Jordens kontinentale planteskoler opdaget under bjerge

I sin fritid sidste sommer, Rice University geovidenskabsmand Ming Tang gjorde det til en vane at sammenligne niobiumindholdet i forskellige bjergarter i en global mineraldatabase. Det, han fandt, var værd at springe et par nætter ud med venner.

I et papir udgivet i denne måned af Naturkommunikation , Tang, Rispetrolog Cin-Ty Lee og kolleger tilbød et svar på et af jordvidenskabens grundlæggende spørgsmål:Hvor dannes kontinenter?

"Hvis vores konklusioner er rigtige, hvert stykke jord, som vi nu sidder på, startede et sted som Andesbjergene eller Tibet, med meget bjergrige overflader, " sagde Tang, hovedforfatter af undersøgelsen og en postdoktoral forskningsmedarbejder i Rice's Department of Earth, Miljø- og planetvidenskab (EEPS). "I dag, de fleste steder er flade, fordi det er den stabile fase af den kontinentale skorpe. Men det, vi fandt, var, at da skorpen blev dannet, det skulle starte med bjergbygningsprocesser."

Forbindelsen mellem niobium, et af jordens mest sjældne grundstoffer, og kontinentdannelse er en historie, der udspiller sig over milliarder af år på skalaer så små som molekyler og så store som bjergkæder. De førende spillere er niobium og tantal, sjældne metaller så ens, at geologer ofte tænker på dem som tvillinger.

"De har meget ens kemiske egenskaber og opfører sig næsten identisk i de fleste geologiske processer, " sagde Tang. "Hvis du måler tantal og niobium, du opdager, at deres forhold er næsten konstant i Jordens kappe. Det betyder, at når du finder mere niob i en sten, du vil finde mere tantal, og når du finder mindre niob, du vil finde mindre tantal."

Kappen er Jordens tykkeste lag, spænder over omkring 1, 800 miles mellem planetens kerne og dens tynde ydre skorpe. Jordforskere mener, at lidt, hvis noget, bevæger sig mellem kappe og kerne, men kappen og alt over den - havbunden, oceaner, kontinenter og atmosfære - hænger sammen, og mange af atomerne på Jordens overflade i dag, inklusive atomer i mennesker og andre levende ting, har cyklet gennem kappen en eller flere gange i Jordens 4,6 milliarder år.

Klipperne på kontinenter er en undtagelse. Geologer har fundet nogle, der er op til 4 milliarder år gamle, hvilket betyder, at de blev dannet nær overfladen og forblev på overfladen, uden at blive genbrugt i kappen. Det skyldes til dels naturen af ​​kontinental skorpe, som er langt mindre tæt end de basaltiske klipper under Jordens oceaner. Lee, professor og EEPS afdelingsformand, sagde, at det ikke er tilfældigt, at Jorden er den eneste klippeplanet, der er kendt for at have både kontinenter og liv.

"Hver dag lever vi på kontinenter, og vi tager de fleste af vores ressourcer fra kontinenter, " sagde Lee. "Vi har ilt i luften til at trække vejret og den helt rigtige temperatur til at understøtte komplekst liv. Disse ting er så almindelige, at vi tager dem for givet, men Jorden startede ikke med disse forhold. De udviklede sig senere i Jordens historie. Og fremkomsten af ​​kontinenter er en af ​​de ting, der formede vores planet og gjorde den mere beboelig."

Forskere mangler stadig detaljer om, hvordan kontinenter fik deres start, og hvordan de voksede til at dække 30 procent af Jordens overflade, men et stort spor vedrører niobium og tantal, de geokemiske tvillinger.

"Gennemsnitlig, klipperne i den kontinentale skorpe har omkring 20 procent mindre niobium, end de burde sammenlignet med den klippe, vi ser alle andre steder, " sagde Tang. "Vi tror, ​​at dette manglende niobium er knyttet til kontinenternes mysterium. Ved at løse eller finde det manglende niobium, vi kan få vigtig information om, hvordan kontinenter dannes."

Geologer har kendt til ubalancen i årtier. Og det tyder bestemt på, at de geokemiske processer, der producerer kontinental skorpe, også fjerner niobium. Men hvor var det manglende niobium?

Det nagende spørgsmål fik Tang til at bruge sin fritid på at læse optegnelser i Max Planck Instituttets GEOROC-database, en omfattende global samling af offentliggjorte analyser af vulkanske bjergarter.

Baseret på disse søgninger og måneders opfølgningstest, Tang, Lee og kolleger tilbyder det første fysiske bevis på, at "arclogites" (udtales ARC-loh-jyts) er ansvarlige for det manglende niobium. Arclogites er kumulater, den resterende slagg, der samler sig nær bunden af ​​kontinentale buer. I sjældne tilfælde, bidder af disse kumulater bryder ud på overfladen fra vulkaner.

Rice-gruppen sendte først arclogite-prøver, som Lee havde indsamlet i Arizona til deres samarbejdspartner, Kang Chen, en forskningsstipendiat med base ved China University of Geosciences i Wuhan. Chen brugte en måned på at få præcise aflæsninger af de relative mængder af niobium og tantal i prøverne. Klipperne blev skabt, da High Sierras var en aktiv kontinental bue, som Andesbjergene i dag.

Chens test bekræftede høje niobium-tantal-forhold, men for bedre at forstå mekanismen, hvorved denne signatur blev udviklet, Tang and Lee used high precision laser ablation and "inductively coupled plasma mass spectrometry" in Lee's laboratory at Rice to reveal the mineral rutile was responsible.

"Rutile is the mineral that hosts the niobium, " he said. "It's a naturally occurring form of titanium oxide, and it is what actually 'sees' the difference between niobium and tantalum and captures one more than the other."

But that happens only under specific conditions. For eksempel, Tang said that at temperatures above 1, 000 grader Celsius, rutile traps normal ratios of tantalum and niobium. It only begins to prefer niobium when temperatures drop below 1, 000 grader Celsius. Tang said the only known place with that set of conditions is deep beneath continental arcs, like the Andes today or the High Sierras about 80 million years ago.

"The reason you need high pressure is that titanium oxide is relatively rare, " he said. "You need very high pressure to force it to crystalize and fall out of the magma."

In an earlier arclogite study published in Science Advances last May, Tang and Lee discovered a subtle chemical signature that can explain why continental crust is iron-depleted. Lee said that finding and the discovery about rutile and niobium illustrate the central importance of continental arcs in Earth history.

"Continental arcs are like a magic system that links everything together, from climate and oxygen concentrations in the atmosphere to ore deposits, " Lee said. "They're a sink for carbon dioxide after they die. They can drive greenhouse or icehouse, and they are the building blocks of continents."