中新網(wǎng)西安1月24日電 (記者 阿琳娜)記者24日從西北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校材料學(xué)院、凝固技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牛海洋教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在地球早期深部巖漿洋緩慢冷卻的條件下，布里奇曼石并非以傳統(tǒng)假設(shè)的微小顆粒結(jié)晶，而有機(jī)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(jìn)而驅(qū)動地幔早期分層與化學(xué)分異，為理解地球深部長期保存的異常結(jié)構(gòu)提供了新的物理圖景。

　　該研究聚焦“地球早期巖漿洋如何結(jié)晶固化”這一行星科學(xué)關(guān)鍵問題，由西北工業(yè)大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)共同完成，相關(guān)成果在《自然》雜志在線發(fā)表。

　　據(jù)介紹，地球形成初期很可能經(jīng)歷全球性熔融，形成深部高溫高壓、強(qiáng)對流的巖漿洋；其凝固結(jié)晶方式被認(rèn)為是為此后數(shù)十億年的地幔化學(xué)組成與動力學(xué)演化奠定初始條件。然而，在極端環(huán)境中，晶體究竟以何種粒徑成核與生長、是否能夠發(fā)生有效的分離結(jié)晶，長期以來缺乏直接約束。尤其是下地幔主導(dǎo)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(shí)驗(yàn)難度一直知之甚少。

　　研究團(tuán)隊(duì)在前期對巖漿洋熔體結(jié)構(gòu)與凝固行為的探索中，注意到巖漿洋熔體具有顯著的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性及獨(dú)特的凝固行為。受此現(xiàn)象的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)聚焦到高溫高壓條件下布里奇曼石—熔體界面能的系統(tǒng)分析。通過采用機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)驅(qū)動的大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，并結(jié)合結(jié)構(gòu)因子驅(qū)動的增強(qiáng)采樣方法等先進(jìn)分子動力學(xué)方法，通過計(jì)算模擬首次在深部巖漿洋的高溫高壓環(huán)境下，對布里奇曼石—熔體界面能開展了系統(tǒng)研究。

　　結(jié)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(shù)值可達(dá)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(guī)模。

　　此外，與細(xì)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(jìn)分離結(jié)晶與化學(xué)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(shí)，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(fā)流變性質(zhì)梯度，使部分區(qū)域黏度更高、對流更遲緩，從而有助于早期形成的結(jié)構(gòu)與原始地球化學(xué)信號在后續(xù)漫長的地幔對流中得以長期保存。這一認(rèn)識為解釋地幔底部大型低地震波速帶、超低地震波速帶等異常構(gòu)造的潛在起源提供了新思路。

　　據(jù)介紹，該研究將原子尺度的凝固成核關(guān)鍵參數(shù)與行星尺度的演化過程直接關(guān)聯(lián)，為理解地球及其他類地行星的早期巖漿洋凝固、內(nèi)部化學(xué)分層與深部結(jié)構(gòu)起源打開了新的研究窗口。(完)