在地球形成的早期，巖漿海洋覆蓋了地球的表面，并延伸到其核心數(shù)千英里深處。“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組成。

之前的研究估計，巖漿海洋凝固需要數(shù)億年，但佛羅里達州立大學發(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。

“這個巖漿海洋一直是地球歷史的重要組成部分，這項研究有助于我們回答有關地球的一些基本問題，”地球，海洋和大氣科學系地質學副教授Mainak Mookherjee說。

當巖漿冷卻時，它會形成晶體。這些晶體最終的位置取決于巖漿的粘性程度和晶體的相對密度。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稠程度。粘度較低的巖漿將導致更快的冷卻，而具有較厚稠度的巖漿海洋將需要更長的時間來冷卻。

像這項研究一樣，以前的研究已經(jīng)使用物理和化學的基本原理來模擬地球內(nèi)部深處的高壓和高溫?？茖W家還使用實驗來模擬這些極端條件。但這些實驗僅限于較低的壓力，這些壓力存在于地球內(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，其中巖漿海洋延伸到壓力可能比實驗可以復制的高三倍的深度。

為了克服這些限制，Mookherjee和合作者在FSU的高性能計算設施以及國家科學基金會的計算設施中運行了長達六個月的模擬。這消除了以前工作中的大部分統(tǒng)計不確定性。

“地球是一個大行星，所以在深處，壓力可能非常高，”FSU前博士后研究員Suraj Bajgain說，他現(xiàn)在是蘇必利爾湖州立大學的客座助理教授。“即使我們知道巖漿在地表的粘度，也不能告訴我們它下面數(shù)百公里的粘度。找到這一點非常具有挑戰(zhàn)性。

這項研究還有助于解釋在地球下地幔中發(fā)現(xiàn)的化學多樣性。熔巖樣本 - 巖漿突破地球表面后的名稱 - 來自海底的山脊以及夏威夷和冰島等火山島結晶成玄武巖，外觀相似但化學成分不同，這種情況長期以來一直困擾著地球科學家。

“為什么它們有明顯的化學或化學信號?”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多樣性。這種化學多樣性最初是如何開始的，它是如何在地質時期幸存下來的?”

地幔中化學多樣性的起點可以通過地球早期低粘度的巖漿海洋來成功解釋。粘度較低的巖漿導致懸浮在其中的晶體快速分離，這一過程通常稱為分餾結晶。這在巖漿中創(chuàng)造了不同化學物質的混合物，而不是均勻的成分。

來自FSU的博士生Aaron Wolfgang Ashley以及路易斯安那州立大學地質與地球物理系的Dipta Ghosh和Bijaya Karki是本文的共同作者。