Gas nobili, compreso l'elio, neon, e argon, sono caratterizzati da elevata inerzia chimica che provoca bassa reattività con altri materiali ed elevata volatilità. Tra loro, ³ Lui, ²⁰ no, e ³⁶ Ar sono particolari isotopi che erano componenti della nebulosa solare primordiale esistente nello spazio prima della formazione della Terra. ³ È anche noto per essere stato prodotto dal Big Bang e una quantità sostanziale è contenuta nei basalti delle isole oceaniche, per esempio., Loihi monte sottomarino, Hawaii (ad es. Dixon et al., 2000). Tali basalti sono rocce hot spot che hanno avuto origine nelle profondità interne della Terra, indicando che ³ Era immagazzinato da qualche parte nelle profondità della Terra. È sorprendente che tale elio primordiale sia stato confinato all'interno della Terra per 4,6 miliardi di anni, dal momento della formazione della Terra ad oggi, anche se i gas nobili sono altamente volatili. Considerando la vigorosa convezione del mantello lungo tutta la scala temporale geologica (ad es. Van der Hilst et al. 1997; Wang et al., 2015), sembrerebbe improbabile che i gas nobili rimangano intrappolati all'interno della Terra così a lungo. Sebbene sia stato suggerito che i candidati per l'ubicazione del serbatoio di elio primordiale siano il mantello più profondo e il nucleo (immagine 1), la sua posizione rimane poco chiara. Questo è uno dei più grandi misteri della scienza della Terra profonda e ancora oggetto di un intenso dibattito.

Il nucleo esterno, composto principalmente da ferro liquido, è un candidato per il serbatoio di elio primordiale, ed esiste la possibilità che l'elio venga fornito da quest'area al mantello. Tali gas nobili potrebbero essere trasportati in superficie con pennacchi di mantello ascendenti. Questo sembra uno scenario ragionevole per spiegare il fatto che le rocce raccolte nelle aree calde attive, come a Loihi Seamount e in Islanda, contengono elevate concentrazioni di gas nobili primordiali. Se il nucleo esterno è il serbatoio di gas nobili, le quantità necessarie dovrebbero essere sciolte in ferro liquido ad alta pressione. Però, precedenti studi sperimentali hanno riportato che a pressioni relativamente basse da 1 atm a 20 GPa, i gas nobili generalmente preferiscono i silicati (il mantello) ai metalli (il nucleo) (ad es. Bouhifd et al., 2013). (La proprietà per cui un particolare soluto viene dissolto in diversi solventi coesistenti in quantità diverse è chiamata partizionamento degli elementi.) D'altra parte, non esiste finora alcuno studio che abbia indagato la proprietà della partizione metallo/silicato dei gas nobili a pressioni da 10 GPa a 100 GPa, corrispondenti alle condizioni in cui il proto nucleo della Terra ha reagito con l'oceano di magma nella fase iniziale della formazione della Terra. Perciò, è difficile escludere la possibilità che il nocciolo sia un serbatoio di gas nobili. Se i gas nobili cambiano per preferire metalli a pressione crescente (proprietà detta siderofila), più potrebbe essere dissolto nel nucleo, ed è importante chiarire le proprietà di partizione dei gas nobili.

Le misurazioni sperimentali precise di elementi di suddivisione ad alta pressione sono piuttosto difficili, quindi in questo studio, per mezzo della tecnologia di simulazione computerizzata della meccanica quantistica chiamata metodo ab initio, sono state studiate le proprietà di ripartizione dell'elio e dell'argon tra ferro liquido e silicato fuso (magma) nell'ampio intervallo di pressione da 20 GPa a 135 GPa. Sono state condotte simulazioni al computer della partizione degli elementi calcolando le energie di reazione quando i gas nobili vengono disciolti in ferro liquido e silicato fuso. Confrontando queste energie di reazione, si potrebbero stimare le differenze relative nell'equilibrio delle concentrazioni di gas nobile nel ferro liquido coesistente e nel silicato fuso. Basandosi sul principio fondamentale della termodinamica, i gas nobili si dissolvono maggiormente in un solvente con una minore energia di reazione, e quindi maggiori differenze nelle energie di reazione accrescono maggiormente il contrasto nelle concentrazioni di gas nobili nel ferro liquido e nel silicato fuso. Sono necessarie tecniche speciali per calcolare le energie di reazione dei gas nobili con liquidi come ferro liquido e silicato fuso. In questo studio, questo è stato condotto combinando un metodo chiamato metodo di integrazione termodinamica, autorizzato da meccanici statistici, con il metodo ab initio della dinamica molecolare.

I calcoli delle proprietà di ripartizione dei gas nobili tra ferro liquido e silicato fuso ottenuti con queste tecniche originali indicano per la prima volta al mondo che i gas nobili rimangono, preferendo il silicato fuso al ferro liquido fino alla pressione limite nucleo-mantello (135 GPa), e non c'è un netto aumento della loro siderofilia. La quantità di elio disciolta nel nucleo nella fase iniziale della formazione della Terra è considerata pari a circa 1/100 della quantità disciolta nel mantello (immagine 2). (In contrasto, si scopre che l'argon diventa più siderofilo con l'aumentare della pressione. I diversi comportamenti ad alta pressione sono causati dalle diverse dimensioni atomiche di elio e argon.) Questo risultato, che non mostra effetti di pressione considerevoli, suggerisce che il nucleo non è adatto come serbatoio primordiale, ma l'importo totale stimato di ³ Ha immagazzinato nel nucleo è, anche se solo 1/100, abbastanza per spiegare il ³ Ha misurato il flusso negli attuali punti caldi.

Anche se 100 volte più elio è stato dissolto nell'oceano di magma, la maggior parte di essa sarebbe evaporata nell'aria mentre si solidificava e ne sarebbero rimaste solo quantità marginali a causa della sua elevata volatilità. In contrasto, l'elio disciolto nel nucleo durante la formazione del proto nucleo nell'oceano di magma è stato confinato nel nucleo dopo che l'oceano di magma si è solidificato. Si ritiene che tale elio sia gradualmente penetrato nel mantello attraverso il confine nucleo-mantello e sia salito in superficie con pennacchi ascendenti per un lungo periodo di tempo. Può essere misurato nelle rocce dei punti caldi anche adesso. Questi risultati forniscono un supporto conclusivo che mostra che il ³ Il serbatoio è al centro. Questa è un'intuizione importante per la posizione del serbatoio primordiale, uno dei misteri di vecchia data della geoscienza.