科学家揭示地球早期岩浆洋结晶新机制

1月21日，西北工业大学材料学院、凝固技术全国重点实验室教授牛海洋团队在《自然》上发表论文。研究发现，在地球早期深部岩浆洋缓慢冷却的条件下，布里奇曼石（bridgmanite）并非以传统假设的微小颗粒结晶，而有机会长成厘米至米尺度的“巨晶”。这些巨晶一旦形成，可能显著改变岩浆洋凝固方式，进而驱动地幔早期分层与化学分异，为理解地球深部长期保存的异常结构提供了新的物理框架。

早期地球岩浆洋凝固与地幔分层示意图。西北工业大学供图

该研究由西北工业大学、普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校组成的联合研究团队共同完成，聚焦于“地球早期岩浆洋如何结晶固化”这一行星科学关键问题。

地球形成初期很可能经历全球性熔融过程，形成深部高温高压、强对流的岩浆洋。其凝固方式被认为奠定了此后数十亿年地幔化学组成与动力学演化的基础。然而，在极端环境中，晶体究竟以何种粒径成核与生长、是否能发生有效的分离结晶，长期以来缺乏直接约束。尤其是下地幔主导矿物布里奇曼石在深部岩浆洋条件下的成核行为，受限于实验难度一直知之甚少。

研究团队在前期工作中发现岩浆洋熔体具有显著的结构异质性与特殊凝固行为。受此现象启发，团队将研究重点聚焦到高温高压条件下布里奇曼石——熔体界面能的系统分析。通过采用机器学习势函数驱动的大规模分子动力学模拟，并结合结构因子驱动的增强采样等先进分子动力学方法，团队首次在模拟深部岩浆洋的高温高压环境中，系统研究了布里奇曼石与熔体之间的界面能。

结果显示，随着压力升高，布里奇曼石与熔体的界面能显著增大，其数值可达常压硅酸盐——熔体体系的十倍以上。较高的界面能会显著抑制凝固成核密度，若再配合深部岩浆洋较慢的冷却速率，则可能促使布里奇曼石晶体生长至厘米甚至米级规模。

进一步分析表明，与细小晶体容易被对流夹带、倾向整体混合凝固不同，米级巨晶更可能以类似“晶体雨”的方式向中性浮力层聚集，促进分离结晶与化学分异，从而为“分层凝固”假说提供了可量化的微观物理支撑。同时，该巨晶模型还提示：若深部形成显著的晶体尺度差异，可能引发流变性质梯度，使部分区域黏度更高、对流更迟缓，从而有助于早期形成的结构与原始地球化学信号在后续漫长的地幔对流中得以长期保存。这一认识为解释地幔底部大型低地震波速省、超低地震波速带等异常构造的潜在起源提供了新思路。

该研究将原子尺度的凝固成核关键参数与行星尺度的演化过程直接关联，为理解地球乃至其他类地行星早期岩浆洋的凝固机制、内部化学分层及深部结构成因开辟了新的路径。