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为寻找失踪的铌而发现的大陆起源

2019-05-28来源:善知识与道

在山下发现的大陆苗圃

为寻找失踪的铌而发现的大陆起源

去年夏天,莱斯大学(Rice University)地球科学家唐明(Ming Tang)在空闲时间养成了一个习惯,那就是在全球矿物数据库中比较各种岩石中的铌含量。唐、莱斯岩石学家李金泰(jin - ty Lee)及其同事为地球科学的一个基本问题提供了答案:大陆是在哪里形成的?“如果我们的结论是正确的,那么我们现在所处的每一块土地都是从安第斯山脉或西藏这样的山区开始的,”唐说。“今天,大多数地方是平的,因为那是大陆地壳的稳定阶段。但是我们发现当地壳形成时,它必须从造山的过程开始。

铌是地球上最稀有的元素之一,它与大陆形成之间的关系,是一个在数十亿年的时间里以分子大小和山脉大小的尺度上演的故事。主要的参与者是铌和钽,这两种稀有金属如此相似,以至于地质学家经常把它们视为孪生兄弟。唐说:“它们的化学性质非常相似,在大多数地质过程中表现几乎相同。”“如果你测量钽和铌,你会发现它们的比例在地幔中几乎是恒定的。这意味着当你在岩石中发现更多的铌时,你会发现更多的钽,而当你发现更少的铌时,你会发现更少的钽。

地幔是地球最厚的一层,从地核到薄薄的外壳之间绵延约1800英里。地球科学家相信,如果有的话,地幔和地核之间移动,但上面的地幔和一切——海底,海洋、陆地和大气,连接,和许多原子今天在地球表面,包括人类和其他生物的原子,骑在地幔地球46亿年的一次或多次。大陆上的岩石是个例外。地质学家们已经发现了一些有40亿年历史的化石,这意味着它们是在地表附近形成的,并停留在地表上,没有再循环进入地幔。这在一定程度上是由于大陆地壳的性质,其密度远低于地球海洋下面的玄武岩。他说,地球是已知的唯一一颗既有大陆又有生命的岩石行星,这并非巧合。

李说:“我们每天都生活在大陆上,我们的大部分资源都来自大陆。”“空气中有氧气供我们呼吸,温度适宜,可以维持复杂的生命。”这些事情是如此普遍以至于我们认为它们是理所当然的,但是地球并不是由这些条件开始的。它们在地球历史的后期发展起来。大陆的出现是塑造我们的星球并使其更适合居住的因素之一。

科学家们仍不清楚大陆是如何起源的,以及它们是如何发展到覆盖地球表面30%的,但有一条重要线索与地球化学双胞胎铌和钽有关。唐说:“与我们在其他地方看到的岩石相比,大陆地壳中的铌含量平均要少20%。”“我们相信这种失踪的铌与大陆之谜有关。通过解决或找到丢失的铌,我们可以获得关于大陆形成的重要信息。

地质学家几十年前就知道这种不平衡。这当然表明,地球化学过程产生的大陆地壳也移除了铌。但是丢失的铌在哪里呢?这个恼人的问题促使唐利用空闲时间仔细阅读马克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)的GEOROC数据库中的记录。基于这些搜索和几个月的后续测试,唐、李和同事们首次提供了物理证据,证明“arclogites”(发音为ARC-loh-jyts)应该对丢失的铌负责。石英岩是堆积的,是大陆弧底部附近堆积的残余渣滓。在极少数情况下,这些积雨云块会从火山喷发到地表。

这个水稻研究小组首先把李在亚利桑那州收集到的阿克罗地石矿样本发给了他们的合作者、武汉中国地质大学的研究员陈康。陈花了一个月的时间对样品中铌和钽的相对含量进行了精确的测定。这些岩石是在高高的塞拉斯山脉形成活跃的大陆弧形时形成的,就像今天的安第斯山脉一样。

陈的实验证实了高铌钽比,但为了更好地理解这一特征形成的机理,唐和李利用高精度激光消融和“电感耦合等离子体质谱法”在李的水稻实验室发现了金红石矿物。“金红石是一种承载铌的矿物质,”他说。“这是一种自然形成的氧化钛,它实际上是‘看到’铌和钽之间的区别,并捕获一个比另一个多。”但这只有在特定条件下才会发生。例如,唐说,在超过1000摄氏度的温度下,金红石可以捕获正常比例的钽和铌。只有当温度降至1000摄氏度以下时,它才开始喜欢铌。唐说,目前已知的唯一具备这种条件的地方是位于大陆弧线之下很深的地方,比如今天的安第斯山脉,或者大约8000万年前的高塞拉斯山脉。“你需要高压的原因是,氧化钛相对来说比较罕见,”他说。“你需要非常高的压力来迫使它结晶并从岩浆中脱落。”

去年5月,唐和李在《科学进展》杂志上发表了一篇关于阿克罗盖特的早期研究,他们发现了一种微妙的化学特征,可以解释大陆地壳缺铁的原因。李说,金红石和铌的发现说明了大陆弧在地球历史上的中心重要性。

“大陆弧就像一个神奇的系统,把一切联系在一起,从气候和大气中的氧气浓度到矿床,”李说。“它们死后会成为二氧化碳的蓄水池。”它们可以驱动温室或冰屋,它们是大陆的基石。

为寻找失踪的铌而发现的大陆起源

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