科技日?qǐng)?bào)記者 王禹涵
針對(duì)地球早期巖漿洋如何結(jié)晶固化的關(guān)鍵科學(xué)難題，西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)揭示下地幔主要礦物在極端環(huán)境下可形成“米級(jí)巨晶”，并通過“晶體雨”的上浮方式推動(dòng)早期地幔分層。相關(guān)成果于1月21日在國(guó)際期刊《自然》在線發(fā)表。
地球形成初期曾極大概率處于全球熔融狀態(tài)，這個(gè)熾熱的“巖漿洋”如何凝固，直接決定了后來(lái)數(shù)十億年地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與演化。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)界對(duì)巖漿洋是整體凝固還是分層結(jié)晶存在爭(zhēng)議，而爭(zhēng)議的關(guān)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(jī)制缺乏直接證據(jù)。
西北工業(yè)大學(xué)牛海洋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員，創(chuàng)新采用“機(jī)器學(xué)習(xí)+分子動(dòng)力學(xué)模擬”技術(shù)，成功模擬了地幔深部超高壓條件下、布里奇曼石結(jié)晶的關(guān)鍵過程。
研究發(fā)現(xiàn)，在巖漿洋底部處于高壓且冷卻相對(duì)緩慢的條件下，少量晶核可獲得充足生長(zhǎng)時(shí)間與空間，形成厘米至米級(jí)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(dòng)早期地幔的分層。
“我們相當(dāng)于在計(jì)算機(jī)里重建了一個(gè)‘微型地幔實(shí)驗(yàn)室’。”西北工業(yè)大學(xué)博士研究生胡俊偉說(shuō)，“借助機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)，我們能精確刻畫原子間的相互作用；再結(jié)合增強(qiáng)采樣算法，便能觀測(cè)到傳統(tǒng)方法難以捕捉的結(jié)晶過程，從而填補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)手段在極端高溫高壓條件下難以獲取的地幔凝固關(guān)鍵數(shù)據(jù)。”
研究為認(rèn)識(shí)地球早期演化提供了關(guān)鍵依據(jù)。“目前，我們正將這種方法拓展至地球內(nèi)部及更多行星環(huán)境的研究中，”牛海洋表示，“希望能揭示更多行星演化的秘密。”