科技日報記者 王禹涵
針對地球早期巖漿洋如何結晶固化的關鍵科學難題，西北工業大學聯合國際研究團隊揭示下地幔主要礦物在極端環境下可形成“米級巨晶”，并通過“晶體雨”的上浮方式推動早期地幔分層。相關成果于1月21日在國際期刊《自然》在線發表。
地球形成初期曾極大概率處于全球熔融狀態，這個熾熱的“巖漿洋”如何凝固，直接決定了后來數十億年地球內部的結構與演化。長期以來，學界對巖漿洋是整體凝固還是分層結晶存在爭議，而爭議的關鍵就在于下地幔最主要礦物——布里奇曼石，在極端條件下的形成機制缺乏直接證據。
西北工業大學牛海洋教授團隊聯合普林斯頓大學、加州大學洛杉磯分校的研究人員，創新采用“機器學習+分子動力學模擬”技術，成功模擬了地幔深部超高壓條件下、布里奇曼石結晶的關鍵過程。
研究發現，在巖漿洋底部處于高壓且冷卻相對緩慢的條件下，少量晶核可獲得充足生長時間與空間，形成厘米至米級的巨型晶體，并因自重上浮形成“晶體雨”并在中性浮力層聚集，從而推動早期地幔的分層。
“我們相當于在計算機里重建了一個‘微型地幔實驗室’。”西北工業大學博士研究生胡俊偉說，“借助機器學習勢函數，我們能精確刻畫原子間的相互作用；再結合增強采樣算法，便能觀測到傳統方法難以捕捉的結晶過程，從而填補了實驗手段在極端高溫高壓條件下難以獲取的地幔凝固關鍵數據。”
研究為認識地球早期演化提供了關鍵依據。“目前，我們正將這種方法拓展至地球內部及更多行星環境的研究中，”牛海洋表示，“希望能揭示更多行星演化的秘密。”