Ädelgaser, inklusive helium, neon, och argon, kännetecknas av hög kemisk inertitet som orsakar låg reaktivitet med andra material och hög flyktighet. Bland dem, ³ Han, ²⁰ Ne, och ³⁶ Ar är speciella isotoper som var komponenter i den ursprungliga soltågen som fanns i rymden innan jorden hade bildats. ³ Han är också känd för att ha producerats av Big Bang och en betydande mängd finns i havsöns basalter, t.ex., Loihi Seamount, Hawaii (t.ex. Dixon et al., 2000). Sådana basalter är heta stenar som har sitt ursprung i jordens djupa inre, indikerar att ³ Han förvarades någonstans på den djupa jorden. Det är förvånande att sådant ur -helium har varit begränsat i jordens inre i 4,6 miljarder år, från tidpunkten för jordens bildning till nu, även om ädelgaser är mycket flyktiga. Med tanke på den kraftiga mantelkonvektionen under hela den geologiska tidsskalan (t.ex. Van der Hilst et al., 1997; Wang et al., 2015), det verkar osannolikt att ädelgaser skulle fastna inne i jorden så länge. Även om det har föreslagits att kandidaterna för placeringen av reservoaret för urhelium är den djupaste manteln och kärnan (bild 1), dess plats är fortfarande oklart. Detta är ett av de största mysterierna inom djup jordvetenskap och fortfarande under intensiv debatt.

Den yttre kärnan, består huvudsakligen av flytande järn, är en kandidat för reservoaren för urhelium, och det finns en möjlighet att helium levereras från detta område till manteln. Sådana ädelgaser skulle kunna transporteras upp till ytan med uppvärmande mantelflyger. Detta verkar vara ett rimligt scenario för att förklara det faktum att stenar som samlats i de aktiva hot spot -områdena, som i Loihi Seamount och Island, innehåller höga koncentrationer av ädla gaser. Om den yttre kärnan är behållaren för ädelgaser, de nödvändiga mängderna måste lösas upp i flytande järn under högt tryck. Dock, tidigare experimentella studier rapporterade att vid relativt låga tryck från 1 atm till 20 GPa, ädelgaser föredrar i allmänhet silikater (manteln) framför metaller (kärnan) (t.ex. Bouhifd et al., 2013). (Den egenskap genom vilken ett visst löst ämne löses upp i olika samexisterande lösningsmedel i olika mängder kallas elementfördelning.) Å andra sidan, det finns ingen studie hittills som har undersökt egenskapen för metall/silikatfördelning av ädelgaser vid tryck på 10 GPa till 100 GPa, motsvarande förhållandena där jordens proto -kärna reagerade med magmahavet i det tidiga stadiet av jordens bildning. Därför, det är svårt att utesluta möjligheten att kärnan är en reservoar av ädelgaser. Om ädelgaser ändras för att föredra metaller med ökande tryck (en egenskap som kallas siderofil), mer kunde lösas upp i kärnan, och det är viktigt att förtydliga ädelgassernas fördelningsegenskaper.

Exakta experimentella mätningar av element som skiljer sig under högt tryck är ganska svåra, så i denna studie, med hjälp av den kvantmekaniska datorsimuleringstekniken kallad ab initio -metoden, fördelningsegenskaperna för helium och argon mellan flytande järn och smält silikat (magma) undersöktes i det breda tryckområdet 20 GPa till 135 GPa. Datorsimuleringar av elementfördelning utfördes genom att beräkna reaktionsenergierna när ädelgaser löses upp i flytande järn och smält silikat. Genom att jämföra dessa reaktionsenergier, de relativa skillnaderna i jämvikt för ädelgaskoncentrationerna i samexisterande flytande järn och smält silikat kunde uppskattas. Baserat på termodynamikens grundläggande princip, ädelgaser löses upp mer i ett lösningsmedel med en mindre reaktionsenergi, och därmed ökar större skillnader i reaktionsenergier kontrasten i ädelgaskoncentrationer i flytande järn och smält silikat kraftigare. Särskilda tekniker krävs för att beräkna ädelgasernas reaktionsenergier med vätskor som flytande järn och smält silikat. I den här studien, detta genomfördes genom att kombinera en metod som kallas den termodynamiska integrationsmetoden, godkänd av statistisk mekanik, med metoden ab initio molekylär dynamik.

Beräkningarna av ädelgassernas fördelningsegenskaper mellan flytande järn och smält silikat som erhållits med dessa ursprungliga tekniker indikerar för första gången i världen att ädelgaser finns kvar, föredrar smält silikat framför flytande järn upp till kärnmantelgränsen (135 GPa), och det finns ingen tydlig ökning av deras siderofilitet. Mängden helium upplöst i kärnan i det tidiga stadiet av jordens bildning anses vara ungefär 1/100 av mängden upplöst i manteln (bild 2). (I kontrast, argon visar sig bli mer siderofilt med ökande tryck. De olika högtrycksbeteendena orsakas av de olika atomstorlekarna för helium och argon.) Detta resultat, visar inga avsevärda tryckeffekter, föreslår att kärnan är olämplig som urreservoar, men det beräknade totala beloppet av ³ Han lagrade i kärnan är, även om bara 1/100, tillräckligt för att förklara ³ Han flödesmätt i nuvarande hotspots.

Även om 100 gånger mer helium löstes upp i magmahavet, det mesta skulle ha avdunstat i luften medan det stelnat och endast marginella mängder skulle vara kvar på grund av dess höga flyktighet. I kontrast, helium löst i kärnan under proto -kärnbildningen i magmahavet begränsades till kärnan efter att magmahavet stelnat. Det anses att sådant helium gradvis har sipprat in i manteln över kärnmantelgränsen och stigit upp till ytan med uppväxande plommon under en lång tidsperiod. Det kan mätas i hot spot -stenarna redan nu. Dessa resultat ger avgörande stöd som visar att ³ Reservoaren är kärnan. Detta är en viktig insikt för placeringen av urreservoaren, ett av de långa mysterierna inom geovetenskapen.