In zijn vrije tijd afgelopen zomer, Rice University-geowetenschapper Ming Tang maakte er een gewoonte van om het niobiumgehalte in verschillende gesteenten te vergelijken in een wereldwijde mineralendatabase. Wat hij vond, was de moeite waard om een ​​paar avonden met vrienden over te slaan.

In een artikel dat deze maand is gepubliceerd door Natuurcommunicatie , Tang, Rijstpetroloog Cin-Ty Lee en collega's gaven een antwoord op een van de fundamentele vragen van de aardwetenschappen:waar ontstaan ​​continenten?

"Als onze conclusies juist zijn, elk stuk land waar we nu op zitten, begon ergens in de Andes of Tibet, met zeer bergachtige oppervlakken, " zei Tang, hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in Rice's Department of Earth, Milieu- en planetaire wetenschappen (EEPS). "Vandaag, de meeste plaatsen zijn vlak, want dat is het stabiele stadium van de continentale korst. Maar wat we ontdekten was dat toen de korst zich vormde, het moest beginnen met processen voor het bouwen van bergen."

De verbinding tussen niobium, een van de zeldzaamste elementen van de aarde, en continentvorming is een verhaal dat zich over miljarden jaren afspeelt op schalen zo klein als moleculen en zo groot als bergketens. De hoofdrolspelers zijn niobium en tantaal, zeldzame metalen die zo op elkaar lijken dat geologen ze vaak als tweelingen beschouwen.

"Ze hebben zeer vergelijkbare chemische eigenschappen en gedragen zich bijna identiek in de meeste geologische processen, ' zei Tang. 'Als je tantaal en niobium meet, je zult zien dat hun verhouding bijna constant is in de aardmantel. Dat betekent dat als je meer niobium in een steen vindt, je zult meer tantaal vinden, en als je minder niobium vindt, je zult minder tantaal vinden."

De mantel is de dikste laag van de aarde, ongeveer 1, 800 mijl tussen de kern van de planeet en zijn dunne buitenste korst. Aardwetenschappers geloven dat weinig, als iets, beweegt tussen de mantel en de kern, maar de mantel en alles erboven - zeebodem, oceanen, continenten en atmosfeer - zijn verbonden, en veel van de atomen op het aardoppervlak vandaag, inclusief de atomen in mensen en andere levende wezens, in de 4,6 miljard jaar van de aarde een of meerdere keren door de mantel zijn gefietst.

De rotsen in continenten zijn een uitzondering. Geologen hebben er enkele gevonden die tot 4 miljard jaar oud zijn, wat betekent dat ze aan de oppervlakte werden gevormd en aan de oppervlakte bleven, zonder te worden gerecycled in de mantel. Dat komt deels door de aard van de continentale korst, die veel minder dicht is dan de basaltstenen onder de oceanen van de aarde. Lee, hoogleraar en departementsvoorzitter EEPS, zei dat het geen toeval is dat de aarde de enige rotsachtige planeet is waarvan bekend is dat ze zowel continenten als leven heeft.

"Elke dag leven we op continenten, en we halen de meeste van onze middelen uit continenten, " zei Lee. "We hebben zuurstof in de lucht om te ademen en precies de juiste temperatuur om het complexe leven te ondersteunen. Deze dingen zijn zo gewoon dat we ze als vanzelfsprekend beschouwen, maar de aarde begon niet met deze omstandigheden. Ze ontwikkelden zich later in de geschiedenis van de aarde. En de opkomst van continenten is een van de dingen die onze planeet hebben gevormd en leefbaarder hebben gemaakt."

Wetenschappers hebben nog steeds geen details over hoe continenten zijn begonnen en hoe ze groeiden om 30 procent van het aardoppervlak te bedekken, maar één grote aanwijzing heeft betrekking op niobium en tantaal, de geochemische tweeling.

"Gemiddeld, de rotsen in continentale korst hebben ongeveer 20 procent minder niobium dan ze zouden moeten vergeleken met de rots die we overal anders zien, " zei Tang. "We geloven dat dit ontbrekende niobium verband houdt met het mysterie van continenten. Door het ontbreken van het niobium op te lossen of te vinden, we kunnen belangrijke informatie krijgen over hoe continenten ontstaan."

Geologen weten al tientallen jaren van de onbalans. En het suggereert zeker dat de geochemische processen die continentale korst produceren ook niobium verwijderen. Maar waar was het ontbrekende niobium?

Die knagende vraag bracht Tang ertoe zijn vrije tijd te besteden aan het doorlezen van gegevens in de GEOROC-database van het Max Planck Instituut, een uitgebreide wereldwijde verzameling van gepubliceerde analyses van vulkanisch gesteente.

Op basis van die zoekopdrachten en maandenlange follow-uptests, Tang, Lee en collega's bieden het eerste fysieke bewijs dat "arclogieten" (uitgesproken als ARC-loh-jyts) verantwoordelijk zijn voor het ontbrekende niobium. Arclogieten zijn cumulaties, de overgebleven slakken die zich ophopen nabij de basis van continentale bogen. In zeldzame gevallen, brokken van deze cumulaties barsten uit op het oppervlak van vulkanen.

De Rice-groep stuurde eerst arclogietmonsters die Lee in Arizona had verzameld naar hun medewerker, Kang Chen, een research fellow aan de China University of Geosciences in Wuhan. Chen besteedde een maand aan nauwkeurige metingen van de relatieve hoeveelheden niobium en tantaal in de monsters. De rotsen zijn ontstaan ​​toen de Hoge Sierras een actieve continentale boog vormden, like the Andes today.

Chen's tests confirmed high niobium-tantalum ratios, but to better understand the mechanism by which this signature was developed, 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. Bijvoorbeeld, Tang said that at temperatures above 1, 000 degrees Celsius, rutile traps normal ratios of tantalum and niobium. It only begins to prefer niobium when temperatures drop below 1, 000 degrees 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."