地球早期岩浆洋如何凝固？我国科学家携手国际学者共同揭秘

中国青年报客户端讯（中青报·中青网记者 孙海华）地球早期岩浆洋如何结晶固化？针对这一行星科学的关键问题，西北工业大学（以下简称“西工大”）联合国际研究团队取得重大科研发现——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，而是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。

这一成果为理解地球深部长期保存的异常结构提供了新的物理图景。相关理论研究论文《The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation》（《布里奇曼石巨晶驱动岩浆洋分异的潜力》）于北京时间2026年1月21日在《自然》(Nature）杂志在线发表。

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

地球形成初期，在很大可能性上曾经历全球性熔融的过程，其形成的岩浆洋以何种方式凝固结晶，是此后数十亿年地球内部结构演化的关键性问题。然而，在极端环境中，晶体究竟以何种粒径成核与生长、是否能够发生有效的分离结晶？长期以来缺乏直接研究证据。尤其是下地幔主导矿物——布里奇曼石（bridgmanite）在深部岩浆洋条件下如何形成，受限于实验难度一直知之甚少。

西工大材料学院、凝固技术全国重点实验室牛海洋教授团队联合普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校组成的联合研究团队，通过计算模拟首次在深部岩浆洋的高温高压环境下，对布里奇曼石—熔体界面能开展了系统研究。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，这一状态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。

此外，与细小晶体不同，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。该巨晶模型还提示：若深部形成显著的晶体尺度差异，可能使部分区域黏度更高、对流更迟缓，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带、超低地震波速带等异常构造的潜在起源提供了新思路。

据介绍，该研究将为理解地球及其他类地行星的早期岩浆洋凝固、内部化学分层与深部结构起源打开新的研究窗口。

来源：中国青年报客户端