Edele gassen, inclusief helium, neon, en argon, worden gekenmerkt door een hoge chemische inertie die een lage reactiviteit met andere materialen en een hoge vluchtigheid veroorzaakt. Onder hen, ³ Hij, ²⁰ nee, en ³⁶ Ar zijn specifieke isotopen die componenten waren van de oorspronkelijke zonnenevel die in de ruimte bestond voordat de aarde zich had gevormd. ³ Het is ook bekend dat hij is geproduceerd door de oerknal en een aanzienlijke hoeveelheid zit in basalt op oceaaneilanden, bijv. Loihi Zeeberg, Hawaï (bijv. Dixon et al., 2000). Dergelijke basaltstenen zijn 'hotspot'-gesteenten die in het diepe binnenste van de aarde zijn ontstaan, aangeeft dat ³ Hij was ergens in de diepe aarde opgeslagen. Het is verrassend dat dergelijk oerhelium al 4,6 miljard jaar in het binnenste van de aarde is opgesloten. vanaf het ontstaan ​​van de aarde tot nu, hoewel edelgassen zeer vluchtig zijn. Gezien de krachtige mantelconvectie gedurende de geologische tijdschaal (bijv. Van der Hilst et al., 1997; Wang et al., 2015), het lijkt onwaarschijnlijk dat edelgassen zo lang in de aarde zouden worden opgesloten. Hoewel is gesuggereerd dat de kandidaten voor de locatie van het reservoir van primordiaal helium de diepste mantel en de kern zijn (afbeelding 1), de locatie blijft onduidelijk. Dit is een van de grootste mysteries in de diepe aardwetenschappen en staat nog steeds onder hevige discussie.

De buitenste kern, voornamelijk samengesteld uit vloeibaar ijzer, is een kandidaat voor het reservoir van primordiaal helium, en er is een mogelijkheid dat helium vanuit dit gebied naar de mantel wordt toegevoerd. Dergelijke edelgassen kunnen met opwellende mantelpluimen naar de oppervlakte worden gebracht. Dit lijkt een redelijk scenario om het feit te verklaren dat stenen verzameld in de actieve hotspotgebieden, zoals in Loihi Seamount en IJsland, bevatten hoge concentraties oeredelgassen. Als de buitenste kern het reservoir van edelgassen is, de benodigde hoeveelheden zouden onder hoge druk in vloeibaar ijzer moeten worden opgelost. Echter, eerdere experimentele studies meldden dat bij relatief lage drukken van 1 atm tot 20 GPa, edelgassen geven over het algemeen de voorkeur aan silicaten (de mantel) boven metalen (de kern) (bijv. Bouhifd et al., 2013). (De eigenschap waarmee een bepaalde opgeloste stof wordt opgelost in verschillende naast elkaar bestaande oplosmiddelen in verschillende hoeveelheden, wordt elementpartitionering genoemd.) Aan de andere kant, er bestaat tot nu toe geen studie die de eigenschap van metaal/silicaatverdeling van edelgassen bij drukken van 10 GPa tot 100 GPa heeft onderzocht, overeenkomend met de omstandigheden waarin de protokern van de aarde reageerde met de magma-oceaan in het vroege stadium van de vorming van de aarde. Daarom, het is moeilijk uit te sluiten dat de kern een reservoir van edelgassen is. Als edelgassen veranderen in metalen met toenemende druk (een eigenschap genaamd siderofiel), meer zou kunnen worden opgelost in de kern, en het is belangrijk om de verdelingseigenschappen van edelgassen te verduidelijken.

Nauwkeurige experimentele metingen van elementen die zich onder hoge druk verdelen, zijn vrij moeilijk, dus in deze studie door middel van de kwantummechanische computersimulatietechnologie, de ab initio-methode, de scheidingseigenschappen van helium en argon tussen vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat (magma) werden onderzocht in het brede drukbereik van 20 GPa tot 135 GPa. Computersimulaties van elementverdeling werden uitgevoerd door de reactie-energieën te berekenen wanneer edelgassen worden opgelost in vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat. Door deze reactie-energieën te vergelijken, de relatieve verschillen in het evenwicht van de edelgasconcentraties in naast elkaar bestaand vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat konden worden geschat. Gebaseerd op het fundamentele principe van de thermodynamica, edelgassen worden meer opgelost in een oplosmiddel met een kleinere reactie-energie, en dus vergroten grotere verschillen in de reactie-energieën het contrast in de edelgasconcentraties in vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat sterker. Er zijn speciale technieken nodig om de reactie-energieën van edelgassen te berekenen met vloeistoffen zoals vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat. In dit onderzoek, dit werd uitgevoerd door een methode te combineren die de thermodynamische integratiemethode wordt genoemd, geautoriseerd door statistische mechanica, met de ab initio moleculaire dynamica methode.

De berekeningen van de verdelingseigenschappen van edelgassen tussen vloeibaar ijzer en gesmolten silicaat verkregen door deze originele technieken geven voor het eerst in de wereld aan dat edelgassen overblijven, voorkeur geven aan gesmolten silicaat boven vloeibaar ijzer tot de kern-mantel grensdruk (135 GPa), en er is geen duidelijke toename van hun siderofiliteit. De hoeveelheid helium die in het vroege stadium van de vorming van de aarde in de kern is opgelost, wordt geschat op ongeveer 1/100 van de hoeveelheid opgelost in de mantel (afbeelding 2). (In tegenstelling tot, argon blijkt bij toenemende druk meer siderofiel te worden. De verschillende hogedrukgedragingen worden veroorzaakt door de verschillende atomaire afmetingen van helium en argon.) Dit resultaat, geen noemenswaardige drukeffecten vertonen, suggereert dat de kern niet geschikt is als oerreservoir, maar het geschatte totale bedrag van ³ Hij opgeslagen in de kern is, al is het maar 1/100, genoeg om het uit te leggen ³ Hij flux gemeten in de huidige hotspots.

Ook al loste 100 keer meer helium op in de magma-oceaan, het meeste zou in de lucht zijn verdampt terwijl het stolde en er zouden slechts marginale hoeveelheden overblijven vanwege de hoge vluchtigheid. In tegenstelling tot, helium opgelost in de kern tijdens de vorming van de protokern in de magma-oceaan werd beperkt tot de kern nadat de magma-oceaan was gestold. Er wordt aangenomen dat dergelijk helium geleidelijk in de mantel is gesijpeld over de kern-mantelgrens en gedurende een lange periode naar de oppervlakte is gestegen met opwellende pluimen. Het kan zelfs nu worden gemeten in de hotspot-rotsen. Deze resultaten bieden overtuigende ondersteuning om aan te tonen dat de ³ Het reservoir is de kern. Dit is een belangrijk inzicht voor de locatie van het oerreservoir, een van de al lang bestaande mysteries in de geowetenschap.