1月21日，西北工业大学材料学院、凝固技术全国重点实验室牛海洋教授团队的最新研究成果在国际顶级期刊《自然》（Nature）在线发表，这也是西工大2026年发表的首篇Nature论文。该研究首次揭示地球早期深部岩浆洋中布里奇曼石可形成厘米至米级巨晶，为理解地幔早期分层、化学分异及深部异常结构起源提供了全新物理图景。
早期地球岩浆洋凝固与地幔分层示意图
此次发表的题为《布里奇曼石巨晶驱动岩浆洋分异的潜力》的理论研究论文，由西北工业大学、普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校组成的联合研究团队共同完成。西北工业大学2023级博士研究生胡俊伟和普林斯顿大学Jie Deng助理教授为论文的第一作者，Jie Deng助理教授和牛海洋教授为论文的通讯作者。西北工业大学2021级硕士研究生施奕镝、普林斯顿大学博士研究生Jina Lee以及加州大学洛杉矶分校Lars Stixrude教授为论文的共同作者。
地球早期岩浆洋的结晶固化方式，是决定地幔化学组成与动力学演化的关键初始条件，其中下地幔主导矿物布里奇曼石的成核行为，因实验条件限制长期研究缺乏。研究团队立足前期对岩浆洋熔体结构与凝固行为的探索，聚焦高温高压下布里奇曼石—熔体界面能展开系统分析。通过机器学习势函数驱动的大规模分子动力学模拟，结合先进的增强采样方法，团队首次在深部岩浆洋的极端环境中完成该界面能的系统测算，发现其数值随压力升高显著增大，可达常压硅酸盐—熔体体系的十倍以上。
布里奇曼石固液界面自由能
地幔凝固分层演化过程示意图
这一关键发现揭示了布里奇曼石的特殊结晶规律：较高的界面能会大幅抑制凝固成核密度，配合深部岩浆洋缓慢的冷却速率，布里奇曼石可突破传统认知的微小颗粒结晶模式，生长为厘米甚至米级的巨晶。研究进一步指出，这类巨晶不会被岩浆对流夹带，反而会以“晶体雨”形式向中性浮力层聚集，推动岩浆洋的分离结晶与化学分异，为“分层凝固”假说提供了可量化的微观物理支撑。同时，巨晶形成的晶体尺度差异会引发地幔流变性质梯度，使部分区域黏度升高、对流迟缓，让地球早期的结构与原始地球化学信号得以长期保存，为解释地幔底部低地震波速带等异常构造的起源提供了新思路。
该研究实现了原子尺度凝固成核参数与行星尺度演化过程的直接关联，为探索地球及其他类地行星的早期演化打开了新的研究窗口。研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划项目、凝固技术全国重点实验室自主课题等多项课题及平台的资助支持。
牛海洋教授团队合影
牛海洋教授为西工大凝固技术全国重点实验室副主任，长期深耕复杂与极端条件下材料凝固理论、先进分子动力学方法开发等领域，主持多项国家级科研项目，迄今已在《自然》《科学·进展》等国际顶级期刊发表论文50余篇，累计被引5000余次。
（中国日报陕西记者站 编辑：秦峰 通讯员：乔诗琪 孙 磊 赵珍）
