地球上原始氦的深层储层

稀有气体(包括氦气，氖气和氩气)的特点是化学惰性高，与其他材料的反应性低，挥发性高。其中3 He，20 Ne和36 Ar是特殊的同位素，它们是地球形成之前存在于太空中的原始太阳星云的组成部分。3他也被认为是由大爆炸所产生的，并且其中很大一部分包含在海洋岛的玄武岩中，例如夏威夷的Loihi Seamount(例如Dixon等人，2000年)。这些玄武岩是起源于地球内部深处的热点岩石，表明3他被储存在地球深处的某个地方。令人惊讶的是，从稀有气体高度挥发性开始，从原始地球形成到现在，这种原始氦气一直被限制在地球内部长达46亿年。考虑到整个地质时间尺度上强烈的地幔对流(例如，Van der Hilst等，1997; Wang等，2015)，惰性气体被困在地球内部的时间似乎不会这么久。尽管已经提出原始氦气储层位置的候选者是最深的地幔和岩心(图1)，但其位置仍不清楚。这是地球深层科学的最大谜团之一，目前仍在激烈辩论中。

主要由液态铁组成的外核是原始氦气储层的候选者，并且有可能从该区域向地幔供应氦气。这样的稀有气体可以通过上升的地幔柱带到地表。这似乎是一个合理的情况，可以解释这样一个事实，即在活跃的热点地区(如Loihi Seamount和冰岛)收集的岩石中含有高浓度的原始稀有气体。如果外芯是稀有气体的储存库，则必须在高压下将必要量的溶解在铁水中。但是，先前的实验研究表明，在1 atm至20 GPa的相对较低压力下，稀有气体通常比金属(核)更喜欢硅酸盐(地幔)(例如Bouhifd等，2013)。(将一种特定的溶质以不同的量溶解在不同的共存溶剂中的特性称为元素分配。)另一方面，到目前为止，还没有研究研究了稀有气体在200℃和200℃的压力下进行金属/硅酸盐分配的特性。 10 GPa至100 GPa，对应于地球原始形成初期原核与岩浆海洋发生反应的条件。因此，很难排除岩心是稀有气体储集层的可能性。如果稀有气体改变压力而倾向于优先选择金属(一种称为铁镁铁矿的特性)，

要在高压下对元素分配进行精确的实验测量是非常困难的，因此在这项研究中，借助称为ab initio方法的量子力学计算机模拟技术，氦气和氩气在液态铁和熔融硅酸盐(岩浆)之间的分配特性得以实现。在20 GPa至135 GPa的宽压力范围内进行了研究。通过计算稀有气体溶解在液态铁和熔融硅酸盐中时的反应能，进行了元素分配的计算机模拟。通过比较这些反应能，可以估算出液态铁和熔融硅酸盐共存时稀有气体浓度平衡的相对差异。根据热力学的基本原理，稀有气体会以较小的反应能更多地溶解在溶剂中，因此，反应能的较大差异会极大地提高液态铁和熔融硅酸盐中稀有气体浓度的对比度。需要特殊的技术来计算稀有气体与液体(例如铁水和熔融硅酸盐)的反应能。在这项研究中，这是通过将统计力学授权的称为热力学积分法的方法与从头算分子动力学方法相结合来进行的。

通过这些原始技术获得的稀有气体在铁水和熔融硅酸盐之间的分配特性的计算表明，世界上尚有稀有气体存在，它们优先使用熔融硅酸盐而不是铁水直至芯-地幔边界压力(135 GPa )，并且其亲铁性没有明显增加。在地球形成初期，溶解在岩心中的氦气量被认为约为溶解在地幔中的氦气量的1/100(图2)。(相比之下，发现氩随着压力的增加而变得更加亲铁。不同的高压行为是由于氦和氩的原子大小不同而引起的。)这一结果没有显示出明显的压力效应，这表明该核不适合于原始水库3存储在核心他是，即使只有1/100，足以解释3他在本热点通量测量。

即使将100倍以上的氦溶解到岩浆海洋中，大部分氦也会在凝固过程中蒸发到空气中，并且由于其高挥发性，只剩下少量的氦。相反，在岩浆海凝固后，溶解在岩浆海中的原岩心中溶解在岩心中的氦被限制在岩心中。据认为，这种氦气在很长一段时间内已经逐渐渗透到穿过地幔边界的地幔中，并随着上升的羽状流上升到地表。即使在现在，也可以在热点岩石中对其进行测量。这些结果提供了决定性的支持，表明3 He储层是核心。这是原始储层位置的重要见解，原始储层是地球科学中长期存在的谜团之一。

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