Gases nobles, incluyendo helio, neón, y argón, se caracterizan por una alta inercia química que provoca una baja reactividad con otros materiales y una alta volatilidad. Entre ellos, ³ Él, ²⁰ Nordeste, y ³⁶ Ar son isótopos particulares que eran componentes de la nebulosa solar primordial que existía en el espacio antes de que se formara la Tierra. ³ También se sabe que fue producido por el Big Bang y una cantidad sustancial está contenida en los basaltos de las islas oceánicas, p.ej., Monte submarino Loihi, Hawái (por ejemplo, Dixon y col., 2000). Dichos basaltos son rocas de puntos calientes que se originaron en el interior profundo de la Tierra, Indicando que ³ Estaba almacenado en algún lugar de las profundidades de la Tierra. Es sorprendente que tal helio primordial haya estado confinado en el interior de la Tierra durante 4.600 millones de años, desde el momento de la formación de la Tierra hasta ahora, aunque los gases nobles son muy volátiles. Considerando la vigorosa convección del manto a lo largo de la escala de tiempo geológico (por ejemplo, Van der Hilst y col., 1997; Wang y col., 2015), Parecería poco probable que los gases nobles estuvieran atrapados dentro de la Tierra durante tanto tiempo. Aunque se ha sugerido que los candidatos para la ubicación del reservorio de helio primordial son el manto más profundo y el núcleo (imagen 1), su ubicación sigue sin estar clara. Este es uno de los mayores misterios de las ciencias profundas de la Tierra y todavía está bajo un intenso debate.

El núcleo externo compuesto principalmente de hierro líquido, es un candidato para el reservorio de helio primordial, y existe la posibilidad de que se suministre helio desde esta zona al manto. Tales gases nobles podrían ser transportados a la superficie con penachos de manto ascendentes. Este parece un escenario razonable para explicar el hecho de que las rocas recolectadas en las áreas activas de puntos calientes, como en el monte submarino de Loihi e Islandia, contienen altas concentraciones de gases nobles primordiales. Si el núcleo externo es el depósito de gases nobles, las cantidades necesarias tendrían que disolverse en hierro líquido a alta presión. Sin embargo, estudios experimentales anteriores informaron que a presiones relativamente bajas de 1 atm a 20 GPa, Los gases nobles generalmente prefieren los silicatos (el manto) a los metales (el núcleo) (por ejemplo, Bouhifd y col., 2013). (La propiedad por la cual un soluto particular se disuelve en diferentes disolventes coexistentes en diferentes cantidades se llama partición de elementos). Por otro lado, Hasta ahora no existe ningún estudio que haya investigado la propiedad de la partición metal / silicato de gases nobles a presiones de 10 GPa a 100 GPa. correspondiente a las condiciones en las que el protonúcleo de la Tierra reaccionó con el océano de magma en la etapa inicial de la formación de la Tierra. Por lo tanto, Es difícil excluir la posibilidad de que el núcleo sea un depósito de gases nobles. Si los gases nobles cambian para preferir metales con presión creciente (una propiedad llamada siderófilo), más podrían disolverse en el núcleo, y es importante aclarar las propiedades de reparto de los gases nobles.

Las mediciones experimentales precisas de elementos que se dividen a alta presión son bastante difíciles, entonces en este estudio, por medio de la tecnología de simulación por computadora de la mecánica cuántica llamada método ab initio, Se investigaron las propiedades de reparto del helio y el argón entre el hierro líquido y el silicato fundido (magma) en el amplio rango de presión de 20 GPa a 135 GPa. Las simulaciones por computadora de la partición de elementos se realizaron calculando las energías de reacción cuando los gases nobles se disuelven en hierro líquido y silicato fundido. Comparando estas energías de reacción, Se podrían estimar las diferencias relativas en el equilibrio de las concentraciones de gases nobles en el hierro líquido coexistente y el silicato fundido. Basado en el principio fundamental de la termodinámica, los gases nobles se disuelven más en un disolvente con una energía de reacción menor, y, por tanto, diferencias más grandes en las energías de reacción mejoran mucho más el contraste en las concentraciones de gases nobles en el hierro líquido y el silicato fundido. Se requieren técnicas especiales para calcular las energías de reacción de los gases nobles con líquidos como el hierro líquido y el silicato fundido. En este estudio, esto se llevó a cabo combinando un método llamado método de integración termodinámica, autorizado por mecánica estadística, con el método de dinámica molecular ab initio.

Los cálculos de las propiedades de reparto de los gases nobles entre el hierro líquido y el silicato fundido obtenidos mediante estas técnicas originales indican por primera vez en el mundo que quedan gases nobles, prefiriendo el silicato fundido al hierro líquido hasta la presión límite entre el núcleo y el manto (135 GPa), y no hay un aumento claro en su siderofilidad. Se considera que la cantidad de helio disuelto en el núcleo en la etapa inicial de la formación de la Tierra es aproximadamente 1/100 de la cantidad disuelta en el manto (imagen 2). (A diferencia de, se encuentra que el argón se vuelve más siderófilo al aumentar la presión. Los diferentes comportamientos de alta presión son causados ​​por los diferentes tamaños atómicos del helio y el argón.) Este resultado, no muestran efectos de presión considerables, sugiere que el núcleo no es adecuado como reservorio primordial, pero la cantidad total estimada de ³ El almacenado en el núcleo es, incluso si solo 1/100, suficiente para explicar el ³ El flujo medido en los puntos calientes actuales.

Aunque se disolvió 100 veces más helio en el océano de magma, la mayor parte se habría evaporado en el aire mientras se solidificaba y solo quedarían cantidades marginales debido a su alta volatilidad. A diferencia de, el helio disuelto en el núcleo durante la formación del proto núcleo en el océano de magma se confinó al núcleo después de que el océano de magma se solidificó. Se considera que dicho helio se ha ido infiltrando gradualmente en el manto a través del límite entre el núcleo y el manto y ascendiendo a la superficie con penachos ascendentes durante un largo período de tiempo. Se puede medir en las rocas del punto caliente incluso ahora. Estos resultados proporcionan un apoyo concluyente que muestra que la ³ El depósito está en el centro. Esta es una idea importante para la ubicación del reservorio primordial, uno de los misterios más antiguos de la geociencia.