大陆起源之谜——藏在孪生元素对中的答案

大陆起源之谜——藏在孪生元素对中的答案
在美国的这些年，除了自己上学的地方，去的最多的州就是加利福尼亚和亚利桑那，二者都位于美国西部。

每次在飞机上飞过美西，我都会透过飞机的窗户看着下面崎岖的山地发呆。

图1. 俯瞰美国西部山区。

照片由笔者于2018年夏拍摄。

整个美国西部都是山区，实际上，亚利桑那州所在的时区就叫北美山区时区(Mountain Time Zone)。

飞机上一眼望去，连绵的山脉和荒漠一直延续到天边，狂野，原始，贫瘠，寂寥，坐在飞机上仿佛都能听到纪念碑谷呼呼的风声。

论高度，美西的山在世界上排不上名，这一带的最高峰惠特尼峰也才4421米，可是谁又能想到，一亿年前，这里可能拥有着媲美青藏高原的超级山脉。

一亿年，风雨洗礼，美西的山早已没落。

山为何而起？每一块大陆都有很多的山，这些高山的背后有什么鲜为人知的故事？
我对山的思考是近几年的事。

大约两年半前，我来到了Rice大学做博士后，继续研究地球的大陆。

我的博后合作导师Cin-Ty Lee给了我一组很特殊的样品。

这些其貌不扬的石头块来自地下50-80公里深，这很可能是人类能够获得的最深的地壳样品了。

人类一直梦想着向地下打钻，直到将地壳打穿。

大陆地壳的平均厚度大约35公里，到目前为止，人类打出的最深的一钻位于俄罗斯科拉半岛，属于上世纪八十年代前苏联的科考项目，其中最深的钻孔，SG-3，打到了地下12.262公里，离打穿地壳还有很远。

由于高温下材料强度的问题，三十年来，人类的超深钻计划停滞不前。

图2. 位于俄罗斯科拉半岛大陆超深钻的地面建筑(上)和封闭的钻孔(下)。

图片来自维基百科。

很显然，Cin-Ty给我的样品，不是人类挖上来的，这些岩石曾经所在的深度，不止远远超出了人类钻探的深度范围，也超出了大陆地
壳的平均厚度。

几千万年前，一次偶然，剧烈的火山作用裹挟着这些石块，将它们带到地表，散落在如今亚利桑那州中部几处不起眼的小路边。

这些岩石由一系列从岩浆里结晶出来的矿物在地壳深处堆积而成，地质学家把这类岩石称为堆晶。

虽说堆晶的来源往往不浅，但来自50公里以上深度的样品非常罕见，毕竟，陆地上大部分地方，地壳的厚度只有30多公里。

50-80公里厚度级别的地壳，只有在世界上最高的山峰下才有可能存在。

这些来自山根的岩石样品，为我们认识高原高山的形成，甚至是整个大陆的起源，打开了一扇门，而这扇门的钥匙，藏在两个不起眼的稀有元素里。

铌(Nb，音ní)和钽(Ta，音tǎn)是两个金属元素，在大部分人眼里，它俩很陌生，但是在地球化学领域，这两个元素却是大名鼎鼎。

铌钽在地壳里的含量很低，只有几千万分之几到几百万分之几。

有意思的是，铌和钽价态，离子半径等都非常接近，这导致两个元素的化学性质几乎完全一样，难分你我，地质学家把铌和钽称为一对孪生元素，在地球的地幔里，铌钽的含量比值几乎是恒定的，铌多的地方，钽也多，铌少的地方，钽也少。

但是，很久以前，地质学家就意识到大陆地壳的铌钽组成不太对劲—铌少了一部分。

地壳物质来源于地幔，理论上，像铌钽这样的孪生元素对，他们在大陆地壳里的含量比值应该和地幔一致。

究竟是谁将大陆里的这对孪生元素拆散了？丢失的铌又去了哪里？偏低的铌钽比值成了大陆的铌钽悖论。

图3. 地幔和大陆地壳的铌钽元素含量比值。

地幔由洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB)代表；大陆地壳的铌钽比值来自Rudnick and Gao (2014)的模型以及经典的页岩(shales)和混杂岩(diamictites)成分。

这里，Roberta Rudnick和Shan Gao分别是我和陈康的博士导师。

他们2014年的综述论文里，没有给出全地壳(BCC)成分的误差，因此BCC的误差线略去。

多年来，铌钽问题被认为是解开大陆起源之谜的关键切入点。

大陆的形成是个复杂的物理化学过程，自然提供给我们的线索往往支离破碎，所以研究大陆的形成有时候像一个拼图游戏，铌的质量不守恒意味着在这张拼图上，缺失了关键的一块。

会不会存在这么一部分地壳，它有过多的铌，而我们因为鲜有样品，对之知之甚少？地质学家一直假想着这样一种富铌的“隐藏地壳”，但极少找到实锤的证据。

“隐藏地壳“就像大陆失踪的舞伴。

会不会，亚利桑那的这些山根的堆晶就来自假想中的“隐藏地壳“？确实，这种来自超厚地壳最深处的岩石由于在地表极为罕见，还
从未见对它们铌钽成分的研究。

2018年二月，我把样品交给了国内的合作者，中国地质大学(武汉)的陈康博士，铌钽的分析并不容易，陈康用了近一个月时间，在地大的地质过程与矿产资源国家重点实验室完成了这套样品的高精度铌钽测试。

在等待测试结果的时间里，我调查了在线岩石化学数据库GeoRoc，专门关注俯冲带岩浆的铌钽成分。

俯冲带形成于汇聚板块边界，由于这里大量喷发中酸性岩浆，俯冲带被认为是形成大陆地壳最有潜力的场所。

可是，并不是所有俯冲带的中酸性岩浆都具有类似于大陆地壳的铌亏损。

图4. 雄伟的安第斯山脉，覆盖整个南美洲西海岸线。

图片来自网络。

在对GeoRoc数据库做了一系列的梳理后，我发现了一个非常有意思的现象，在今天的二十来个活跃的俯冲带里，只有南美的安第斯的中酸性岩浆里才能见到大量铌亏损现象。

在很多方面，安第斯都是独一无二的。

安第斯拥有地球上现今最长的山脉，从北到南，绵延7000多公里，覆盖了南美大陆整个西海岸线。

安第斯的平均海拔达到4000米，这里有着各种极端的环境。

高海拔火山几乎遍布整个安第斯，世界上海拔最高的火山，Ojos del Salado火山(6893米)就坐落在安第斯山脉。

安第斯的很多地方地壳厚度达到了罕见的60至80公里。

图5. 位于安第斯山脉的Ojosdel Salado火山是世界上海拔最高的火山(6893米)。

图片来源于网络
形成安第斯的原始岩浆有着无异于地幔的铌钽比值，但当岩浆在地壳经历了一系列分异并最终到达地表后，铌却少了，也就是说，铌钽的分离和铌的亏损确实发生在安第斯的地壳深部。

所以，在安第斯那些巨型火山下面，到底发生了什么？我们没有直接来自安第斯山根的样品，但亚利桑那的超深来源的堆晶提供了极好的替代品。

这时候，陈康那边的测试已经完成，数据令人激动不已，我的猜想得到了证实，这些亚利桑那的山根堆晶确实有着偏高的铌含量，这些堆晶很可能来自假想中的“隐藏地壳“，这意味着，大陆拼图里一直缺失的关键一块可能已经被我们找到！
亚利桑那的堆晶和GeoRoc大数据的分析指向一个共同的结论：要造陆，先造山。

大陆诞生于大规模的造山过程。

在亚利桑那的堆晶里，我们发现了一种不太常见的矿物一金红石。

金红石非常小，大约只有十分之一毫米。

我们用了一种激光剥蚀取样技术，实现微米尺度的化学分析，获得了金红石的铌钽组成，数据证实，这些金红石有着异常高的铌钽比值，金红石正是这些亚利桑那堆晶铌含量偏高的原因。

金红石从岩浆里结晶后，不停地从岩浆里抓取铌放入自己的晶格，最终离开岩浆，在地壳深处堆积。

金红石在岩浆里并不常见，要让金红石结晶需要很高的压力，这也就解释了为什么今天这么多俯冲带里，只有安第斯的岩浆有大量系统性的铌丢失。

在安第斯这样超级造山带下面，岩浆受到的压力足以把金红石“压“出来。

图6. 亚利桑那堆晶岩石里的金红石(图中的棕红色晶体)。

这颗金红石直径大约80微米，只比人类发丝直径略大。

我的博士导师，著名地球化学家Roberta Rudnick，曾于2000年在Science杂志发表文章，提出大陆地壳丢失的铌存在于俯冲洋壳中的假说。

我们的发现，在很大程度上挑战了她的观点。

她对我的博士培养尽心尽力，我对她的感激也难以言表。

我们的文章发表后，我小心翼翼地给她发了封邮件，附上了我们的发表结果，作了一些解释，
生怕产生尴尬。

可是看到Roberta回复的邮件后，我也就释然了。

回复里，Roberta写到，早在前一天她就看到了我们的文章，但是她当时没有联系我们，因为她想找个时间先仔细阅读文章，读完后，她觉得非常的欣慰，并鼓励我说：其实，现在大量的证据都和你们的模型吻合得更好。

解开铌钽悖论后，我们可以大胆推测，或许，我们脚下的每一寸陆地，都经历过今天安第斯这样壮丽的造山过程，每一寸陆地曾经都高耸入云，只是在亿万年的演化过程中，沧海桑田，大部分山峰都已被抹平，但是地壳里孪生元素铌钽组成的微小偏差，记录下了大陆最初的悸动和狂野。

这么多的山都去哪儿了？自然造山，自然更毁山。

剥蚀，风化，重力垮塌，可以让一座高山在千万年的时间里逐渐消失。

千万年，在地球46亿年的历史里，不过一瞬。

这些消逝的高山，化作沙粒，化作风尘，化作土壤，随河入海，随风飘散，直到天涯海角。

正是这些不起眼的尘土，源源不断地释放着生命所必须的微量元素，撑起万物生灵的繁荣。

消逝的高山，存在于葱郁的森林里，存在于田野的庄稼里，存在于雄鹰的羽毛里，存在于鲸鱼的骨骼里，流淌在我们的血液里。

山起山落，生命不息。

参考文献
Rudnick, R. L. & Gao, S. in Treatise on Geochemistry 2nd edn(eds Holland, H. D. & Turekian, K. K.) 1–51 (Elsevier, Oxford, 2014).
Rudnick, R. L., Barth, M., Horn, I. & McDonough, W. F.Rutile-bearing refractory eclogites: missing link between continents anddepleted mantle. Science 287, 278–281 (2000).
Tang, M., Lee, C-T. A., Chen, K., Erdman, M., Costin, G. &Jiang, H. Nb/Ta systematics in arc magma differentiation and the role ofarclogites in continent formation. Nature Communications, 10, 1-8 (2019).
作者：唐铭，Rice University。