Em seu tempo livre no verão passado, O geocientista da Universidade Rice, Ming Tang, adquiriu o hábito de comparar o conteúdo de nióbio em várias rochas em um banco de dados global de minerais. O que ele descobriu valeu a pena perder algumas noites com os amigos.

Em um artigo publicado este mês por Nature Communications , Espiga, O petrologista de arroz Cin-Ty Lee e seus colegas ofereceram uma resposta a uma das questões fundamentais das ciências da Terra:Onde os continentes se formam?

"Se nossas conclusões estiverem corretas, cada pedaço de terra em que estamos agora começou em algum lugar como os Andes ou o Tibete, com superfícies muito montanhosas, "disse Tang, autor principal do estudo e associado de pesquisa de pós-doutorado no Departamento da Terra de Rice, Ciências Ambientais e Planetárias (EEPS). "Hoje, a maioria dos lugares é plana porque esse é o estágio estável da crosta continental. Mas o que descobrimos foi que quando a crosta se formou, teve que começar com processos de construção de montanhas. "

A conexão entre o nióbio, um dos elementos mais raros da Terra, e a formação do continente é uma história que se desenrola ao longo de bilhões de anos em escalas tão pequenas quanto moléculas e tão grandes quanto cadeias de montanhas. Os principais jogadores são o nióbio e o tântalo, metais raros tão parecidos que os geólogos costumam pensar neles como gêmeos.

"Eles têm propriedades químicas muito semelhantes e se comportam quase de forma idêntica na maioria dos processos geológicos, "Tang disse." Se você medir tântalo e nióbio, você descobre que a proporção deles é quase constante no manto da Terra. Isso significa que quando você encontra mais nióbio em uma rocha, você vai encontrar mais tântalo, e quando você encontra menos nióbio, você encontrará menos tântalo. "

O manto é a camada mais espessa da Terra, abrangendo cerca de 1, 800 milhas entre o núcleo do planeta e sua fina crosta externa. Os cientistas da Terra acreditam que pouco, se alguma coisa, move-se entre o manto e o núcleo, mas o manto e tudo acima dele - fundo do mar, oceanos, continentes e atmosfera - estão conectados, e muitos dos átomos na superfície da Terra hoje, incluindo os átomos em humanos e outras coisas vivas, passaram pelo manto uma ou mais vezes nos 4,6 bilhões de anos da Terra.

As rochas nos continentes são uma exceção. Geólogos descobriram alguns que têm até 4 bilhões de anos, o que significa que foram formados perto da superfície e permaneceram na superfície, sem ser reciclado no manto. Isso se deve em parte à natureza da crosta continental, que é muito menos densa do que as rochas basálticas abaixo dos oceanos da Terra. Lee, professor e chefe do departamento da EEPS, disse que não é coincidência que a Terra seja o único planeta rochoso conhecido por ter continentes e vida.

"Todos os dias vivemos em continentes, e tiramos a maior parte de nossos recursos dos continentes, "Disse Lee." Temos oxigênio no ar para respirar e a temperatura certa para suportar vidas complexas. Essas coisas são tão comuns que as consideramos certas, mas a Terra não começou com essas condições. Eles se desenvolveram mais tarde na história da Terra. E o surgimento de continentes é uma das coisas que moldou nosso planeta e o tornou mais habitável. "

Os cientistas ainda não têm detalhes sobre como os continentes começaram e como cresceram para cobrir 30 por cento da superfície da Terra, mas uma grande pista se refere ao nióbio e tântalo, os gêmeos geoquímicos.

"Na média, as rochas na crosta continental têm cerca de 20 por cento menos nióbio do que deveriam em comparação com a rocha que vemos em todos os outros lugares, "Tang disse." Acreditamos que a falta de nióbio está ligada ao mistério dos continentes. Resolvendo ou encontrando o que faltava, o nióbio, podemos obter informações importantes sobre como os continentes se formam. "

Os geólogos sabem do desequilíbrio há décadas. E certamente sugere que os processos geoquímicos que produzem a crosta continental também removem o nióbio. Mas onde estava o nióbio ausente?

Essa pergunta incômoda levou Tang a passar seu tempo livre examinando os registros do banco de dados GEOROC do Instituto Max Planck, uma coleção global abrangente de análises publicadas de rochas vulcânicas.

Com base nessas pesquisas e meses de testes de acompanhamento, Espiga, Lee e seus colegas oferecem a primeira evidência física de que "arclogites" (pronuncia-se ARC-loh-jyts) são responsáveis ​​pelo nióbio ausente. Arclogites são cumulativos, as sobras de escória que se acumulam perto da base dos arcos continentais. Em raras ocasiões, pedaços desses cumulativos irrompem na superfície dos vulcões.

O grupo Rice enviou primeiro amostras de arclogito que Lee havia coletado no Arizona para seu colaborador, Kang Chen, um bolsista de pesquisa baseado na Universidade de Geociências da China em Wuhan. Chen passou um mês obtendo leituras precisas das quantidades relativas de nióbio e tântalo nas amostras. As rochas foram criadas quando as Altas Sierras eram um arco continental ativo, como os Andes hoje.

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. Por exemplo, 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."