你發(fā)現(xiàn)更少的鈮時，你會發(fā)現(xiàn)更少的鉭“。
地幔是地球最厚的層，跨越行星的核心和薄薄的外殼之間約1,800英里。地球科學家認為，在地幔和核心之間幾乎沒有任何移動，但是地幔及其上面的一切 - 海底，海洋，大陸和大氣 - 是連通的，今天地球表面上的許多原子，包括原子在人類和其他生物中，在地球46億年中，它已經(jīng)在地幔中循環(huán)了一次或多次。
大陸的巖石是個例外。地質學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些長達40億年的地質學家，這意味著他們在地表附近形成并停留在地表上，而沒有被回收到地幔中。這部分歸因于大陸地殼的性質，大陸地殼的密度遠低于地球海洋下的玄武巖。李教授和EEPS部門主席表示，地球是唯一一個擁有大陸和生命的巖石行星并非巧合。
“我們每天都生活在各大洲，我們從大陸獲取大部分資源，”李說。“我們在空氣中有氧氣來呼吸，并且氣溫合適，以支持復雜的生命。這些事情非常普遍，我們認為它們是理所當然的，但地球并沒有從這些條件開始。它們是在地球歷史上發(fā)展起來的。大陸的出現(xiàn)是塑造我們星球并使其更宜居的事物之一。“
科學家們?nèi)匀蝗狈﹃P于大陸如何開始以及它們?nèi)绾紊L以覆蓋地球表面30%的細節(jié)，但一個重要線索涉及地球化學雙胞胎鈮和鉭。
“平均而言，與我們在其他地方看到的巖石相比，大陸地殼中的巖石的鈮含量比它們應該減少約20%，”唐說。“我們相信這個缺失的鈮與大陸之謎聯(lián)系在一起。通過解決或找到失蹤的鈮，我們可以獲得有關大陸如何形成的重要信息。”
幾十年來，地質學家已經(jīng)知道這種不平衡。它肯定表明產(chǎn)生大陸地殼的地球化學過程也會去除鈮。但缺少的鈮在哪里?
這個嘮叨的問題促使唐在空閑時間閱讀馬克斯普朗克研究所的GEOROC數(shù)據(jù)庫，這是一份全面的全球火山巖分析數(shù)據(jù)集。
根據(jù)這些搜索和數(shù)月的后續(xù)測試，Tang，Lee及其同事提供了第一個物理證據(jù)，即“arclogites”(發(fā)音為ARC-loh-jyts)是造??成缺失的鈮的原因。Arclogites是累積的，剩余的渣滓積聚在大陸弧基部附近。在極少數(shù)情況下，這些積累的大塊從火山噴發(fā)到地表。
賴斯小組首先將李在亞利桑那州收集的榴輝巖樣品送給了他們的合作者，康辰，他是武漢中國地質大學的研究員。陳花了一個月的時間準確讀取樣品中鈮和鉭的相對含量。當高山脈是活躍的大陸弧時，巖石就像今天的安第斯山脈一樣。
Chen的測試證實了高鈮 - 鉭比率，但為了更好地理解這種特征的發(fā)展機制，Tang和Lee在Lee的Lee實驗室中使用高精度激光燒蝕和“電感耦合等離子體質譜法”來揭示礦物金紅石是負責任的。
“金紅石是攜帶鈮的礦物質，”他說。“它是一種天然存在的氧化鈦形式，它實際上是'看到'鈮和鉭之間的區(qū)別，并且捕獲的比另一種更多。”
但這只在特定條件下發(fā)生。例如，唐說，在高于1000攝氏度的溫度下，金紅石捕獲鉭和鈮的正常比例。當溫度低于1000攝氏度時，它才開始偏愛鈮。唐說，具有這種條件的唯一已知地點是大陸弧下方，如今天的安第斯山脈或大約8000萬年前的高山脈。
“你需要高壓的原因是氧化鈦相對稀少，”他說。“你需要非常高的壓力才能迫使它結晶并從巖漿中掉出來。”
在去年5月發(fā)表于Science Advances的早期arclogite研究中，Tang和Lee發(fā)現(xiàn)了一種微妙的化學特征，可以解釋為什么大陸地殼是鐵缺乏的。李說，發(fā)現(xiàn)和發(fā)現(xiàn)金紅石和鈮表明了大陸弧在地球歷史中的重要性。
“從大氣中的氣候和氧氣濃度到礦床，大陸弧就像一個將所有東西連接在一起的神奇系統(tǒng)，”Lee說。“它們在死后會成為二氧化碳的匯集。它們可以驅動溫室或冰室，它們是大陸的基石。”