Gaz nobles, dont l'hélium, néon, et argon, se caractérisent par une inertie chimique élevée qui entraîne une faible réactivité avec d'autres matériaux et une volatilité élevée. Parmi eux, ³ Il, ²⁰ Ne, et ³⁶ Ar sont des isotopes particuliers qui étaient des composants de la nébuleuse solaire primordiale existant dans l'espace avant la formation de la Terre. ³ Il est également connu pour avoir été produit par le Big Bang et une quantité substantielle est contenue dans les basaltes des îles océaniques, par exemple., Mont sous-marin Loihi, Hawaï (par exemple, Dixon et al., 2000). Ces basaltes sont des roches de points chauds qui proviennent de l'intérieur profond de la Terre, indiquant que ³ Il était stocké quelque part dans les profondeurs de la Terre. Il est surprenant qu'un tel hélium primordial soit confiné à l'intérieur de la Terre depuis 4,6 milliards d'années, depuis l'époque de la formation de la Terre jusqu'à aujourd'hui, même si les gaz rares sont très volatils. Considérant la convection vigoureuse du manteau tout au long de l'échelle des temps géologiques (par exemple, Van der Hilst et al., 1997 ; Wang et al., 2015), il semblerait peu probable que des gaz rares soient piégés à l'intérieur de la Terre si longtemps. Bien qu'il ait été suggéré que les candidats pour la localisation du réservoir d'hélium primordial soient le manteau le plus profond et le noyau (image 1), son emplacement reste incertain. C'est l'un des plus grands mystères de la science de la Terre profonde et il fait toujours l'objet d'un débat intense.

Le noyau externe, composé principalement de fer liquide, est un candidat pour le réservoir d'hélium primordial, et il est possible que de l'hélium soit fourni de cette zone au manteau. De tels gaz rares pourraient être transportés vers la surface avec des panaches du manteau ascendant. Cela semble un scénario raisonnable pour expliquer le fait que les roches collectées dans les zones de points chauds actifs, comme à Loihi Seamount et en Islande, contiennent des concentrations élevées de gaz rares primordiaux. Si le noyau externe est le réservoir de gaz rares, les quantités nécessaires devraient être dissoutes dans du fer liquide sous haute pression. Cependant, des études expérimentales précédentes ont rapporté qu'à des pressions relativement basses de 1 atm à 20 GPa, les gaz rares préfèrent généralement les silicates (le manteau) aux métaux (le noyau) (par exemple, Bouhifd et al., 2013). (La propriété par laquelle un soluté particulier est dissous dans différents solvants coexistants en différentes quantités est appelée partition d'éléments.) D'autre part, il n'existe aucune étude à ce jour qui a étudié la propriété de séparation métal/silicate des gaz rares à des pressions de 10 GPa à 100 GPa, correspondant aux conditions dans lesquelles le proto-noyau de la Terre a réagi avec l'océan de magma au début de la formation de la Terre. Par conséquent, il est difficile d'exclure la possibilité que le cœur soit un réservoir de gaz rares. Si les gaz nobles changent pour préférer les métaux avec une pression croissante (une propriété appelée sidérophile), plus pourrait être dissous dans le noyau, et il est important de clarifier les propriétés de partage des gaz rares.

Les mesures expérimentales précises des éléments se partageant sous haute pression sont assez difficiles, donc dans cette étude, au moyen de la technologie de simulation informatique de la mécanique quantique appelée méthode ab initio, les propriétés de partage de l'hélium et de l'argon entre le fer liquide et le silicate fondu (magma) ont été étudiées dans la large plage de pression de 20 GPa à 135 GPa. Des simulations informatiques de la partition des éléments ont été réalisées en calculant les énergies de réaction lorsque les gaz rares sont dissous dans du fer liquide et du silicate fondu. En comparant ces énergies de réaction, les différences relatives dans l'équilibre des concentrations de gaz rares dans la fonte liquide et le silicate fondu coexistants ont pu être estimées. Basé sur le principe fondamental de la thermodynamique, les gaz nobles sont davantage dissous dans un solvant avec une énergie de réaction plus faible, et ainsi, des différences plus importantes dans les énergies de réaction améliorent davantage le contraste des concentrations de gaz rares dans le fer liquide et le silicate fondu. Des techniques spéciales sont nécessaires pour calculer les énergies de réaction des gaz rares avec des liquides tels que le fer liquide et le silicate fondu. Dans cette étude, cela a été réalisé en combinant une méthode appelée méthode d'intégration thermodynamique, autorisé par la mécanique statistique, avec la méthode de dynamique moléculaire ab initio.

Les calculs des propriétés de partage des gaz nobles entre fer liquide et silicate fondu obtenus par ces techniques originales indiquent pour la première fois au monde qu'il subsiste des gaz rares, préférer le silicate fondu à la fonte liquide jusqu'à la pression limite noyau-manteau (135 GPa), et il n'y a pas d'augmentation nette de leur sidérophilie. La quantité d'hélium dissoute dans le noyau au début de la formation de la Terre est estimée à environ 1/100 de la quantité dissoute dans le manteau (image 2). (En revanche, l'argon devient plus sidérophile avec une pression croissante. Les différents comportements à haute pression sont causés par les différentes tailles atomiques de l'hélium et de l'argon.) Ce résultat, ne montrant pas d'effets de pression considérables, suggère que le noyau ne convient pas comme réservoir primordial, mais le montant total estimé de ³ Il stocké dans le noyau est, même si seulement 1/100, assez pour expliquer la ³ Il flux mesuré dans les points chauds actuels.

Même si 100 fois plus d'hélium a été dissous dans l'océan de magma, la majeure partie se serait évaporée dans l'air pendant qu'elle se solidifiait et il ne resterait que des quantités marginales en raison de sa forte volatilité. En revanche, l'hélium dissous dans le noyau pendant la formation du proto-noyau dans l'océan magmatique était confiné au noyau après la solidification de l'océan magmatique. On considère qu'un tel hélium s'est progressivement infiltré dans le manteau à travers la limite noyau-manteau et a remonté à la surface avec des panaches d'upwelling sur une longue période de temps. Il peut être mesuré dans les roches des points chauds même maintenant. Ces résultats fournissent un support concluant montrant que la ³ Le réservoir est au cœur. Il s'agit d'un aperçu important pour l'emplacement du réservoir primordial, l'un des mystères de longue date des géosciences.