在去年夏天的空闲时间里，莱斯大学地球科学家Ming Tang养成了在全球矿物数据库中比较各种岩石中铌含量的习惯。他发现的东西值得与朋友一起跳过几个晚上。
在本月由Nature Communications，Tang 发表的一篇论文中，赖斯岩石学家Cin-Ty Lee及其同事提出了一个地球科学基本问题的答案：大陆在哪里形成?
“如果我们的结论是正确的，那么我们现在所处的每片土地都会从安第斯山脉或西藏开始，有非常多山的表面，”该研究的主要作者，赖斯系的博士后研究员唐说。地球，环境和行星科学(EEPS)。“今天，大多数地方都是平坦的，因为那是大陆地壳的稳定阶段。但我们发现，当地壳形成时，它必须从山体建造过程开始。”
铌是地球上最稀有的元素之一与大陆形成之间的联系，这个故事在数十亿年的分子和小山脉一样小的范围内发挥作用。领先的参与者是铌和钽，稀有金属如此相似，地质学家通常认为它们是双胞胎。
“它们具有非常相似的化学性质，在大多数地质过程中几乎完全相同，”唐说。“如果你测量钽和铌，你会发现它们在地幔中的比例几乎是恒定的。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，当你发现更少的铌时，你会发现更少的钽“。
地幔是地球最厚的层，跨越行星的核心和薄薄的外壳之间约1,800英里。地球科学家认为，在地幔和核心之间几乎没有任何移动，但是地幔及其上面的一切 - 海底，海洋，大陆和大气 - 是连通的，今天地球表面上的许多原子，包括原子在人类和其他生物中，在地球46亿年中，它已经在地幔中循环了一次或多次。
大陆的岩石是个例外。地质学家已经发现了一些长达40亿年的地质学家，这意味着他们在地表附近形成并停留在地表上，而没有被回收到地幔中。这部分归因于大陆地壳的性质，大陆地壳的密度远低于地球海洋下的玄武岩。李教授和EEPS部门主席表示，地球是唯一一个拥有大陆和生命的岩石行星并非巧合。
“我们每天都生活在各大洲，我们从大陆获取大部分资源，”李说。“我们在空气中有氧气来呼吸，并且气温合适，以支持复杂的生命。这些事情非常普遍，我们认为它们是理所当然的，但地球并没有从这些条件开始。它们是在地球历史上发展起来的。大陆的出现是塑造我们星球并使其更宜居的事物之一。“
科学家们仍然缺乏关于大陆如何开始以及它们如何生长以覆盖地球表面30%的细节，但一个重要线索涉及地球化学双胞胎铌和钽。
“平均而言，与我们在其他地方看到的岩石相比，大陆地壳中的岩石的铌含量比它们应该减少约20%，”唐说。“我们相信这个缺失的铌与大陆之谜联系在一起。通过解决或找到失踪的铌，我们可以获得有关大陆如何形成的重要信息。”
几十年来，地质学家已经知道这种不平衡。它肯定表明产生大陆地壳的地球化学过程也会去除铌。但缺少的铌在哪里?
这个唠叨的问题促使唐在空闲时间阅读马克斯普朗克研究所的GEOROC数据库，这是一份全面的全球火山岩分析数据集。
根据这些搜索和数月的后续测试，Tang，Lee及其同事提供了第一个物理证据，即“arclogites”(发音为ARC-loh-jyts)是造成缺失的铌的原因。Arclogites是累积的，剩余的渣滓积聚在大陆弧基部附近。在极少数情况下，这些积累的大块从火山喷发到地表。
赖斯小组首先将李在亚利桑那州收集的榴辉岩样品送给了他们的合作者，康辰，他是武汉中国地质大学的研究员。陈花了一个月的时间准确读取样品中铌和钽的相对含量。当高山脉是活跃的大陆弧时，岩石就像今天的安第斯山脉一样。
Chen的测试证实了高铌 - 钽比率，但为了更好地理解这种特征的发展机制，Tang和Lee在Lee的Lee实验室中使用高精度激光烧蚀和“电感耦合等离子体质谱法”来揭示矿物金红石是负责任的。
“金红石是携带铌的矿物质，”他说。“它是一种天然存在的氧化钛形式，它实际上是'看到'铌和钽之间的区别，并且捕获的比另一种更多。”
但这只在特定条件下发生。例如，唐说，在高于1000摄氏度的温度下，金红石捕获钽和铌的正常比例。当温度低于1000摄氏度时，它才开始偏爱铌。唐说，具有这种条件的唯一已知地点是大陆弧下方，如今天的安第斯山脉或大约8000万年前的高山脉。
“你需要高压的原因是氧化钛相对稀少，”他说。“你需要非常高的压力才能迫使它结晶并从岩浆中掉出来。”
在去年5月发表于Science Advances的早期arclogite研究中，Tang和Lee发现了一种微妙的化学特征，可以解释为什么大陆地壳是铁缺乏的。李说，发现和发现金红石和铌表明了大陆弧在地球历史中的重要性。
“从大气中的气候和氧气浓度到矿床，大陆弧就像一个将所有东西连接在一起的神奇系统，”Lee说。“它们在死后会成为二氧化碳的汇集。它们可以驱动温室或冰室，它们是大陆的基石。”