稀有氣體(包括氦氣，氖氣和氬氣)的特點(diǎn)是化學(xué)惰性高，與其他材料的反應(yīng)性低，揮發(fā)性高。其中3 He，20 Ne和36 Ar是特殊的同位素，它們是地球形成之前存在于太空中的原始太陽星云的組成部分。3他也被認(rèn)為是由大爆炸所產(chǎn)生的，并且其中很大一部分包含在海洋島的玄武巖中，例如夏威夷的Loihi Seamount(例如Dixon等人，2000年)。這些玄武巖是起源于地球內(nèi)部深處的熱點(diǎn)巖石，表明3他被儲存在地球深處的某個(gè)地方。令人驚訝的是，從稀有氣體高度揮發(fā)性開始，從原始地球形成到現(xiàn)在，這種原始氦氣一直被限制在地球內(nèi)部長達(dá)46億年?？紤]到整個(gè)地質(zhì)時(shí)間尺度上強(qiáng)烈的地幔對流(例如，Van der Hilst等，1997; Wang等，2015)，惰性氣體被困在地球內(nèi)部的時(shí)間似乎不會這么久。盡管已經(jīng)提出原始氦氣儲層位置的候選者是最深的地幔和巖心(圖1)，但其位置仍不清楚。這是地球深層科學(xué)的最大謎團(tuán)之一，目前仍在激烈辯論中。

主要由液態(tài)鐵組成的外核是原始氦氣儲層的候選者，并且有可能從該區(qū)域向地幔供應(yīng)氦氣。這樣的稀有氣體可以通過上升的地幔柱帶到地表。這似乎是一個(gè)合理的情況，可以解釋這樣一個(gè)事實(shí)，即在活躍的熱點(diǎn)地區(qū)(如Loihi Seamount和冰島)收集的巖石中含有高濃度的原始稀有氣體。如果外芯是稀有氣體的儲存庫，則必須在高壓下將必要量的溶解在鐵水中。但是，先前的實(shí)驗(yàn)研究表明，在1 atm至20 GPa的相對較低壓力下，稀有氣體通常比金屬(核)更喜歡硅酸鹽(地幔)(例如Bouhifd等，2013)。(將一種特定的溶質(zhì)以不同的量溶解在不同的共存溶劑中的特性稱為元素分配。)另一方面，到目前為止，還沒有研究研究了稀有氣體在200℃和200℃的壓力下進(jìn)行金屬/硅酸鹽分配的特性。 10 GPa至100 GPa，對應(yīng)于地球原始形成初期原核與巖漿海洋發(fā)生反應(yīng)的條件。因此，很難排除巖心是稀有氣體儲集層的可能性。如果稀有氣體改變壓力而傾向于優(yōu)先選擇金屬(一種稱為鐵鎂鐵礦的特性)，

要在高壓下對元素分配進(jìn)行精確的實(shí)驗(yàn)測量是非常困難的，因此在這項(xiàng)研究中，借助稱為ab initio方法的量子力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，氦氣和氬氣在液態(tài)鐵和熔融硅酸鹽(巖漿)之間的分配特性得以實(shí)現(xiàn)。在20 GPa至135 GPa的寬壓力范圍內(nèi)進(jìn)行了研究。通過計(jì)算稀有氣體溶解在液態(tài)鐵和熔融硅酸鹽中時(shí)的反應(yīng)能，進(jìn)行了元素分配的計(jì)算機(jī)模擬。通過比較這些反應(yīng)能，可以估算出液態(tài)鐵和熔融硅酸鹽共存時(shí)稀有氣體濃度平衡的相對差異。根據(jù)熱力學(xué)的基本原理，稀有氣體會以較小的反應(yīng)能更多地溶解在溶劑中，因此，反應(yīng)能的較大差異會極大地提高液態(tài)鐵和熔融硅酸鹽中稀有氣體濃度的對比度。需要特殊的技術(shù)來計(jì)算稀有氣體與液體(例如鐵水和熔融硅酸鹽)的反應(yīng)能。在這項(xiàng)研究中，這是通過將統(tǒng)計(jì)力學(xué)授權(quán)的稱為熱力學(xué)積分法的方法與從頭算分子動力學(xué)方法相結(jié)合來進(jìn)行的。

通過這些原始技術(shù)獲得的稀有氣體在鐵水和熔融硅酸鹽之間的分配特性的計(jì)算表明，世界上尚有稀有氣體存在，它們優(yōu)先使用熔融硅酸鹽而不是鐵水直至芯-地幔邊界壓力(135 GPa )，并且其親鐵性沒有明顯增加。在地球形成初期，溶解在巖心中的氦氣量被認(rèn)為約為溶解在地幔中的氦氣量的1/100(圖2)。(相比之下，發(fā)現(xiàn)氬隨著壓力的增加而變得更加親鐵。不同的高壓行為是由于氦和氬的原子大小不同而引起的。)這一結(jié)果沒有顯示出明顯的壓力效應(yīng)，這表明該核不適合于原始水庫3存儲在核心他是，即使只有1/100，足以解釋3他在本熱點(diǎn)通量測量。

即使將100倍以上的氦溶解到巖漿海洋中，大部分氦也會在凝固過程中蒸發(fā)到空氣中，并且由于其高揮發(fā)性，只剩下少量的氦。相反，在巖漿海凝固后，溶解在巖漿海中的原巖心中溶解在巖心中的氦被限制在巖心中。據(jù)認(rèn)為，這種氦氣在很長一段時(shí)間內(nèi)已經(jīng)逐漸滲透到穿過地幔邊界的地幔中，并隨著上升的羽狀流上升到地表。即使在現(xiàn)在，也可以在熱點(diǎn)巖石中對其進(jìn)行測量。這些結(jié)果提供了決定性的支持，表明3 He儲層是核心。這是原始儲層位置的重要見解，原始儲層是地球科學(xué)中長期存在的謎團(tuán)之一。