p Gases nobres, incluindo hélio, néon, e argônio, são caracterizados por alta inércia química que causa baixa reatividade com outros materiais e alta volatilidade. Entre eles, ³ Ele, ²⁰ Ne, e ³⁶ Ar são isótopos particulares que eram componentes da nebulosa solar primordial que existia no espaço antes da formação da Terra. ³ Ele também é conhecido por ter sido produzido pelo Big Bang e uma quantidade substancial está contida em basaltos de ilhas oceânicas, por exemplo., Loihi Seamount, Havaí (por exemplo, Dixon et al., 2000). Esses basaltos são rochas de pontos quentes que se originaram no interior profundo da Terra, indicando que ³ Ele estava armazenado em algum lugar nas profundezas da Terra. É surpreendente que tal hélio primordial tenha estado confinado no interior da Terra por 4,6 bilhões de anos, desde o momento da formação da Terra até agora, mesmo que os gases nobres sejam altamente voláteis. Considerando a convecção vigorosa do manto ao longo da escala de tempo geológica (por exemplo, Van der Hilst et al., 1997; Wang et al., 2015), pareceria improvável que gases nobres ficassem presos dentro da Terra por tanto tempo. Embora tenha sido sugerido que os candidatos para a localização do reservatório de hélio primordial sejam o manto mais profundo e o núcleo (imagem 1), sua localização permanece obscura. Este é um dos maiores mistérios das ciências terrestres profundas e ainda está sob intenso debate. p O núcleo externo, composto principalmente de ferro líquido, é um candidato a reservatório de hélio primordial, e existe a possibilidade de que o hélio seja fornecido desta área para o manto. Esses gases nobres podiam ser transportados para a superfície com as plumas do manto que afloram. Este parece um cenário razoável para explicar o fato de que as rochas coletadas nas áreas ativas de pontos quentes, como em Loihi Seamount e Islândia, contêm altas concentrações de gases nobres primordiais. Se o núcleo externo for o reservatório de gases nobres, as quantidades necessárias teriam de ser dissolvidas em ferro líquido sob alta pressão. Contudo, estudos experimentais anteriores relataram que em pressões relativamente baixas de 1 atm a 20 GPa, gases nobres geralmente preferem silicatos (o manto) a metais (o núcleo) (por exemplo, Bouhifd et al., 2013). (A propriedade pela qual um determinado soluto é dissolvido em diferentes solventes coexistentes em diferentes quantidades é chamada de partição de elemento.) Por outro lado, não existe nenhum estudo até agora que tenha investigado a propriedade da partição de metal / silicato de gases nobres a pressões de 10 GPa a 100 GPa, correspondendo às condições em que o proto-núcleo da Terra reagiu com o oceano de magma no estágio inicial da formação da Terra. Portanto, é difícil excluir a possibilidade de que o núcleo seja um reservatório de gases nobres. Se os gases nobres mudarem para preferir metais com o aumento da pressão (uma propriedade chamada siderófilo), mais poderia ser dissolvido no núcleo, e é importante esclarecer as propriedades de partição dos gases nobres.

p Medições experimentais precisas de elementos particionados sob alta pressão são bastante difíceis, então neste estudo, por meio da tecnologia de simulação computacional de mecânica quântica chamada de método ab initio, as propriedades de partição de hélio e argônio entre ferro líquido e silicato fundido (magma) foram investigadas na ampla faixa de pressão de 20 GPa a 135 GPa. Simulações de computador de partição de elementos foram conduzidas calculando as energias de reação quando gases nobres são dissolvidos em ferro líquido e silicato fundido. Ao comparar essas energias de reação, as diferenças relativas no equilíbrio das concentrações de gases nobres na coexistência de ferro líquido e silicato fundido podem ser estimadas. Com base no princípio fundamental da termodinâmica, gases nobres são dissolvidos mais em um solvente com uma energia de reação menor, e, assim, diferenças maiores nas energias de reação aumentam muito mais o contraste nas concentrações de gases nobres no ferro líquido e no silicato fundido. Técnicas especiais são necessárias para calcular as energias de reação de gases nobres com líquidos, como ferro líquido e silicato fundido. Neste estudo, isso foi realizado combinando um método chamado método de integração termodinâmica, autorizado pela mecânica estatística, com o método de dinâmica molecular ab initio.

p Os cálculos das propriedades de partição dos gases nobres entre o ferro líquido e o silicato fundido obtidos por essas técnicas originais indicam pela primeira vez no mundo que os gases nobres permanecem, preferindo silicato fundido a ferro líquido até a pressão limite núcleo-manto (135 GPa), e não há aumento distinto em sua siderofilidade. A quantidade de hélio dissolvido no núcleo no estágio inicial da formação da Terra é considerada cerca de 1/100 da quantidade dissolvida no manto (imagem 2). (Em contraste, o argônio torna-se mais siderófilo com o aumento da pressão. Os diferentes comportamentos de alta pressão são causados ​​pelos diferentes tamanhos atômicos de hélio e argônio.) Este resultado, não mostrando efeitos de pressão consideráveis, sugere que o núcleo não é adequado como reservatório primordial, mas a quantidade total estimada de ³ Ele armazenado no núcleo é, mesmo que seja apenas 1/100, o suficiente para explicar o ³ O fluxo é medido nos pontos quentes atuais.

p Mesmo que 100 vezes mais hélio tenha sido dissolvido no oceano de magma, a maior parte dele teria evaporado no ar enquanto se solidificou e apenas quantidades marginais seriam deixadas devido à sua alta volatilidade. Em contraste, o hélio dissolvido no núcleo durante a formação do proto-núcleo no oceano de magma foi confinado ao núcleo após a solidificação do oceano de magma. Considera-se que tal hélio tem infiltrado gradualmente no manto através da fronteira manto-núcleo e ascendendo à superfície com plumas ressurgentes por um longo período de tempo. Ele pode ser medido nas rochas do ponto quente mesmo agora. Esses resultados fornecem suporte conclusivo, mostrando que o ³ O reservatório está no centro. Este é um insight importante para a localização do reservatório primordial, um dos mistérios mais antigos da geociência.