Nel suo tempo libero la scorsa estate, Il geoscienziato della Rice University Ming Tang ha preso l'abitudine di confrontare il contenuto di niobio in varie rocce in un database globale di minerali. Quello che ha scoperto valeva la pena di saltare qualche serata con gli amici.

In un articolo pubblicato questo mese da Comunicazioni sulla natura , Codolo, Il petrolologo del riso Cin-Ty Lee e colleghi hanno offerto una risposta a una delle domande fondamentali delle scienze della Terra:dove si formano i continenti?

"Se le nostre conclusioni sono corrette, ogni pezzo di terra su cui ci troviamo ora ha avuto inizio da qualche parte come le Ande o il Tibet, con superfici molto montuose, " disse Tang, autore principale dello studio e associato di ricerca post-dottorato presso il Dipartimento della Terra di Rice, Scienze Ambientali e Planetarie (EEPS). "Oggi, la maggior parte dei posti è piatta perché quella è la fase stabile della crosta continentale. Ma quello che abbiamo scoperto è che quando si è formata la crosta, doveva iniziare con processi di costruzione della montagna."

La connessione tra niobio, uno degli elementi più rari della Terra, e la formazione dei continenti è una storia che si svolge nel corso di miliardi di anni su scale piccole come molecole e grandi come catene montuose. I protagonisti sono niobio e tantalio, metalli rari così simili che i geologi spesso li considerano gemelli.

"Hanno proprietà chimiche molto simili e si comportano in modo quasi identico nella maggior parte dei processi geologici, " disse Tang. "Se misuri il tantalio e il niobio, scopri che il loro rapporto è quasi costante nel mantello terrestre. Ciò significa che quando trovi più niobio in una roccia, troverai più tantalio, e quando trovi meno niobio, troverai meno tantalio."

Il mantello è lo strato più spesso della Terra, che copre circa 1, 800 miglia tra il nucleo del pianeta e la sua sottile crosta esterna. Gli scienziati della Terra credono che poco, se qualcosa, si muove tra il mantello e il nucleo, ma il mantello e tutto ciò che lo sovrasta, il fondo del mare, oceani, i continenti e l'atmosfera sono collegati, e molti degli atomi sulla superficie terrestre oggi, compresi gli atomi negli esseri umani e in altri esseri viventi, hanno attraversato il mantello una o più volte nei 4,6 miliardi di anni della Terra.

Le rocce nei continenti sono un'eccezione. I geologi ne hanno trovati alcuni che hanno fino a 4 miliardi di anni, il che significa che si sono formati vicino alla superficie e sono rimasti in superficie, senza essere riciclato nel mantello. Ciò è dovuto in parte alla natura della crosta continentale, che è molto meno densa delle rocce basaltiche sotto gli oceani della Terra. Lee, professore e presidente del dipartimento EEPS, ha detto che non è un caso che la Terra sia l'unico pianeta roccioso noto per avere sia i continenti che la vita.

"Ogni giorno viviamo nei continenti, e prendiamo la maggior parte delle nostre risorse dai continenti, "Ha detto Lee. "Abbiamo ossigeno nell'aria per respirare e la giusta temperatura per supportare la vita complessa. Queste cose sono così comuni che le diamo per scontate, ma la Terra non è iniziata con queste condizioni. Si sono sviluppati più tardi nella storia della Terra. E l'emergere dei continenti è una delle cose che ha plasmato il nostro pianeta e lo ha reso più vivibile".

Gli scienziati non hanno ancora dettagli su come i continenti hanno avuto il loro inizio e come sono cresciuti fino a coprire il 30 percento della superficie terrestre, ma un grande indizio riguarda il niobio e il tantalio, i gemelli geochimici.

"In media, le rocce nella crosta continentale hanno circa il 20 percento in meno di niobio di quanto dovrebbero rispetto alla roccia che vediamo ovunque, " ha detto Tang. "Crediamo che questo niobio mancante sia legato al mistero dei continenti. Risolvendo o trovando il niobio mancante, possiamo ottenere importanti informazioni su come si formano i continenti".

I geologi conoscono lo squilibrio da decenni. E certamente suggerisce che i processi geochimici che producono la crosta continentale rimuovono anche il niobio. Ma dov'era il niobio mancante?

Quella domanda assillante ha spinto Tang a trascorrere il suo tempo libero esaminando i record nel database GEOROC del Max Planck Institute, una raccolta globale completa di analisi pubblicate sulle rocce vulcaniche.

Sulla base di tali ricerche e mesi di test di follow-up, Codolo, Lee e colleghi offrono la prima prova fisica che gli "arclogiti" (pronunciato ARC-loh-jyts) sono responsabili del niobio mancante. Gli arclogiti sono cumulativi, le scorie residue che si accumulano vicino alla base degli archi continentali. In rare occasioni, pezzi di questi cumuli eruttano sulla superficie dai vulcani.

Il gruppo Rice inviò per la prima volta campioni di arclogite che Lee aveva raccolto in Arizona al loro collaboratore, Kang Chen, un ricercatore con sede presso la China University of Geosciences di Wuhan. Chen ha impiegato un mese per ottenere letture precise delle quantità relative di niobio e tantalio nei campioni. The rocks were created when the High Sierras were an active continental arc, 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. Per esempio, 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."