论文链接：Deng, J., Hu, J., Shi, Y. et al. The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation. Nature (2026).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-10063-5
研究背景
地球在形成初期很可能经历大规模熔融，形成全球性岩浆洋。岩浆洋如何结晶固化，被认为为此后数十亿年的地幔化学组成与动力学演化奠定了初始条件。然而，在剧烈对流的高温高压环境中，晶体究竟以何种粒径形成并参与分离结晶，长期以来缺乏直接约束。受限于实验条件，对下地幔主要矿物布里奇曼石在深部岩浆洋中的成核与生长行为，科学界一直知之甚少。
成果简介
近日，实验室牛海洋课题组与普林斯顿Deng Jie教授合作，通过计算模拟提出：在地球早期深部岩浆洋缓慢冷却的条件下，布里奇曼石（bridgmanite）可能并非以传统假设的微小颗粒结晶，而有机会长成厘米至米尺度的“巨晶”。这些巨晶一旦形成，可能显著改变岩浆洋凝固方式，进而驱动地幔早期分层与化学分异，为理解地球深部长期保存的异常结构提供了新的物理图景。
该研究利用机器学习势函数驱动、百万原子级分子动力学模拟并结合增强采样等手段，首次在深部岩浆洋高温高压条件下系统计算布里奇曼石—熔体界面能。结果显示界面能随压力显著增大，可高于常压硅酸盐—熔体体系十倍以上；高界面能将显著抑制成核密度，配合深部岩浆洋缓慢冷却速率，可能允许布里奇曼石长至厘米甚至米级“巨晶”。
研究进一步指出，若巨晶在深部岩浆洋中广泛出现，可增强晶体沉降与分离结晶效率。相较细小晶体易被对流夹带、倾向整体混合凝固，米级巨晶更可能以“晶体雨”方式向中性浮力层聚集，促进分离结晶与化学分异，为“分层凝固”假说提供新的、可量化的微观物理支撑。该机制也为解释地幔底部长期不均一结构提供新思路：地幔底部大型低地震波速省、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相关。巨晶模型预示，深部晶体尺度差异或导致流变性质梯度，使部分区域黏度更高、对流更迟缓，从而有助于早期结构与原始地球化学信号长期保存。
该研究将原子尺度成核关键参数与行星尺度演化过程直接关联，为理解地球及其他类地行星的早期岩浆洋凝固、内部化学分层与深部结构起源打开新的研究窗口。
该工作以“The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation”为题发表在国际权威学术期刊《Nature》上。该研究由普林斯顿大学、西北工业大学、加州大学洛杉矶分校组成的联合研究团队共同完成，普林斯顿大学Deng Jie教授和西工大2023级博士研究生胡俊伟为论文的第一作者，Jie Deng教授和牛海洋教授为论文的通讯作者。西工大2021级硕士研究生施奕镝、普林斯顿大学博士研究生Jina Lee和加州大学洛杉矶分校Lars Stixrude教授为论文的共同作者。
图文导读
图1：布里奇曼石结晶和生长过程的模拟
图2：布里奇曼石固液界面自由能
图3：布里奇曼石晶粒尺寸
图4：地幔演化过程示意图
总结
该研究通过机器学习势函数驱动的百万原子级分子动力学模拟，系统获得深部高温高压条件下布里奇曼石—熔体界面能随压力显著增大的关键约束。结果表明，高界面能将抑制成核密度，使布里奇曼石有机会在深部岩浆洋缓慢冷却过程中长成厘米至米级巨晶，并以“晶体雨”方式促进分离结晶与化学分异，从而为早期地幔分层及地幔底部异常结构的长期保存提供新的微观物理图景与量化支撑。
通讯作者简介
牛海洋，西北工业大学材料学院教授，凝固技术全国重点实验室副主任。长期致力于复杂与极端条件下材料凝固理论、物质相变机理、先进分子动力学方法开发及人工智能辅助材料设计等交叉学科领域的研究。先后承担了国家自然科学基金委青年基金、优秀青年科学基金（海外）、面上项目、重大研究计划（培育）等项目。已在Nature、Nat. Commun.、Sci. Adv、Proc. Natl. Acad. Sci.、Phys. Rev. Lett.、Acta Mater.等国际学术期刊发表学术论文50余篇，论文被引用5000余次。
图文 | 胡俊伟
编辑 | 冯芳
责编 | 何峰
审核 | 禹亮
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