Dans son temps libre l'été dernier, Le géoscientifique de l'Université Rice, Ming Tang, a pris l'habitude de comparer la teneur en niobium de diverses roches dans une base de données mondiale sur les minéraux. Ce qu'il a trouvé valait la peine de sauter quelques soirées avec des amis.

Dans un article publié ce mois-ci par Communication Nature , Soie, La pétrologue du riz Cin-Ty Lee et ses collègues ont proposé une réponse à l'une des questions fondamentales des sciences de la Terre :où se forment les continents ?

« Si nos conclusions sont correctes, chaque morceau de terre sur lequel nous sommes assis a commencé quelque part comme les Andes ou le Tibet, avec des surfaces très montagneuses, " dit Tang, auteur principal de l'étude et associé de recherche postdoctoral au Département de la Terre de Rice, Sciences de l'environnement et de la planète (EEPS). "Aujourd'hui, la plupart des endroits sont plats parce que c'est le stade stable de la croûte continentale. Mais ce que nous avons découvert, c'est que lorsque la croûte s'est formée, il fallait commencer par les processus de construction de la montagne."

Le lien entre le niobium, l'un des éléments les plus rares de la Terre, et la formation des continents est une histoire qui se déroule sur des milliards d'années à des échelles aussi petites que des molécules et aussi grandes que des chaînes de montagnes. Les principaux acteurs sont le niobium et le tantale, métaux rares si semblables que les géologues les considèrent souvent comme des jumeaux.

"Ils ont des propriétés chimiques très similaires et se comportent de manière presque identique dans la plupart des processus géologiques, " Tang a dit. " Si vous mesurez le tantale et le niobium, vous constatez que leur rapport est presque constant dans le manteau terrestre. Cela signifie que lorsque vous trouvez plus de niobium dans une roche, vous trouverez plus de tantale, et quand tu trouves moins de niobium, vous trouverez moins de tantale."

Le manteau est la couche la plus épaisse de la Terre, couvrant environ 1, 800 miles entre le noyau de la planète et sa fine croûte externe. Les scientifiques de la Terre croient que peu, si quoi que ce soit, se déplace entre le manteau et le noyau, mais le manteau et tout ce qui se trouve au-dessus—le fond marin, océans, les continents et l'atmosphère sont connectés, et de nombreux atomes à la surface de la Terre aujourd'hui, y compris les atomes chez les humains et d'autres êtres vivants, ont parcouru le manteau une ou plusieurs fois au cours des 4,6 milliards d'années de la Terre.

Les roches des continents sont une exception. Les géologues en ont trouvé jusqu'à 4 milliards d'années, ce qui signifie qu'ils se sont formés près de la surface et sont restés à la surface, sans être recyclé dans le manteau. Cela est dû en partie à la nature de la croûte continentale, qui est beaucoup moins dense que les roches basaltiques sous les océans de la Terre. Lee, professeur et directeur du département EEPS, a déclaré que ce n'est pas un hasard si la Terre est la seule planète rocheuse connue pour avoir à la fois des continents et de la vie.

"Chaque jour, nous vivons sur des continents, et nous puisons la plupart de nos ressources sur les continents, " Lee a déclaré. "Nous avons de l'oxygène dans l'air à respirer et juste la bonne température pour soutenir la vie complexe. Ces choses sont si courantes que nous les tenons pour acquises, mais la Terre n'a pas commencé avec ces conditions. Ils se sont développés plus tard dans l'histoire de la Terre. Et l'émergence des continents est l'une des choses qui ont façonné notre planète et l'ont rendue plus vivable."

Les scientifiques manquent encore de détails sur la façon dont les continents ont commencé et comment ils ont grandi pour couvrir 30% de la surface de la Terre, mais un gros indice concerne le niobium et le tantale, les jumeaux géochimiques.

"En moyenne, les roches de la croûte continentale ont environ 20 pour cent de niobium en moins qu'elles ne devraient par rapport à la roche que nous voyons partout ailleurs, " Tang a dit. " Nous pensons que ce niobium manquant est lié au mystère des continents. En résolvant ou en trouvant le niobium manquant, nous pouvons obtenir des informations importantes sur la formation des continents."

Les géologues connaissent le déséquilibre depuis des décennies. Et cela suggère certainement que les processus géochimiques qui produisent la croûte continentale éliminent également le niobium. Mais où était le niobium manquant ?

Cette question lancinante a incité Tang à passer son temps libre à parcourir les dossiers de la base de données GEOROC de l'Institut Max Planck, une collection mondiale complète d'analyses publiées de roches volcaniques.

Sur la base de ces recherches et des mois de tests de suivi, Soie, Lee et ses collègues offrent la première preuve physique que les "arclogites" (prononcé ARC-loh-jyts) sont responsables du niobium manquant. Les arclogites sont des cumuls, les crasses restantes qui s'accumulent près de la base des arcs continentaux. En de rares occasions, des morceaux de ces cumulats jaillissent à la surface des volcans.

Le groupe Rice a d'abord envoyé des échantillons d'arclogite que Lee avait collectés en Arizona à leur collaborateur, Kang Chen, un chercheur basé à l'Université des géosciences de Chine à Wuhan. Chen a passé un mois à obtenir des lectures précises des quantités relatives de niobium et de tantale dans les échantillons. Les roches ont été créées lorsque les Hautes Sierras étaient un arc continental actif, 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. Par exemple, 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."