围绕“早期地球岩浆洋如何结晶固化”此行星科学核心问题，西北工业大学材料学院、凝固技术全国重点实验室牛海洋教授团队与普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校研究人员开展联合研究，提出深部岩浆洋中布里奇曼石可能形成大尺度晶体的新认识。对应的成果近日国际学术期刊《自然》在线发表。 问题：岩浆洋结晶方式长期缺少关键约束。学界普遍认为，地球形成早期可能经历全球性熔融，出现高温高压、强对流的深部岩浆洋。岩浆洋如何凝固，将为此后数十亿年的地幔成分与动力学演化设定“初始条件”。但在极端温压条件下，晶体如何成核、生长到何种粒径，以及是否能够发生有效的分离结晶，长期缺乏直接证据。尤其是作为下地幔主导矿物的布里奇曼石，其在深部岩浆洋环境中的成核与界面行为，受实验条件限制研究相对薄弱，成为制约认识的关键环节。 原因：高界面能叠加慢冷却，为“长大晶体”创造窗口。研究团队基于前期对岩浆洋熔体结构与凝固行为的探索，注意到岩浆洋熔体可能存在显著结构异质性，进而影响晶体—熔体界面性质。为此，团队将研究重点转向布里奇曼石—熔体界面能这一决定成核难易度的核心参数，采用大规模分子动力学模拟，并结合结构因子驱动的增强采样等方法，在计算层面系统刻画深部高温高压条件下的界面能变化规律。模拟结果显示，随着压力升高，布里奇曼石与熔体的界面能显著增大，数值可达到常压硅酸盐—熔体体系的十倍以上。界面能升高意味着成核“门槛”提高，成核密度会被明显压低；若同时存在深部岩浆洋较缓慢的冷却速率，晶体数量少而生长时间更长，布里奇曼石便可能获得从厘米级乃至米级尺度生长的机会。 影响：凝固方式可能从“混合凝固”转向“分层凝固”。研究认为，与细小晶体易被对流夹带、在整体混合中凝固不同，大尺度晶体更可能以类似“晶体雨”的方式在岩浆洋中沉降或向中性浮力层聚集，从而增强分离结晶效率，推动早期地幔分层与化学分异。这一机制为“分层凝固”假说提供了可量化的微观物理支撑，即通过界面能—成核密度—晶体尺度之间的链条，将原子尺度过程与行星尺度演化联系起来。继续而言，若深部形成明显的晶体尺度差异，还可能带来流变性质的空间梯度：部分区域黏度更高、对流更迟缓，有利于早期形成的结构与原始地球化学信号在后续漫长地幔对流中被“封存”，从而为解释地幔底部大型低地震波速带、超低地震波速带等异常构造的潜在起源提供新的思路。 对策：以多手段交叉验证，推动从“模型解释”走向“可检验假说”。相关结论为认识早期地球提供新的物理框架，也提出了可进一步检验的科学命题。下一步研究可从三上推进：其一，结合高温高压实验技术的发展，针对界面能、成核密度与晶体生长速率等关键参数开展更接近天然条件的验证；其二，将该微观机制嵌入更高分辨率的地球动力学与热演化模型，评估“巨晶”对凝固前沿推进、分离结晶效率以及地幔分层稳定性的影响范围；其三，联合地球化学与地震学观测，尝试用可观测信号约束早期分异过程是否留下可追踪的深部结构与成分“指纹”，形成从理论到观测的闭环。 前景：为类地行星内部演化研究打开新窗口。研究表明，决定行星早期分层格局的关键，可能不仅取决于宏观对流与热史，还与晶体成核这一微观过程直接相关。除地球之外，月球、火星等天体的早期也被认为经历过不同程度的岩浆洋阶段；若类似机制在其他类地行星中同样存在，将有助于理解其内部结构差异与长期演化路径。随着计算方法、实验能力与地球物理观测的合力推进，围绕岩浆洋凝固机制的研究有望在“从参数到过程、从过程到结构”的链条上实现更系统的贯通。
该研究标志着我国在行星科学领域取得重要进展，其创新方法为探索行星演化提供了新思路。成果不仅深化了对地球形成初期的认识，也为类地行星研究提供了参考，再次证明跨学科合作是解决重大科学问题的有效途径。