在地球形成的早期，巖漿海洋覆蓋了地球的表面，并延伸到其核心數(shù)千英里深處。“巖漿海洋”冷卻的速度影響了行星內(nèi)不同層的形成以及這些層的化學(xué)組成。

之前的研究估計，巖漿海洋凝固需要數(shù)億年，但佛羅里達(dá)州立大學(xué)發(fā)表在《自然通訊》上的新研究將這些巨大的不確定性縮小到不到幾百萬年。

“這個巖漿海洋一直是地球歷史的重要組成部分，這項研究有助于我們回答有關(guān)地球的一些基本問題，”地球，海洋和大氣科學(xué)系地質(zhì)學(xué)副教授Mainak Mookherjee說。

當(dāng)巖漿冷卻時，它會形成晶體。這些晶體最終的位置取決于巖漿的粘性程度和晶體的相對密度。密度較大的晶體可能會下沉，從而改變剩余巖漿的成分。巖漿凝固的速度取決于它的粘稠程度。粘度較低的巖漿將導(dǎo)致更快的冷卻，而具有較厚稠度的巖漿海洋將需要更長的時間來冷卻。

像這項研究一樣，以前的研究已經(jīng)使用物理和化學(xué)的基本原理來模擬地球內(nèi)部深處的高壓和高溫?？茖W(xué)家還使用實驗來模擬這些極端條件。但這些實驗僅限于較低的壓力，這些壓力存在于地球內(nèi)部較淺的深度。他們沒有完全捕捉到地球早期歷史中存在的場景，其中巖漿海洋延伸到壓力可能比實驗可以復(fù)制的高三倍的深度。

為了克服這些限制，Mookherjee和合作者在FSU的高性能計算設(shè)施以及國家科學(xué)基金會的計算設(shè)施中運行了長達(dá)六個月的模擬。這消除了以前工作中的大部分統(tǒng)計不確定性。

“地球是一個大行星，所以在深處，壓力可能非常高，”FSU前博士后研究員Suraj Bajgain說，他現(xiàn)在是蘇必利爾湖州立大學(xué)的客座助理教授。“即使我們知道巖漿在地表的粘度，也不能告訴我們它下面數(shù)百公里的粘度。找到這一點非常具有挑戰(zhàn)性。

這項研究還有助于解釋在地球下地幔中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)多樣性。熔巖樣本 - 巖漿突破地球表面后的名稱 - 來自海底的山脊以及夏威夷和冰島等火山島結(jié)晶成玄武巖，外觀相似但化學(xué)成分不同，這種情況長期以來一直困擾著地球科學(xué)家。

“為什么它們有明顯的化學(xué)或化學(xué)信號?”穆克吉說。“由于巖漿起源于地球表面之下，這意味著那里的巖漿來源具有化學(xué)多樣性。這種化學(xué)多樣性最初是如何開始的，它是如何在地質(zhì)時期幸存下來的?”

地幔中化學(xué)多樣性的起點可以通過地球早期低粘度的巖漿海洋來成功解釋。粘度較低的巖漿導(dǎo)致懸浮在其中的晶體快速分離，這一過程通常稱為分餾結(jié)晶。這在巖漿中創(chuàng)造了不同化學(xué)物質(zhì)的混合物，而不是均勻的成分。

來自FSU的博士生Aaron Wolfgang Ashley以及路易斯安那州立大學(xué)地質(zhì)與地球物理系的Dipta Ghosh和Bijaya Karki是本文的共同作者。

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