在山下發現的大陸苗圃
為尋找失蹤的鈮而發現的大陸起源
去年夏天，萊斯大學(Rice University)地球科學家唐明(Ming Tang)在空閒時間養成了一個習慣，那就是在全球礦物數據庫中比較各種岩石中的鈮含量。唐、萊斯岩石學家李金泰(jin - ty Lee)及其同事為地球科學的一個基本問題提供了答案:大陸是在哪裡形成的?“如果我們的結論是正確的，那麼我們現在所處的每一塊土地都是從安第斯山脈或西藏這樣的山區開始的，”唐說。“今天，大多數地方是平的，因為那是大陸地殼的穩定階段。但是我們發現當地殼形成時，它必須從造山的過程開始。
鈮是地球上最稀有的元素之一，它與大陸形成之間的關係，是一個在數十億年的時間裡以分子大小和山脈大小的尺度上演的故事。主要的參與者是鈮和鉭，這兩種稀有金屬如此相似，以至於地質學家經常把它們視為孿生兄弟。唐說:“它們的化學性質非常相似，在大多數地質過程中表現幾乎相同。”“如果你測量鉭和鈮，你會發現它們的比例在地幔中幾乎是恆定的。這意味著當你在岩石中發現更多的鈮時，你會發現更多的鉭，而當你發現更少的鈮時，你會發現更少的鉭。
地幔是地球最厚的一層，從地核到薄薄的外殼之間綿延約1800英里。地球科學家相信,如果有的話,地幔和地核之間移動,但上面的地幔和一切——海底,海洋、陸地和大氣,連接,和許多原子今天在地球表面,包括人類和其他生物的原子,騎在地幔地球46億年的一次或多次。大陸上的岩石是個例外。地質學家們已經發現了一些有40億年曆史的化石，這意味著它們是在地表附近形成的，並停留在地表上，沒有再循環進入地幔。這在一定程度上是由於大陸地殼的性質，其密度遠低於地球海洋下面的玄武岩。他說，地球是已知的唯一一顆既有大陸又有生命的岩石行星，這並非巧合。
李說:“我們每天都生活在大陸上，我們的大部分資源都來自大陸。”“空氣中有氧氣供我們呼吸，溫度適宜，可以維持複雜的生命。”這些事情是如此普遍以至於我們認為它們是理所當然的，但是地球並不是由這些條件開始的。它們在地球歷史的後期發展起來。大陸的出現是塑造我們的星球並使其更適合居住的因素之一。
科學家們仍不清楚大陸是如何起源的，以及它們是如何發展到覆蓋地球表面30%的，但有一條重要線索與地球化學雙胞胎鈮和鉭有關。唐說:“與我們在其他地方看到的岩石相比，大陸地殼中的鈮含量平均要少20%。”“我們相信這種失蹤的鈮與大陸之謎有關。通過解決或找到丟失的鈮，我們可以獲得關於大陸形成的重要信息。
地質學家幾十年前就知道這種不平衡。這當然表明，地球化學過程產生的大陸地殼也移除了鈮。但是丟失的鈮在哪裡呢?這個惱人的問題促使唐利用空閒時間仔細閱讀馬克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)的GEOROC數據庫中的記錄。基於這些搜索和幾個月的後續測試，唐、李和同事們首次提供了物理證據，證明“arclogites”(發音為ARC-loh-jyts)應該對丟失的鈮負責。石英岩是堆積的，是大陸弧底部附近堆積的殘餘渣滓。在極少數情況下，這些積雨雲塊會從火山噴發到地表。
這個水稻研究小組首先把李在亞利桑那州收集到的阿克羅地石礦樣本發給了他們的合作者、武漢中國地質大學的研究員陳康。陳花了一個月的時間對樣品中鈮和鉭的相對含量進行了精確的測定。這些岩石是在高高的塞拉斯山脈形成活躍的大陸弧形時形成的，就像今天的安第斯山脈一樣。
陳的實驗證實了高鈮鉭比，但為了更好地理解這一特徵形成的機理，唐和李利用高精度激光消融和“電感耦合等離子體質譜法”在李的水稻實驗室發現了金紅石礦物。“金紅石是一種承載鈮的礦物質，”他說。“這是一種自然形成的氧化鈦，它實際上是‘看到’鈮和鉭之間的區別，並捕獲一個比另一個多。”但這隻有在特定條件下才會發生。例如，唐說，在超過1000攝氏度的溫度下，金紅石可以捕獲正常比例的鉭和鈮。只有當溫度降至1000攝氏度以下時，它才開始喜歡鈮。唐說，目前已知的唯一具備這種條件的地方是位於大陸弧線之下很深的地方，比如今天的安第斯山脈，或者大約8000萬年前的高塞拉斯山脈。“你需要高壓的原因是，氧化鈦相對來說比較罕見，”他說。“你需要非常高的壓力來迫使它結晶並從岩漿中脫落。”
去年5月，唐和李在《科學進展》雜誌上發表了一篇關於阿克羅蓋特的早期研究，他們發現了一種微妙的化學特徵，可以解釋大陸地殼缺鐵的原因。李說，金紅石和鈮的發現說明了大陸弧在地球歷史上的中心重要性。
“大陸弧就像一個神奇的系統，把一切聯繫在一起，從氣候和大氣中的氧氣濃度到礦床，”李說。“它們死後會成為二氧化碳的蓄水池。”它們可以驅動溫室或冰屋，它們是大陸的基石。
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