地球在数十亿年前的部分形成过程中存在的插图，当时岩浆海洋覆盖了地球表面并延伸至数千英里深处的核心。 左侧显示了 FSU 研究人员进行的具有原子相对位置的模拟的典型电池。 图片来源：Suraj Bajgain / 苏必利尔湖州立大学
在地球形成的早期阶段，被称为“岩浆海洋”的巨大熔岩海洋覆盖了地球表面并深入其核心。 这种“岩浆海洋”的冷却速度在塑造地球的层状结构和决定这些层的化学成分方面发挥了至关重要的作用。
先前的研究表明，岩浆海洋需要数亿年才能凝固，但来自 佛罗里达州立大学 发表于 自然通讯 已将这些不确定性减少到不到几百万年。
“这个岩浆海洋一直是地球历史的重要组成部分，这项研究有助于我们回答关于地球的一些基本问题，”地球、海洋和大气科学系地质学副教授 Mainak Mookherjee 说。
当岩浆冷却时，它会形成晶体。 这些晶体的最终位置取决于岩浆的粘稠度和晶体的相对密度。 密度较大的晶体可能会下沉，从而改变剩余岩浆的成分。 岩浆凝固的速度取决于它的粘性。 粘性较低的岩浆将导致更快的冷却，而稠度较高的岩浆海洋将需要更长的时间来冷却。
像这项研究一样，以前的研究使用物理和化学的基本原理来模拟地球深层内部的高压和高温。 科学家们还使用实验来模拟这些极端条件。 但是这些实验仅限于较低的压力，这些压力存在于地球内部较浅的深度。 他们没有完全捕捉到地球早期历史中存在的情景，岩浆海洋延伸到压力可能比实验重现的压力高三倍的深度。
为了克服这些限制，Mookherjee 和合作者在 FSU 的高性能计算设施和国家科学基金会的计算设施中运行了长达六个月的模拟。 这消除了以前工作中的许多统计不确定性。
“地球是一颗大行星，所以在深处，压力可能非常高，”前佛罗里达州立大学博士后研究员、现任苏必利尔湖州立大学客座助理教授的 Suraj Bajgain 说。 “即使我们知道地表岩浆的粘度，也无法告诉我们其下方数百公里处的粘度。 发现这一点非常具有挑战性。”
该研究还有助于解释在地球下地幔中发现的化学多样性。 熔岩样本——岩浆突破地球表面后的名称——来自海底山脊和夏威夷和冰岛等火山岛，结晶成具有相似外观但化学成分不同的玄武岩，这种情况具有长期困扰着地球科学家。
“为什么它们有不同的化学或化学信号？” 穆克吉说。 “由于岩浆起源于地表之下，这意味着那里的岩浆来源具有化学多样性。 这种化学多样性最初是如何开始的，它又是如何在地质年代中幸存下来的？”
地幔中化学多样性的起点可以用地球早期具有低粘度的岩浆海洋成功地解释。 粘性较低的岩浆导致悬浮在其中的晶体快速分离，这一过程通常被称为分级结晶。 这在岩浆中形成了不同化学成分的混合物，而不是统一的成分。
参考：Suraj K. Bajgain、Aaron Wolfgang Ashley、Mainak Mookherjee、Dipta B. Ghosh 和 Bijaya B. Karki 撰写的“从玄武岩熔体的传输特性洞察岩浆海洋动力学”，8 年 2022 月 XNUMX 日， 自然通讯.
DOI：10.1038 / s41467-022-35171-y
该研究由国家科学基金会资助。
