地球之謎：研究人員預(yù)測古代巖漿海洋凝固的速度 _地球

這是地球在數(shù)十億年前形成時的樣子，當(dāng)時巖漿的海洋覆蓋了地球的表面，并延伸到數(shù)千英里深的地核。左邊顯示的是一個典型的細(xì)胞，它是由FSU大學(xué)的研究人員模擬的，顯示了原子的相對位置。Credit: Suraj K. Bajgain / / Lake Superior State University
據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Bill Wellock, Florida State University）：在地球形成的早期，巖漿的海洋覆蓋了地球的表面，并延伸到數(shù)千英里深的核心。“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。
以前的研究估計巖漿海洋需要數(shù)億年才能凝固，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。
地球、海洋和大氣科學(xué)系的地質(zhì)學(xué)副教授Mainak Mookherjee說:“這個巖漿海洋是地球歷史的重要組成部分，這項研究有助于我們回答關(guān)于地球的一些基本問題。”
當(dāng)巖漿冷卻時，它形成晶體。這些晶體的最終位置取決于巖漿的粘性和晶體的相對密度。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性。粘度較低的巖漿會導(dǎo)致更快的冷卻，而濃度較高的巖漿海洋則需要更長的時間來冷卻。
像這項研究一樣，以前的研究使用物理和化學(xué)的基本原理來模擬地球內(nèi)部深處的高壓和高溫。科學(xué)家也用實驗來模擬這些極端條件。但是這些實驗僅限于較低的壓力，這種壓力存在于地球內(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，在那里，巖漿海洋延伸到深度，壓力可能比實驗?zāi)軌蛟佻F(xiàn)的壓力高三倍。
為了克服這些限制， Mookherjee和他的合作者在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(yùn)行了長達(dá)六個月的模擬。這消除了以前工作中的許多統(tǒng)計不確定性。
“地球是一個巨大的星球，所以在深度上，壓力可能非常高，”FSU大學(xué)前博士后研究員、現(xiàn)為蘇必利爾湖州立大學(xué)客座助理教授的Suraj Bajgain說。“即使我們知道地表巖漿的粘度，也無法告訴我們數(shù)百公里以下的粘度。找到這一點非常具有挑戰(zhàn)性。”
這項研究也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——來自海底山脊和夏威夷及冰島等火山島，結(jié)晶成外觀相似但化學(xué)成分不同的玄武巖，這種情況長期以來一直困擾著地球科學(xué)家。
"為什么它們有不同的化學(xué)成分或化學(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？”
地幔化學(xué)多樣性的起點可以用地球早期歷史中一個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，這一過程通常被稱為分離結(jié)晶。這在巖漿中產(chǎn)生了不同化學(xué)成分的混合物，而不是單一的成分。
來自FSU的博士生Aaron Wolfgang Ashley以及來自路易斯安那州立大學(xué)地質(zhì)和地球物理系的Dipta Ghosh和Bijaya Karki是本文的共同作者。