地球之谜：研究人员预测古代岩浆海洋凝固的速度有多快

在地球形成的早期，岩浆海洋覆盖了地球的表面，并延伸到其核心数千英里深处。“岩浆海洋”冷却的速度影响了行星内不同层的形成以及这些层的化学组成。

之前的研究估计，岩浆海洋凝固需要数亿年，但佛罗里达州立大学发表在《自然通讯》上的新研究将这些巨大的不确定性缩小到不到几百万年。

“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有关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。这些晶体最终的位置取决于岩浆的粘性程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稠程度。粘度较低的岩浆将导致更快的冷却，而具有较厚稠度的岩浆海洋将需要更长的时间来冷却。

像这项研究一样，以前的研究已经使用物理和化学的基本原理来模拟地球内部深处的高压和高温。科学家还使用实验来模拟这些极端条件。但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场景，其中岩浆海洋延伸到压力可能比实验可以复制的高三倍的深度。

为了克服这些限制，Mookherjee和合作者在FSU的高性能计算设施以及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大部分统计不确定性。

“地球是一个大行星，所以在深处，压力可能非常高，”FSU前博士后研究员Suraj Bajgain说，他现在是苏必利尔湖州立大学的客座助理教授。“即使我们知道岩浆在地表的粘度，也不能告诉我们它下面数百公里的粘度。找到这一点非常具有挑战性。

这项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 - 来自海底的山脊以及夏威夷和冰岛等火山岛结晶成玄武岩，外观相似但化学成分不同，这种情况长期以来一直困扰着地球科学家。

“为什么它们有明显的化学或化学信号?”穆克吉说。“由于岩浆起源于地球表面之下，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，它是如何在地质时期幸存下来的?”

地幔中化学多样性的起点可以通过地球早期低粘度的岩浆海洋来成功解释。粘度较低的岩浆导致悬浮在其中的晶体快速分离，这一过程通常称为分馏结晶。这在岩浆中创造了不同化学物质的混合物，而不是均匀的成分。

来自FSU的博士生Aaron Wolfgang Ashley以及路易斯安那州立大学地质与地球物理系的Dipta Ghosh和Bijaya Karki是本文的共同作者。