地球内部结构的形成与演化一直是行星科学研究的重要议题。约45亿年前，地球在形成早期经历全球性熔融，出现覆盖整个星球的岩浆洋。岩浆洋如何逐步凝固结晶，直接影响此后数十亿年地球内部结构的演化路径，也与今天仍可观测到的深部异常构造特征密切对应的。然而，学界对这个关键过程的认识长期存在明显缺口。传统理论认为岩浆洋凝固时，矿物晶体以微小颗粒形式析出；但在极端高温高压环境下，晶体究竟以何种粒径成核与生长、能否发生有效的分离结晶等基础问题，一直缺少直接证据。尤其是下地幔主导矿物布里奇曼石在深部岩浆洋条件下的形成机制，由于实验难度极高，相关认识更为有限。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与普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校研究人员组成联合团队，采用先进计算模拟方法，首次在深部岩浆洋对应的高温高压条件下，对布里奇曼石与熔体之间的界面能开展系统研究。结果显示，随着压力升高，布里奇曼石与熔体的界面能显著增大。界面能增加带来一个关键效应：它会明显降低凝固过程中的成核密度，也就是单位体积内形成的晶核数量大幅减少。基于这一结果，并结合地球早期深部岩浆洋相对缓慢的冷却速率，研究认为两者叠加可能使布里奇曼石晶体突破传统认知，生长到厘米甚至米级尺度，从而改写人们对岩浆洋凝固方式的理解。巨晶的形成将带来重要的物理后果。与细小晶体相比，米级巨晶具有更大的密度差，更可能以类似“晶体雨”的方式向中性浮力层聚集，从而显著促进分离结晶与化学分异。这为长期提出的“分层凝固”假说提供了可量化的微观物理依据，使相关理论从定性推断迈向更可计算的描述。更关键的是，巨晶模型还揭示了一种可能的保存机制：如果深部岩浆洋出现显著的晶体尺度差异，不同区域的组成与密度将随之分化，导致部分区域黏度更高、对流更慢。对流速度的差异使早期形成的结构与原始地球化学信号有机会在随后的地幔对流中长期保留，而不被充分混合。这一思路为解释地幔底部的大型低地震波速带、超低地震波速带等异常构造的成因提供了新的理论路径。这些异常构造的起源一直是地球物理学中的难题，传统解释往往难以同时说明其形成与长期稳定保存。布里奇曼石巨晶模型则为其“为何能保存至今”给出了更具物理一致性的解释。研究团队同时指出，该理论框架并不局限于地球：火星、金星等类地行星在形成早期同样经历岩浆洋阶段，理解其凝固与分异过程，有助于追溯不同行星内部结构差异的根本原因。
这项跨越天体物理学与材料科学的研究提示我们：地球深部可能仍保留着形成早期的“地质信息”。正如考古学家从陶片拼合文明脉络，科学家也在尝试从矿物晶格与微观过程出发，重建行星内部的演化图景。随着深空探测与数值模拟能力提升，关于类地行星形成与演化的关键认识有望被继续校准；中国科研团队在该领域的持续推进，也将为人类理解行星与宇宙提供更多来自本土的研究贡献。