地球之谜：研究人员预测古代岩浆海洋凝固的速度 _地球

这是地球在数十亿年前形成时的样子，当时岩浆的海洋覆盖了地球的表面，并延伸到数千英里深的地核。左边显示的是一个典型的细胞，它是由FSU大学的研究人员模拟的，显示了原子的相对位置。Credit: Suraj K. Bajgain / / Lake Superior State University
据美国物理学家组织网（by Bill Wellock, Florida State University）：在地球形成的早期，岩浆的海洋覆盖了地球的表面，并延伸到数千英里深的核心。“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。
以前的研究估计岩浆海洋需要数亿年才能凝固，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。
地球、海洋和大气科学系的地质学副教授Mainak Mookherjee说:“这个岩浆海洋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。”
当岩浆冷却时，它形成晶体。这些晶体的最终位置取决于岩浆的粘性和晶体的相对密度。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。粘度较低的岩浆会导致更快的冷却，而浓度较高的岩浆海洋则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内部深处的高压和高温。科学家也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，这种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，在那里，岩浆海洋延伸到深度，压力可能比实验能够再现的压力高三倍。
为了克服这些限制， Mookherjee和他的合作者在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许多统计不确定性。
“地球是一个巨大的星球，所以在深度上，压力可能非常高，”FSU大学前博士后研究员、现为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，也无法告诉我们数百公里以下的粘度。找到这一点非常具有挑战性。”
这项研究也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及冰岛等火山岛，结晶成外观相似但化学成分不同的玄武岩，这种情况长期以来一直困扰着地球科学家。
"为什么它们有不同的化学成分或化学信号？"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？”
地幔化学多样性的起点可以用地球早期历史中一个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，这一过程通常被称为分离结晶。这在岩浆中产生了不同化学成分的混合物，而不是单一的成分。
来自FSU的博士生Aaron Wolfgang Ashley以及来自路易斯安那州立大学地质和地球物理系的Dipta Ghosh和Bijaya Karki是本文的共同作者。