Nature：地幔从熔融到固化的全过程模拟
【导读】2025年3月26日《自然》杂志发表的研究，利用动力学模型，结合熔融相关系与地球化学数据，模拟了地幔从熔融到固化的全过程。模拟显示，大量固体生成于行星表层，通过冷下沉流，携带浅层硅酸盐分异信号注入深部地幔，与高压矿物分异叠加，形成了地幔异质性。该研究揭示了地球早期地幔固化过程中基底岩浆洋形成的必然性，以及地球深部化学异质性起源，并为类地行星早期演化研究建立了动力学框架。
地幔深处存在大型低剪切波速区（LLSVPs）等特殊结构，科学家推测它们可能是地球早期岩浆洋固化后的残留产物。然而，关于固化方向——即固体是从地幔底部向上形成，还是从熔体表层向下沉淀——长期存在争议。此外，太古宙岩石中检测到的同位素异常现象，暗示地球早期存在化学性质不均一的储层，但其形成机制尚不明确。
本研究开发了一种新型多相流体动力学模型（multiphase fluid dynamics approach），结合熔融相关系（melting phase relations）与地球化学数据，模拟了地幔从熔融状态到固化的全过程。
模拟结果显示，无论地幔初始温度分布如何，富铁（FeO-rich）熔体因密度较大，会向地核方向沉降并聚集，最终形成基底岩浆洋（basal magma ocean, BMO）。与传统认知不同，大量固体并非源自地幔深部，而是首先在行星表面冷却生成，随后通过热对流下沉至地幔底部。这些固体携带浅层硅酸盐分异的化学特征，并在深部重新熔化，进一步影响基底岩浆洋的组成。
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研究还指出，基底岩浆洋的形成主要由两个因素驱动：一是富铁硅酸盐的低熔点特性，二是熔体与固体间的密度差异。这一过程的关键驱动因素是富铁硅酸盐的低熔点特性及熔体与固体间的密度差异，而非传统模型中强调的液相线与绝热线交点位置。
该动力学模型解释了地球深部化学异质性的起源。浅层分异的固体注入深部地幔，导致原始储层呈“大理石纹蛋糕”式分布，而非简单的上下分层结构。这为解读太古宙岩石同位素异常提供了新机制，例如钐/钕（Sm/Nd）、镥/铪（Lu/Hf）等元素比例的异常可能源自不同深度矿物分异的叠加效应。
此外，研究模型表明，类似过程可能普遍存在于其他类地行星的早期演化中。基底岩浆洋作为地核与地幔之间的热化学界面，可能长期影响地球的板块运动、火山活动及地磁场行为。这项成果为重新审视行星早期动力学、岩石学与地球化学的复杂相互作用奠定了基础，或将推动对地球乃至太阳系行星演化历史的全新解读。
参考文献：Boukaré, CÉ., Badro, J. & Samuel, H. Solidification of Earth’s mantle led inevitably to a basal magma ocean. Nature 640, 114–119 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08701-z
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