北京時(shí)間2026年1月21日，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院、凝固技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牛海洋教授團(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature)雜志在線(xiàn)發(fā)表題為《The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation》（布里奇曼石巨晶驅(qū)動(dòng)巖漿洋分異的潛力）的理論研究論文。該研究發(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（bridgmanite）并非以傳統(tǒng)假設(shè)的微小顆粒結(jié)晶，而有機(jī)會(huì)長(zhǎng)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(dòng)地幔早期分層與化學(xué)分異，為理解地球深部長(zhǎng)期保存的異常結(jié)構(gòu)提供了新的物理圖景。
該研究由普林斯頓大學(xué)、西北工業(yè)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，普林斯頓大學(xué)Jie Deng助理教授和西工大2023級(jí)博士研究生胡俊偉為論文的第一作者，Jie Deng助理教授和牛海洋教授為論文的通訊作者。西工大2021級(jí)碩士研究生施奕鏑、普林斯頓大學(xué)博士研究生Jina Lee和加州大學(xué)洛杉磯分校Lars Stixrude教授為論文的共同作者。
早期地球巖漿洋凝固與地幔分層示意圖
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(wèn)題。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(duì)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(dòng)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(zhǎng)、是否能夠發(fā)生有效的分離結(jié)晶，長(zhǎng)期以來(lái)缺乏直接約束。尤其是下地幔主導(dǎo)礦物布里奇曼石（bridgmanite）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(duì)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(guò)采用機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，并結(jié)合牛海洋教授與Michele Parrinello教授等合作提出的結(jié)構(gòu)因子驅(qū)動(dòng)的增強(qiáng)采樣方法等先進(jìn)分子動(dòng)力學(xué)方法，通過(guò)計(jì)算模擬首次在深部巖漿洋的高溫高壓環(huán)境下，對(duì)布里奇曼石—熔體界面能開(kāi)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（如下圖所示）。較高的界面能會(huì)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(zhǎng)至厘米甚至米級(jí)規(guī)模。
布里奇曼石固液界面自由能
文章進(jìn)一步分析指出，與細(xì)小晶體容易被對(duì)流夾帶、傾向整體混合凝固不同，米級(jí)巨晶更可能以類(lèi)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(shuō)提供了可量化的微觀(guān)物理支撐（如下圖所示）。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(duì)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(hào)在后續(xù)漫長(zhǎng)的地幔對(duì)流中得以長(zhǎng)期保存。這一認(rèn)識(shí)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。
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(guò)程直接關(guān)聯(lián)，為理解地球及其他類(lèi)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(kāi)了新的研究窗口。
地幔凝固分層演化過(guò)程示意圖
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目、凝固技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)“0到1”原創(chuàng)性引領(lǐng)項(xiàng)目的資助支持，并得到凝固技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西工大材料學(xué)院人才特區(qū)等平臺(tái)的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10063-5
牛海洋教授簡(jiǎn)介：
西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，長(zhǎng)期致力于復(fù)雜與極端條件下材料凝固理論、物質(zhì)相變機(jī)理、先進(jìn)分子動(dòng)力學(xué)方法開(kāi)發(fā)以及人工智能輔助材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金委青年基金、優(yōu)秀青年科學(xué)基金（海外）、面上項(xiàng)目、重大研究計(jì)劃（培育）等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。迄今已在《自然》（Nature），《自然·通訊》（Nature Communications），《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances），《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，累計(jì)被引用5000余次。
（圖文：受訪(fǎng)團(tuán)隊(duì)提供；審核：禹亮、付怡）
