985大學，新年首篇Nature

北京時間2026年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牛海洋教授團隊在《自然》(Nature)雜志在線發表題為《The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation》（布里奇曼石巨晶驅動巖漿洋分異的潛力）的理論研究論文。

該研究發現，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圖景。

該研究由普林斯頓大學、西北工業大學、加州大學洛杉磯分校組成的聯合研究團隊共同完成，普林斯頓大學Jie Deng助理教授和西工大2023級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級碩士研究生施奕鏑、普林斯頓大學博士研究生Jina Lee和加州大學洛杉磯分校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，形成深部高溫高壓、強對流的巖漿洋；其凝固結晶方式被認為是為此后數十億年的地幔化學組成與動力學演化奠定初始條件。然而，在極端環境中，晶體究竟以何種粒徑成核與生長、是否能夠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（bridgmanite）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。

研究團隊在前期對巖漿洋熔體結構與凝固行為的探索中，注意到巖漿洋熔體具有顯著的結構異質性及獨特的凝固行為。受此現象的啟發，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，并結合牛海洋教授與Michele Parrinello教授等合作提出的結構因子驅動的增強采樣方法等先進分子動力學方法，通過計算模擬首次在深部巖漿洋的高溫高壓環境下，對布里奇曼石—熔體界面能開展了系統研究。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（如下圖所示）。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。

布里奇曼石固液界面自由能

文章進一步分析指出，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（如下圖所示）。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帶、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，為理解地球及其他類地行星的早期巖漿洋凝固、內部化學分層與深部結構起源打開了新的研究窗口。

地幔凝固分層演化過程示意圖

該研究得到了國家自然科學基金重大研究計劃項目、凝固技術全國重點實驗室自主課題、中央高校基本科研業務費“0到1”原創性引領項目的資助支持，并得到凝固技術全國重點實驗室、西工大材料學院人才特區等平臺的大力支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10063-5

編輯、審核：石瑾鵬

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