科技日报记者 王禹涵
针对地球早期岩浆洋如何结晶固化的关键科学难题，西北工业大学联合国际研究团队揭示下地幔主要矿物在极端环境下可形成“米级巨晶”，并通过“晶体雨”的上浮方式推动早期地幔分层。相关成果于1月21日在国际期刊《自然》在线发表。
地球形成初期曾极大概率处于全球熔融状态，这个炽热的“岩浆洋”如何凝固，直接决定了后来数十亿年地球内部的结构与演化。长期以来，学界对岩浆洋是整体凝固还是分层结晶存在争议，而争议的关键就在于下地幔最主要矿物——布里奇曼石，在极端条件下的形成机制缺乏直接证据。
西北工业大学牛海洋教授团队联合普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校的研究人员，创新采用“机器学习+分子动力学模拟”技术，成功模拟了地幔深部超高压条件下、布里奇曼石结晶的关键过程。
研究发现，在岩浆洋底部处于高压且冷却相对缓慢的条件下，少量晶核可获得充足生长时间与空间，形成厘米至米级的巨型晶体，并因自重上浮形成“晶体雨”并在中性浮力层聚集，从而推动早期地幔的分层。
“我们相当于在计算机里重建了一个‘微型地幔实验室’。”西北工业大学博士研究生胡俊伟说，“借助机器学习势函数，我们能精确刻画原子间的相互作用；再结合增强采样算法，便能观测到传统方法难以捕捉的结晶过程，从而填补了实验手段在极端高温高压条件下难以获取的地幔凝固关键数据。”
研究为认识地球早期演化提供了关键依据。“目前，我们正将这种方法拓展至地球内部及更多行星环境的研究中，”牛海洋表示，“希望能揭示更多行星演化的秘密。”