Khoảng 4,5 tỷ năm trước, Trái Đất từng nóng chảy, với một đại dương magma bao phủ bề mặt. Khi hành tinh nguội dần, các vật chất nặng chìm xuống tạo thành lõi giàu kim loại, còn vật chất nhẹ hơn hình thành lớp phủ và vỏ Trái Đất. Một số nguyên tố từ thời kỳ đầu có thể vẫn được giữ lại sâu bên trong hành tinh.

Các nhà khoa học chưa rõ những vật chất này còn giữ nguyên đặc điểm ban đầu hay đã thay đổi theo thời gian do sự trao đổi giữa lõi và lớp phủ. Để tìm câu trả lời, nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã sử dụng mô phỏng máy tính kết hợp trí tuệ nhân tạo, phân tích cách hydro di chuyển trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao.

Nhóm tập trung vào tỷ lệ giữa hydro thông thường và deuteri, một dạng hydro nặng hơn. Tỷ lệ này giúp các nhà khoa học tìm hiểu nguồn gốc của hydro và những biến đổi mà nó trải qua. Kết quả mô phỏng cho thấy quá trình Trái Đất nguội đi và kết tinh khó tạo ra sự khác biệt lớn về tỷ lệ hai dạng hydro trong lớp phủ ban đầu. Điều này gợi ý rằng những khác biệt được phát hiện ngày nay có thể hình thành sau đó, khi vật chất tiếp tục trao đổi giữa lõi và lớp phủ.

Một manh mối khác đến từ đá núi lửa ở những hòn đảo giữa đại dương, chẳng hạn như đảo Baffin ở Canada và Iceland. Loại đá này hình thành từ dung nham trồi lên từ sâu bên trong Trái Đất. Trên đường lên bề mặt, dung nham có thể mang theo những nguyên tố vốn nằm gần khu vực tiếp giáp giữa lõi và lớp phủ. Vì vậy, thành phần của đá núi lửa có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu những gì đang diễn ra ở sâu dưới lòng đất.

Khi phân tích các mẫu đá, nhóm nghiên cứu phát hiện những dấu hiệu cho thấy hydro nhẹ có thể đang di chuyển từ lõi lên lớp phủ. Ngoài ra, tỷ lệ hai dạng heli trong đá cũng cung cấp manh mối. Heli-3 là dạng heli có từ thời kỳ đầu hình thành Hệ Mặt Trời, còn heli-4 chủ yếu được tạo ra do sự phân rã phóng xạ bên trong Trái Đất. Tỷ lệ heli-3 cao có thể cho thấy đá chứa vật chất cổ xưa từ sâu bên trong hành tinh.

Nhóm nghiên cứu còn tìm thấy dấu vết của vonfram, một kim loại phần lớn tập trung trong lõi khi Trái Đất hình thành các lớp. Một số dấu vết vonfram xuất hiện trong đá núi lửa có thể đã được các dòng vật chất nóng đưa lên từ sâu bên dưới. Khi kết hợp những manh mối từ hydro, heli và vonfram, các nhà khoa học cho rằng có cơ sở để nhận định vật chất từ lõi vẫn đang di chuyển lên lớp phủ. Tuy nhiên, quá trình này hiện vẫn được suy ra từ thành phần hóa học của đá, chứ chưa được quan sát trực tiếp

Phát hiện này cũng cho thấy những vùng vật chất cổ xưa trong lớp phủ, nếu từng tồn tại, có thể đã thay đổi thành phần do quá trình trao đổi kéo dài hàng tỷ năm. Vì vậy, những dấu vết hóa học tìm thấy ngày nay không nhất thiết phản ánh chính xác điều kiện khi Trái Đất mới hình thành.

Tuy nhiên, nghiên cứu hiện dựa trên mô phỏng máy tính và phân tích đá núi lửa, chứ chưa quan sát trực tiếp được vật chất di chuyển khỏi lõi. Các nhà khoa học cần thêm dữ liệu để xác định quá trình này diễn ra như thế nào và ảnh hưởng ra sao đến bên trong Trái Đất.