在美國的這些年，除了自己上學的地方，去的最多的州就是加利福尼亞和亞利桑那，二者都位于美國西部。每次在飛機上飛過美西，我都會透過飛機的窗戶看著下面崎嶇的山地發(fā)呆。
圖1. 俯瞰美國西部山區(qū)。照片由筆者于2018年夏拍攝。
整個美國西部都是山區(qū)，實際上，亞利桑那州所在的時區(qū)就叫北美山區(qū)時區(qū)(Mountain Time Zone)。飛機上一眼望去，連綿的山脈和荒漠一直延續(xù)到天邊，狂野，原始，貧瘠，寂寥，坐在飛機上仿佛都能聽到紀念碑谷呼呼的風聲。
論高度，美西的山在世界上排不上名，這一帶的最高峰惠特尼峰也才4421米，可是誰又能想到，一億年前，這里可能擁有著媲美青藏高原的超級山脈。
一億年，風雨洗禮，美西的山早已沒落。
山為何而起？每一塊大陸都有很多的山，這些高山的背后有什么鮮為人知的故事？
我對山的思考是近幾年的事。大約兩年半前，我來到了Rice大學做博士后，繼續(xù)研究地球的大陸。我的博后合作導師Cin-Ty Lee給了我一組很特殊的樣品。這些其貌不揚的石頭塊來自地下50-80公里深，這很可能是人類能夠獲得的最深的地殼樣品了。人類一直夢想著向地下打鉆，直到將地殼打穿。大陸地殼的平均厚度大約35公里，到目前為止，人類打出的最深的一鉆位于俄羅斯科拉半島，屬于上世紀八十年代前蘇聯(lián)的科考項目，其中最深的鉆孔，SG-3，打到了地下12.262公里，離打穿地殼還有很遠。由于高溫下材料強度的問題，三十年來，人類的超深鉆計劃停滯不前。
圖2. 位于俄羅斯科拉半島大陸超深鉆的地面建筑(上)和封閉的鉆孔(下)。圖片來自維基百科。
很顯然，Cin-Ty給我的樣品，不是人類挖上來的，這些巖石曾經(jīng)所在的深度，不止遠遠超出了人類鉆探的深度范圍，也超出了大陸地殼的平均厚度。幾千萬年前，一次偶然，劇烈的火山作用裹挾著這些石塊，將它們帶到地表，散落在如今亞利桑那州中部幾處不起眼的小路邊。這些巖石由一系列從巖漿里結晶出來的礦物在地殼深處堆積而成，地質(zhì)學家把這類巖石稱為堆晶。
雖說堆晶的來源往往不淺，但來自50公里以上深度的樣品非常罕見，畢竟，陸地上大部分地方，地殼的厚度只有30多公里。50-80公里厚度級別的地殼，只有在世界上最高的山峰下才有可能存在。這些來自山根的巖石樣品，為我們認識高原高山的形成，甚至是整個大陸的起源，打開了一扇門，而這扇門的鑰匙，藏在兩個不起眼的稀有元素里。
鈮(Nb，音ní)和鉭(Ta，音tǎn)是兩個金屬元素，在大部分人眼里，它倆很陌生，但是在地球化學領域，這兩個元素卻是大名鼎鼎。鈮鉭在地殼里的含量很低，只有幾千萬分之幾到幾百萬分之幾。有意思的是，鈮和鉭價態(tài)，離子半徑等都非常接近，這導致兩個元素的化學性質(zhì)幾乎完全一樣，難分你我，地質(zhì)學家把鈮和鉭稱為一對孿生元素，在地球的地幔里，鈮鉭的含量比值幾乎是恒定的，鈮多的地方，鉭也多，鈮少的地方，鉭也少。
但是，很久以前，地質(zhì)學家就意識到大陸地殼的鈮鉭組成不太對勁—鈮少了一部分。地殼物質(zhì)來源于地幔，理論上，像鈮鉭這樣的孿生元素對，他們在大陸地殼里的含量比值應該和地幔一致。究竟是誰將大陸里的這對孿生元素拆散了？丟失的鈮又去了哪里？偏低的鈮鉭比值成了大陸的鈮鉭悖論。
圖3. 地幔和大陸地殼的鈮鉭元素含量比值。地幔由洋中脊玄武巖(MORB)和洋島玄武巖(OIB)代表；大陸地殼的鈮鉭比值來自Rudnick and Gao (2014)的模型以及經(jīng)典的頁巖(shales)和混雜巖(diamictites)成分。這里，Roberta Rudnick和Shan Gao分別是我和陳康的博士導師。他們2014年的綜述論文里，沒有給出全地殼(BCC)成分的誤差，因此BCC的誤差線略去。
多年來，鈮鉭問題被認為是解開大陸起源之謎的關鍵切入點。大陸的形成是個復雜的物理化學過程，自然提供給我們的線索往往支離破碎，所以研究大陸的形成有時候像一個拼圖游戲，鈮的質(zhì)量不守恒意味著在這張拼圖上，缺失了關鍵的一塊。
會不會存在這么一部分地殼，它有過多的鈮，而我們因為鮮有樣品，對之知之甚少？地質(zhì)學家一直假想著這樣一種富鈮的“隱藏地殼”，但極少找到實錘的證據(jù)?！半[藏地殼“就像大陸失蹤的舞伴。
會不會，亞利桑那的這些山根的堆晶就來自假想中的“隱藏地殼“？確實，這種來自超厚地殼最深處的巖石由于在地表極為罕見，還從未見對它們鈮鉭成分的研究。
2018年二月，我把樣品交給了國內(nèi)的合作者，中國地質(zhì)大學(武漢)的陳康博士，鈮鉭的分析并不容易，陳康用了近一個月時間，在地大的地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成了這套樣品的高精度鈮鉭測試。在等待測試結果的時間里，我調(diào)查了在線巖石化學數(shù)據(jù)庫GeoRoc，專門關注俯沖帶巖漿的鈮鉭成分。俯沖帶形成于匯聚板塊邊界，由于這里大量噴發(fā)中酸性巖漿，俯沖帶被認為是形成大陸地殼最有潛力的場所。可是，并不是所有俯沖帶的中酸性巖漿都具有類似于大陸地殼的鈮虧損。
圖4. 雄偉的安第斯山脈，覆蓋整個南美洲西海岸線。圖片來自網(wǎng)絡。
在對GeoRoc數(shù)據(jù)庫做了一系列的梳理后，我發(fā)現(xiàn)了一個非常有意思的現(xiàn)象，在今天的二十來個活躍的俯沖帶里，只有南美的安第斯的中酸性巖漿里才能見到大量鈮虧損現(xiàn)象。
在很多方面，安第斯都是獨一無二的。安第斯擁有地球上現(xiàn)今最長的山脈，從北到南，綿延7000多公里，覆蓋了南美大陸整個西海岸線。安第斯的平均海拔達到4000米，這里有著各種極端的環(huán)境。高海拔火山幾乎遍布整個安第斯，世界上海拔最高的火山，Ojos del Salado火山(6893米)就坐落在安第斯山脈。安第斯的很多地方地殼厚度達到了罕見的60至80公里。
圖5. 位于安第斯山脈的Ojosdel Salado火山是世界上海拔最高的火山(6893米)。圖片來源于網(wǎng)絡
形成安第斯的原始巖漿有著無異于地幔的鈮鉭比值，但當巖漿在地殼經(jīng)歷了一系列分異并最終到達地表后，鈮卻少了，也就是說，鈮鉭的分離和鈮的虧損確實發(fā)生在安第斯的地殼深部。所以，在安第斯那些巨型火山下面，到底發(fā)生了什么？我們沒有直接來自安第斯山根的樣品，但亞利桑那的超深來源的堆晶提供了極好的替代品。
這時候，陳康那邊的測試已經(jīng)完成，數(shù)據(jù)令人激動不已，我的猜想得到了證實，這些亞利桑那的山根堆晶確實有著偏高的鈮含量，這些堆晶很可能來自假想中的“隱藏地殼“，這意味著，大陸拼圖里一直缺失的關鍵一塊可能已經(jīng)被我們找到！
亞利桑那的堆晶和GeoRoc大數(shù)據(jù)的分析指向一個共同的結論：要造陸，先造山。大陸誕生于大規(guī)模的造山過程。
在亞利桑那的堆晶里，我們發(fā)現(xiàn)了一種不太常見的礦物一金紅石。金紅石非常小，大約只有十分之一毫米。我們用了一種激光剝蝕取樣技術，實現(xiàn)微米尺度的化學分析，獲得了金紅石的鈮鉭組成，數(shù)據(jù)證實，這些金紅石有著異常高的鈮鉭比值，金紅石正是這些亞利桑那堆晶鈮含量偏高的原因。金紅石從巖漿里結晶后，不停地從巖漿里抓取鈮放入自己的晶格，最終離開巖漿，在地殼深處堆積。金紅石在巖漿里并不常見，要讓金紅石結晶需要很高的壓力，這也就解釋了為什么今天這么多俯沖帶里，只有安第斯的巖漿有大量系統(tǒng)性的鈮丟失。在安第斯這樣超級造山帶下面，巖漿受到的壓力足以把金紅石“壓“出來。
圖6. 亞利桑那堆晶巖石里的金紅石(圖中的棕紅色晶體)。這顆金紅石直徑大約80微米，只比人類發(fā)絲直徑略大。
我的博士導師，著名地球化學家Roberta Rudnick，曾于2000年在Science雜志發(fā)表文章，提出大陸地殼丟失的鈮存在于俯沖洋殼中的假說。我們的發(fā)現(xiàn)，在很大程度上挑戰(zhàn)了她的觀點。她對我的博士培養(yǎng)盡心盡力，我對她的感激也難以言表。我們的文章發(fā)表后，我小心翼翼地給她發(fā)了封郵件，附上了我們的發(fā)表結果，作了一些解釋，生怕產(chǎn)生尷尬。可是看到Roberta回復的郵件后，我也就釋然了?；貜屠?，Roberta寫到，早在前一天她就看到了我們的文章，但是她當時沒有聯(lián)系我們，因為她想找個時間先仔細閱讀文章，讀完后，她覺得非常的欣慰，并鼓勵我說：其實，現(xiàn)在大量的證據(jù)都和你們的模型吻合得更好。
解開鈮鉭悖論后，我們可以大膽推測，或許，我們腳下的每一寸陸地，都經(jīng)歷過今天安第斯這樣壯麗的造山過程，每一寸陸地曾經(jīng)都高聳入云，只是在億萬年的演化過程中，滄海桑田，大部分山峰都已被抹平，但是地殼里孿生元素鈮鉭組成的微小偏差，記錄下了大陸最初的悸動和狂野。
這么多的山都去哪兒了？自然造山，自然更毀山。剝蝕，風化，重力垮塌，可以讓一座高山在千萬年的時間里逐漸消失。千萬年，在地球46億年的歷史里，不過一瞬。
這些消逝的高山，化作沙粒，化作風塵，化作土壤，隨河入海，隨風飄散，直到天涯海角。正是這些不起眼的塵土，源源不斷地釋放著生命所必須的微量元素，撐起萬物生靈的繁榮。消逝的高山，存在于蔥郁的森林里，存在于田野的莊稼里，存在于雄鷹的羽毛里，存在于鯨魚的骨骼里，流淌在我們的血液里。
山起山落，生命不息。
參考文獻
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：唐銘，Rice University
