科學家揭示地球早期巖漿洋結晶新機制

　　1月21日，西北工業大學材料學院、凝固技術全國重點實驗室教授牛海洋團隊在《自然》上發表論文。研究發現，在地球早期深部巖漿洋緩慢冷卻的條件下，布里奇曼石（bridgmanite）并非以傳統假設的微小顆粒結晶，而有機會長成厘米至米尺度的“巨晶”。這些巨晶一旦形成，可能顯著改變巖漿洋凝固方式，進而驅動地幔早期分層與化學分異，為理解地球深部長期保存的異常結構提供了新的物理框架。

　　該研究由西北工業大學、普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校組成的聯合研究團隊共同完成，聚焦于“地球早期巖漿洋如何結晶固化”這一行星科學關鍵問題。

　　地球形成初期很可能經歷全球性熔融過程，形成深部高溫高壓、強對流的巖漿洋。其凝固方式被認為奠定了此后數十億年地幔化學組成與動力學演化的基礎。然而，在極端環境中，晶體究竟以何種粒徑成核與生長、是否能發生有效的分離結晶，長期以來缺乏直接約束。尤其是下地幔主導礦物布里奇曼石在深部巖漿洋條件下的成核行為，受限于實驗難度一直知之甚少。

　　研究團隊在前期工作中發現巖漿洋熔體具有顯著的結構異質性與特殊凝固行為。受此現象啟發，團隊將研究重點聚焦到高溫高壓條件下布里奇曼石——熔體界面能的系統分析。通過采用機器學習勢函數驅動的大規模分子動力學模擬，并結合結構因子驅動的增強采樣等先進分子動力學方法，團隊首次在模擬深部巖漿洋的高溫高壓環境中，系統研究了布里奇曼石與熔體之間的界面能。

　　結果顯示，隨著壓力升高，布里奇曼石與熔體的界面能顯著增大，其數值可達常壓硅酸鹽——熔體體系的十倍以上。較高的界面能會顯著抑制凝固成核密度，若再配合深部巖漿洋較慢的冷卻速率，則可能促使布里奇曼石晶體生長至厘米甚至米級規模。

　　進一步分析表明，與細小晶體容易被對流夾帶、傾向整體混合凝固不同，米級巨晶更可能以類似“晶體雨”的方式向中性浮力層聚集，促進分離結晶與化學分異，從而為“分層凝固”假說提供了可量化的微觀物理支撐。同時，該巨晶模型還提示：若深部形成顯著的晶體尺度差異，可能引發流變性質梯度，使部分區域黏度更高、對流更遲緩，從而有助于早期形成的結構與原始地球化學信號在后續漫長的地幔對流中得以長期保存。這一認識為解釋地幔底部大型低地震波速省、超低地震波速帶等異常構造的潛在起源提供了新思路。

　　該研究將原子尺度的凝固成核關鍵參數與行星尺度的演化過程直接關聯，為理解地球乃至其他類地行星早期巖漿洋的凝固機制、內部化學分層及深部結構成因開辟了新的路徑。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10063-5