图 地幔凝固分层演化过程示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：92370118）等资助下，西北工业大学牛海洋教授团队与海外合作者在地球早期岩浆洋凝固与地幔分异研究方面取得进展。相关成果以“The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation”为题，于2026年1月21日在线发表于学术期刊《自然》（Nature）上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10063-5。

　　地球形成初期极有可能经历全球性熔融阶段，形成深部高温高压、剧烈对流的岩浆洋。岩浆洋的结晶方式被认为为后续数十亿年地幔的化学组成与动力学演化奠定初始条件。然而，岩浆洋是趋于整体混合凝固，还是发生分离结晶并形成早期分层结构，长期存在争议。其中的关键问题在于：下地幔最主要矿物——布里奇曼石（Bridgmanite）在极端压力条件下的成核与生长行为缺乏直接约束，相关结晶尺度只能依赖假设。

　　研究团队在前期对岩浆洋熔体结构与凝固行为的探索中，注意到岩浆洋熔体具有显著的结构异质性及独特的凝固行为。受此现象的启发，团队将研究重点聚焦到高温高压条件下布里奇曼石—熔体界面能的系统分析。通过采用机器学习势函数驱动的大规模分子动力学模拟，并结合牛海洋教授与Michele Parrinello教授等合作提出的结构因子驱动的增强采样技术等先进分子动力学方法，通过计算模拟首次在深部岩浆洋的高温高压环境下，对布里奇曼石—熔体界面能开展了系统研究。结果表明，该界面能随压力显著升高，其数值可高于常压硅酸盐—熔体体系一个数量级。界面能的升高将显著抑制成核密度，从而改变晶体的数量—尺寸分布关系：在冷却相对迟缓的深部岩浆洋情景下，较少的晶核可获得更充分的生长时间与物质供给，因而“可能”形成厘米至米级尺度的布里奇曼石巨晶。

　　研究进一步指出，这类可能出现的巨晶将改变岩浆洋的凝固动力学模式。与细小晶体易被对流夹带、趋向整体混合凝固不同，大尺寸晶体更易发生有效沉降与聚集，在对流背景下增强分离结晶效率。团队将这一沉降—聚集过程形象称为“晶体雨”，并据此提出其可能促进显著的化学分异与地幔压实，为“分层凝固”假说提供新的、可量化的微观物理支撑。

　　该机制还为理解地幔底部长期存在的不均一结构提供了新的物理图景。地震学观测揭示，地幔底部存在大型低地震波速省、超低地震波速带等异常构造，常被认为与早期岩浆洋凝固遗迹有关。研究表明，若深部形成显著的晶体尺度差异，可能导致流变性质梯度，使部分区域黏度更高、对流更迟缓，从而有助于早期形成的结构与原始地球化学信号在后续漫长的地幔对流过程中得以长期保存。

　　本研究将原子尺度的成核关键参数与行星尺度的结构演化问题直接联系起来，为理解地球早期岩浆洋凝固方式、地幔化学分层起源及深部结构形成机制提供了新的定量约束与可检验物理框架，推动了人工智能赋能的多尺度模拟在地球与行星内部过程研究中的应用。