В статье, опубликованной в этом месяце Nature Communications, Тан, петролог Райс Син-Тай Ли и его коллеги предложили ответ на один из фундаментальных вопросов науки о Земле: где образуются континенты?
«Если наши выводы верны, то каждый участок земли, на котором мы сейчас сидим, берет свое начало где-нибудь, например, в Андах или Тибете, с очень гористой поверхностью», – сказал Танг, ведущий автор исследования и научный сотрудник постдокторского исследования в отделе исследований Райс. Науки о Земле, окружающей среде и планетах (EEPS). "Сегодня большинство мест плоские, потому что это стабильная стадия континентальной коры.
Но мы обнаружили, что когда образовалась кора, она должна была начаться с горообразовательных процессов."
Связь между ниобием, одним из самых редких элементов Земли, и образованием континентов – это история, которая разыгрывается на протяжении миллиардов лет в масштабах, столь же маленьких, как молекулы, и таких же больших, как горные хребты.
Ведущие игроки – ниобий и тантал, редкие металлы, настолько похожие, 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 – самый толстый слой Земли, охватывающий около 1800 миль между ядром планеты и ее тонкой внешней корой. Земные ученые считают, что между мантией и ядром мало что движется, если вообще что-либо, 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 у людей и других живых существ, прошли через мантию один или несколько раз за четыре четверти Земли.6 миллиардов лет.
Скалы на континентах – исключение.
Геологи обнаружили некоторые из них возрастом до 4 миллиардов лет, что означает, что они сформировались у поверхности и остались на поверхности, не перерабатываясь в мантию. Отчасти это связано с природой континентальной коры, которая намного менее плотна, чем базальтовые породы под океанами Земли.
Ли, профессор и заведующий кафедрой EEPS, сказал, что Земля – единственная скалистая планета, на которой, как известно, есть и континенты, и жизнь, не случайно.
«Каждый день мы живем на континентах, и мы берем большую часть наших ресурсов с континентов», – сказал Ли. "У нас есть кислород в воздухе, чтобы дышать, и температура, необходимая для поддержания сложной жизни. Эти вещи настолько распространены, что мы принимаем их как должное, но Земля изначально не была в этих условиях.
Они появились позже в истории Земли. Появление континентов – одна из тех 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 большая подсказка касается ниобия и тантала, геохимических близнецов.
«В среднем породы континентальной коры содержат примерно на 20 процентов меньше ниобия, чем следовало бы, по сравнению с камнями, которые мы видим повсюду», – сказал Тан. "Мы считаем, что пропавший ниобий связан с загадкой континентов.
Решив или найдя пропавший ниобий, мы можем получить важную информацию о том, как формируются континенты."
Геологи знали о дисбалансе не один десяток лет. И это, безусловно, предполагает, что геохимические процессы, которые образуют континентальную кору, также удаляют ниобий.
Но где пропавший ниобий??
Этот назойливый вопрос побудил Танга проводить свободное время за просмотром записей в базе данных GEOROC Института Макса Планка, всеобъемлющей глобальной коллекции опубликованных анализов вулканических пород.
На основе этих поисков и месяцев последующих тестов Тан, Ли и его коллеги предлагают первое физическое доказательство того, что «арклогиты» (произносится как ARC-loh-jyts) ответственны за отсутствие ниобия.
Арклогиты представляют собой кумуляты, остатки окалины, которые накапливаются у основания континентальных дуг. В редких случаях куски этих кумулятов извергаются на поверхность из вулканов.
Группа Райса сначала отправила образцы арклогита, которые Ли собрал в Аризоне, своему сотруднику Кан Чену, научному сотруднику Китайского университета геолого-геофизических исследований в Ухане. Чен потратил месяц на получение точных показаний относительных количеств ниобия и тантала в образцах. Скалы были созданы, когда Высокие Сьерры были активной континентальной дугой, как сегодня Анды.
Испытания Чена подтвердили высокое соотношение ниобий-тантал, 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.
«Рутил – это минерал, содержащий ниобий», – сказал он. «Это встречающаяся в природе форма оксида титана, и это то, что на самом деле« видит »разницу между ниобием и танталом и улавливает один больше, чем другой."
Но это происходит только при определенных условиях. Например, Тан сказал, что при температуре выше 1000 градусов по Цельсию рутил улавливает нормальные соотношения тантала и ниобия. Он начинает отдавать предпочтение ниобию только тогда, когда температура опускается 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. "Вам 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, Тан и Ли обнаружили тонкую химическую подпись, которая может объяснить, почему континентальная кора обеднена железом. Ли сказал, что открытие рутила и ниобия иллюстрирует центральное значение континентальных дуг в истории Земли.
«Континентальные дуги подобны волшебной системе, которая связывает все вместе, от климата и концентрации кислорода в атмосфере до залежей руды», – сказал Ли. "Они становятся стоком для углекислого газа после смерти. Они могут управлять теплицей или ледником, и они являются строительными блоками континентов."