Прошлым летом в свободное время геолог из Университета Райса Минг Танг имел привычку сравнивать содержание ниобия в различных горных породах в глобальной базе данных минералов. То, что он обнаружил, стоило того, чтобы пропустить несколько ночей с друзьями.
В статье, опубликованной в этом месяце издательством Nature Communications, Танг, петролог Райса Син-Тай Ли и его коллеги предложили ответ на один из фундаментальных вопросов науки о Земле: где формируются континенты?
«Если наши выводы верны, каждый участок земли, на котором мы сейчас сидим, берет свое начало где-то вроде Анд или Тибета, с очень гористой поверхностью», - сказал Танг, ведущий автор исследования и постдокторского исследования. сотрудник Департамента наук о Земле, окружающей среде и планетах Райс (EEPS). «Сегодня большинство мест плоские, потому что это стабильная стадия континентальной коры. Но мы обнаружили, что когда кора сформировалась, она должна была начинаться с процессов горообразования».
Связь между ниобием, одним из самых редких элементов Земли, и формированием континентов - это история, которая разворачивается на протяжении миллиардов лет в масштабах от молекул до масштабов горных хребтов. Ведущими игроками являются ниобий и тантал, редкие металлы, настолько похожие друг на друга, что геологи часто считают их близнецами.
«Они имеют очень похожие химические свойства и ведут себя почти одинаково в большинстве геологических процессов», - сказал Тан.«Если вы измерите тантал и ниобий, вы обнаружите, что их соотношение почти постоянно в мантии Земли. Это означает, что, когда вы найдете больше ниобия в породе, вы найдете больше тантала, а когда вы найдете меньше ниобия, вы найдете меньше тантала.."
Мантия - это самый толстый слой Земли, простирающийся примерно на 1800 миль между ядром планеты и ее тонкой внешней корой. Земные ученые считают, что между мантией и ядром почти ничего не движется, но мантия и все, что над ней - морское дно, океаны, континенты и атмосфера - связаны между собой, и многие из атомов на поверхности Земли сегодня, включая атомы в организме человека и другие живые существа прошли через мантию один или несколько раз за 4,6 миллиарда лет жизни Земли.
Исключением являются скалы на континентах. Геологи обнаружили некоторые из них, возраст которых достигает 4 миллиардов лет, что означает, что они образовались вблизи поверхности и остались на поверхности, не перерабатываясь в мантию. Отчасти это связано с природой континентальной коры, которая гораздо менее плотная, чем базальтовые породы под земными океанами. Ли, профессор и заведующий кафедрой EEPS, сказал, что не случайно Земля является единственной каменистой планетой, на которой есть и континенты, и жизнь.
«Каждый день мы живем на континентах, и мы берем большую часть наших ресурсов с континентов», - сказал Ли. «У нас есть кислород в воздухе для дыхания и нужная температура для поддержания сложной жизни. Эти вещи настолько распространены, что мы принимаем их как должное, но Земля не начиналась с этих условий. Они развились позже в истории Земли. появление континентов - одна из вещей, которые сформировали нашу планету и сделали ее более пригодной для жизни».
Ученым до сих пор не хватает подробностей о том, как возникли континенты и как они выросли, чтобы покрыть 30 процентов поверхности Земли, но одна важная подсказка связана с ниобием и танталом, геохимическими близнецами.
«В среднем породы континентальной коры содержат примерно на 20 процентов меньше ниобия, чем должны, по сравнению с породами, которые мы видим повсюду», - сказал Тан.«Мы считаем, что этот пропавший ниобий связан с загадкой континентов. Разгадав или найдя пропавший ниобий, мы можем получить важную информацию о том, как формируются континенты».
Геологи знали о дисбалансе на протяжении десятилетий. И это определенно предполагает, что геохимические процессы, которые создают континентальную кору, также удаляют ниобий. Но где был пропавший ниобий?
Этот мучительный вопрос побудил Танга провести свободное время за просмотром записей в базе данных GEOROC Института Макса Планка, обширной глобальной коллекции опубликованных анализов вулканических пород.
Основываясь на этих поисках и месяцах последующих тестов, Танг, Ли и их коллеги предлагают первое вещественное доказательство того, что «арклогиты» (произносится как ARC-loh-jyts) несут ответственность за исчезновение ниобия. Арлогиты представляют собой кумуляты, остаточный шлак, который скапливается у основания континентальных дуг. В редких случаях куски этих кумулятов извергаются на поверхность из вулканов.
Группа Райса сначала отправила образцы арлогита, которые Ли собрал в Аризоне, своему сотруднику Кан Чену, научному сотруднику из Китайского университета геонаук в Ухане. Чен потратил месяц на получение точных данных об относительном количестве ниобия и тантала в образцах. Скалы образовались, когда Высокие Сьерры были активной континентальной дугой, как современные Анды.
Испытания Чена подтвердили высокое соотношение ниобия и тантала, но чтобы лучше понять механизм, с помощью которого была разработана эта сигнатура, Тан и Ли использовали высокоточную лазерную абляцию и «масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой» в лаборатории Ли в Райсе, чтобы выявить минерал рутил был ответственным.
«Рутил - это минерал, содержащий ниобий», - сказал он. «Это встречающаяся в природе форма оксида титана, именно она «видит» разницу между ниобием и танталом и улавливает один больше, чем другой».
Но это происходит только при определенных условиях. Например, Тан сказал, что при температурах выше 1000 градусов Цельсия рутил улавливает нормальные соотношения тантала и ниобия. Он начинает отдавать предпочтение ниобию только тогда, когда температура падает ниже 1000 градусов по Цельсию. Тан сказал, что единственное известное место с таким набором условий находится глубоко под континентальными дугами, такими как Анды сегодня или Высокие Сьерры около 80 миллионов лет назад..
«Причина, по которой вам нужно высокое давление, заключается в том, что оксид титана встречается относительно редко», - сказал он. «Нужно очень высокое давление, чтобы заставить его кристаллизоваться и выпасть из магмы».
В более раннем исследовании арклогита, опубликованном в журнале Science Advances в мае прошлого года, Танг и Ли обнаружили тонкую химическую характеристику, которая может объяснить, почему континентальная кора обеднена железом. Ли сказал, что находка и открытие рутила и ниобия иллюстрируют центральное значение континентальных дуг в истории Земли.
«Континентальные дуги похожи на волшебную систему, которая связывает все вместе, от климата и концентрации кислорода в атмосфере до месторождений руды», - сказал Ли.«Они являются поглотителем углекислого газа после смерти. Они могут управлять теплицей или ледником, и они являются строительными блоками континентов».