Et dybt reservoir af primordialt helium i Jorden

Ædelgasser, inklusive helium, neon, og argon, er kendetegnet ved høj kemisk inerthed, som forårsager lav reaktivitet med andre materialer og høj flygtighed. Blandt dem, ³ Han, ²⁰ Nej, og ³⁶ Ar er særlige isotoper, som var komponenter i den oprindelige soltåge, der eksisterede i rummet, før Jorden var dannet. ³ Han er også kendt for at være blevet produceret af Big Bang, og en betydelig mængde er indeholdt i oceanøbasalter, f.eks., Loihi Seamount, Hawaii (f.eks. Dixon et al., 2000). Sådanne basalter er hot spot klipper, der stammer fra jordens dybe indre, indikerer det ³ Han blev opbevaret et sted i den dybe Jord. Det er overraskende, at sådan urhelium har været indespærret i Jordens indre i 4,6 milliarder år, fra tidspunktet for jordens dannelse til nu, selvom ædelgasser er meget flygtige. I betragtning af den kraftige kappekonvektion gennem den geologiske tidsskala (f.eks. Van der Hilst et al., 1997; Wang et al., 2015), det virker usandsynligt, at ædelgasser ville være fanget inde i Jorden så længe. Selvom det er blevet foreslået, at kandidaterne til placeringen af ​​reservoiret af primordialt helium er den dybeste kappe og kernen (billede 1), dens placering er stadig uklar. Dette er et af de største mysterier inden for dyb jordvidenskab og stadig under intens debat.

Den ydre kerne, består hovedsagelig af flydende jern, er en kandidat til reservoiret af primordialt helium, og der er mulighed for, at helium tilføres fra dette område til kappen. Sådanne ædelgasser kunne føres op til overfladen med opstrømmende kappefaner. Dette forekommer et rimeligt scenarie for at forklare det faktum, at sten indsamlet i de aktive hot spot-områder, såsom i Loihi Seamount og Island, indeholder høje koncentrationer af oprindelige ædelgasser. Hvis den ydre kerne er reservoiret af ædelgasser, de nødvendige mængder skulle opløses i flydende jern under højt tryk. Imidlertid, tidligere eksperimentelle undersøgelser rapporterede, at ved relativt lave tryk fra 1 atm til 20 GPa, ædelgasser foretrækker generelt silikater (kappen) frem for metaller (kernen) (f.eks. Bouhifd et al., 2013). (Den egenskab, hvorved et bestemt opløst stof opløses i forskellige sameksisterende opløsningsmidler i forskellige mængder, kaldes elementopdeling.) På den anden side, der eksisterer ingen undersøgelse indtil videre, som har undersøgt egenskaben ved metal/silikatopdeling af ædelgasser ved tryk på 10 GPa til 100 GPa, svarende til de forhold, hvor Jordens protokerne reagerede med magmahavet i det tidlige stadie af Jordens dannelse. Derfor, det er svært at udelukke muligheden for, at kernen er et reservoir af ædelgasser. Hvis ædelgasser ændrer sig til at foretrække metaller med stigende tryk (en egenskab kaldet siderofil), mere kunne opløses i kernen, og det er vigtigt at afklare ædelgassernes opdelingsegenskaber.

Præcise eksperimentelle målinger af elementer, der opdeler under højt tryk, er ret vanskelige, så i denne undersøgelse, ved hjælp af den kvantemekaniske computersimuleringsteknologi kaldet ab initio-metoden, heliums og argons fordelingsegenskaber mellem flydende jern og smeltet silikat (magma) blev undersøgt i det brede trykområde fra 20 GPa til 135 GPa. Computersimuleringer af elementopdeling blev udført ved at beregne reaktionsenergierne, når ædelgasser opløses i flydende jern og smeltet silikat. Ved at sammenligne disse reaktionsenergier, de relative forskelle i ligevægten af ​​ædelgaskoncentrationerne i sameksisterende flydende jern og smeltet silikat kunne estimeres. Baseret på termodynamikkens grundlæggende princip, ædelgasser opløses mere i et opløsningsmiddel med en mindre reaktionsenergi, og dermed øger større forskelle i reaktionsenergier kontrasten i ædelgaskoncentrationer i flydende jern og smeltet silikat stærkere. Der kræves særlige teknikker til at beregne reaktionsenergierne af ædelgasser med væsker som flydende jern og smeltet silikat. I dette studie, dette blev udført ved at kombinere en metode kaldet den termodynamiske integrationsmetode, godkendt af statistisk mekanik, med ab initio molekylær dynamik metoden.

Beregningerne af adskillelsesegenskaberne af ædelgasser mellem flydende jern og smeltet silikat opnået ved disse originale teknikker indikerer for første gang i verden, at ædelgasser forbliver, foretrækker smeltet silikat frem for flydende jern op til kerne-kappe-grænsetrykket (135 GPa), og der er ingen tydelig stigning i deres siderofilitet. Mængden af ​​helium opløst i kernen i det tidlige stadie af Jordens dannelse anses for at være cirka 1/100 af mængden opløst i kappen (billede 2). (I modsætning, argon viser sig at blive mere siderofilt med stigende tryk. De forskellige højtryksadfærd er forårsaget af de forskellige atomstørrelser af helium og argon.) Dette resultat, viser ingen væsentlige trykpåvirkninger, tyder på, at kernen er uegnet som det oprindelige reservoir, men det anslåede samlede beløb på ³ Han gemt i kernen er, selvom kun 1/100, nok til at forklare ³ Han flux målt i de nuværende hot spots.

Selvom 100 gange mere helium blev opløst i magmahavet, det meste af det ville være fordampet i luften, mens det størknede, og kun marginale mængder ville være tilbage på grund af dets høje flygtighed. I modsætning, helium opløst i kernen under protokernedannelsen i magmahavet blev begrænset til kernen, efter at magmahavet var størknet. Det anses for, at sådan helium gradvist har sivet ind i kappen på tværs af kerne-kappegrænsen og er steget op til overfladen med opstrømmende faner over en længere periode. Det kan måles i hot spot-klipperne allerede nu. Disse resultater giver afgørende støtte, der viser, at ³ Reservoiret er kernen. Dette er en vigtig indsigt for placeringen af ​​det oprindelige reservoir, et af de mangeårige mysterier inden for geovidenskab.