北京时间2026年1月21日，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在《自然》(Nature)杂志在线发表题为《The potential for bridgmanite megacrysts to drive magma ocean segregation》（布里奇曼石巨晶驱动岩浆洋分异的潜力）的理论研究论文。该研究发现，在地球早期深部岩浆洋缓慢冷却的条件下，布里奇曼石（bridgmanite）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Jie Deng助理教授和西工大2023级博士研究生胡俊伟为论文的第一作者，Jie Deng助理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。

早期地球岩浆洋凝固与地幔分层示意图

该研究聚焦“地球早期岩浆洋如何结晶固化”这一行星科学关键问题。地球形成初期很可能经历全球性熔融，形成深部高温高压、强对流的岩浆洋；其凝固结晶方式被认为是为此后数十亿年的地幔化学组成与动力学演化奠定初始条件。然而，在极端环境中，晶体究竟以何种粒径成核与生长、是否能够发生有效的分离结晶，长期以来缺乏直接约束。尤其是下地幔主导矿物布里奇曼石（bridgmanite）在深部岩浆洋条件下的成核行为，受限于实验难度一直知之甚少。

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方法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。结果显示，随着压力升高，布里奇曼石与熔体的界面能显著增大，其数值可达常压硅酸盐—熔体体系的十倍以上（如下图所示）。较高的界面能会显著抑制凝固成核密度，若再配合深部岩浆洋较慢的冷却速率，则可能促使布里奇曼石晶体生长至厘米甚至米级规模。

布里奇曼石固液界面自由能

文章进一步分析指出，与细小晶体容易被对流夹带、倾向整体混合凝固不同，米级巨晶更可能以类似“晶体雨”的方式向中性浮力层聚集，促进分离结晶与化学分异，从而为“分层凝固”假说提供了可量化的微观物理支撑（如下图所示）。同时，该巨晶模型还提示：若深部形成显著的晶体尺度差异，可能引发流变性质梯度，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中得以长期保存。这一认识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了新思路。

该研究将原子尺度的凝固成核关键参数与行星尺度的演化过程直接关联，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了新的研究窗口。

地幔凝固分层演化过程示意图

该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划项目、凝固技术全国重点实验室自主课题、中央高校基本科研业务费“0到1”原创性引领项目的资助支持，并得到凝固技术全国重点实验室、西工大材料学院人才特区等平台的大力支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10063-5

牛海洋教授简介：

西北工业大学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以及人工智能辅助材料设计等领域的研究工作。主持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）等国家级项目。迄今已在《自然》（Nature），《自然·通讯》（Nature Communications），《科学·进展》（Science Advances），《物理评论快报》（Physical Review Letters）等国际学术期刊发表学术论文50余篇，累计被引用5000余次。

（图文：受访团队提供；审核：禹亮、付怡）