På fritiden förra sommaren, Rice University geovetare Ming Tang gjorde en vana att jämföra niobhalten i olika bergarter i en global mineraldatabas. Det han fann var värt att hoppa över några nätter med vänner.

I en tidning publicerad denna månad av Naturkommunikation , Tang, Rispetrologen Cin-Ty Lee och kollegor erbjöd ett svar på en av geovetenskapens grundläggande frågor:Var bildas kontinenter?

"Om våra slutsatser är korrekta, varje bit mark som vi nu sitter på fick sin start någonstans som Anderna eller Tibet, med mycket bergiga ytor, sa Tang, huvudförfattare till studien och en postdoktorand forskningsassistent vid Rice's Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap (EEPS). "I dag, de flesta platser är platta eftersom det är det stabila stadiet av den kontinentala skorpan. Men vad vi fann var att när skorpan bildades, det måste börja med bergsbyggnadsprocesser."

Sambandet mellan niob, ett av jordens mest sällsynta grundämnen, och kontinentbildning är en historia som utspelar sig under miljarder år i skalor så små som molekyler och stora som bergskedjor. De ledande aktörerna är niob och tantal, sällsynta metaller så lika att geologer ofta tänker på dem som tvillingar.

"De har mycket liknande kemiska egenskaper och beter sig nästan identiskt i de flesta geologiska processer, " sa Tang. "Om du mäter tantal och niob, du upptäcker att deras förhållande är nästan konstant i jordens mantel. Det betyder att när du hittar mer niob i en sten, du kommer att hitta mer tantal, och när du hittar mindre niob, du kommer att hitta mindre tantal."

Manteln är jordens tjockaste lager, spänner över ca 1, 800 miles mellan planetens kärna och dess tunna yttre skorpa. Jordforskare tror att lite, om något, rör sig mellan manteln och kärnan, men manteln och allt ovanför den - havsbotten, hav, kontinenter och atmosfär - hänger ihop, och många av atomerna på jordens yta idag, inklusive atomerna i människor och andra levande varelser, har cyklat genom manteln en eller flera gånger under jordens 4,6 miljarder år.

Stenarna på kontinenter är ett undantag. Geologer har hittat några som är upp till 4 miljarder år gamla, vilket betyder att de bildades nära ytan och stannade på ytan, utan att återvinnas i manteln. Det beror delvis på naturen hos kontinental skorpa, som är mycket mindre tät än de basaltiska stenarna under jordens hav. Lä, professor och EEPS-avdelningsordförande, sa att det inte är någon slump att jorden är den enda steniga planeten som är känd för att ha både kontinenter och liv.

"Varje dag lever vi på kontinenter, och vi tar de flesta av våra resurser från kontinenter, ", sade Lee. "Vi har syre i luften att andas och precis rätt temperatur för att stödja komplext liv. Dessa saker är så vanliga att vi tar dem för givet, men jorden började inte med dessa förhållanden. De utvecklades senare i jordens historia. Och framväxten av kontinenter är en av de saker som formade vår planet och gjorde den mer beboelig."

Forskare saknar fortfarande detaljer om hur kontinenter började och hur de växte till att täcka 30 procent av jordens yta, men en stor ledtråd gäller niob och tantal, de geokemiska tvillingarna.

"I genomsnitt, bergarterna i den kontinentala skorpan har cirka 20 procent mindre niob än de borde jämfört med berget vi ser överallt annars, ", sa Tang. "Vi tror att detta saknade niob är knutet till kontinenternas mysterium. Genom att lösa eller hitta det saknade niob, vi kan få viktig information om hur kontinenter bildas."

Geologer har känt till obalansen i decennier. Och det tyder verkligen på att de geokemiska processer som producerar kontinental skorpa också tar bort niob. Men var fanns det saknade niob?

Den tjatande frågan fick Tang att ägna sin fritid åt att läsa dokument i Max Planck Institutes GEOROC-databas, en omfattande global samling publicerade analyser av vulkaniska bergarter.

Baserat på dessa sökningar och månader av uppföljande tester, Tang, Lee och kollegor erbjuder de första fysiska bevisen på att "arclogites" (uttalas ARC-loh-jyts) är ansvariga för det saknade niob. Arclogiter är kumulat, den överblivna slagg som ackumuleras nära basen av kontinentala bågar. Vid sällsynta tillfällen, bitar av dessa ackumuler bryter ut på ytan från vulkaner.

Rice-gruppen skickade först arclogite-prover som Lee hade samlat in i Arizona till sin samarbetspartner, Kang Chen, en forskare baserad vid China University of Geosciences i Wuhan. Chen tillbringade en månad med att få exakta avläsningar av de relativa mängderna niob och tantal i proverna. Klipporna skapades när High Sierras var en aktiv kontinental båge, som Anderna idag.

Chens tester bekräftade höga niob-tantal-förhållanden, 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. Till exempel, Tang said that at temperatures above 1, 000 grader 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."