岩浆受压后流得更顺——但这并不是它聚集的原因

地球的构造板块在软流圈上滑动，这是上地幔中一个异常柔软的层。一个由来已久的观点认为，少量熔融岩石——玄武质岩浆——有助于让它变软。这些熔体在深处流动的难易程度取决于它的黏度。而正是在这一点上，一个奇怪的结果让地球科学家们产生了分歧。

大多数材料受到压缩后会变得更硬。然而，高压实验——尤其是Sakamaki及其同事在2013年的实验——报告称，熔融玄武岩在压力下会变得更不黏稠，在大约90至150公里的深度达到最小值，然后再次变硬。这一观点曾被用来解释岩浆如何运移、地幔中的地震异常以及分层的化学组成。2025年，Russell及其同事反驳说，这个最小值是一种实验假象，源于温度控制不佳：他们认为，经过校正后，黏度只会随压力升高而增大。

实验为何力不从心

在这样的压力下，温度和压力很难区分开来。高压装置中的温度计误差可达50至100开尔文甚至更大，而经典方法——测量一个小球穿过熔体下落的时间——又会受到毫米级样品舱壁的干扰。所要寻找的效应十分微弱，噪声却不然。

数十亿个原子步

中国地质大学（武汉）、拜罗伊特大学和四川大学的Hongkun Zeng、Liang Yuan及其同事转而求助于模拟。他们逐个原子地模拟了一种简化的玄武岩（由透辉石和钙长石两种矿物混合而成），原子间的作用力由量子力学计算，并由神经网络加以模仿，这使模拟的时长可以达到标准量子方法的1,000多倍。

关键在于统计。在确认他们的方法能将真实矿物的实测密度重现到1%以内之后，他们针对每个压力和温度运行了150至600次彼此独立、每次5纳秒的模拟，每条路径累计至少7.5微秒。这使黏度的不确定度降到了1%至3%，而此前的研究则高达50%。

一个浅浅的U形

在恒定的2,073开尔文下，黏度呈现出一条平缓的U形曲线：零压时为0.108帕·秒，在3吉帕时达到最小值0.088，6吉帕时回到0.104——降幅约为19%。

而沿着熔融曲线（与实验中一样），黏度在0到6吉帕之间下降了约23倍——但这主要是温度升高的结果。在零压下，从2,073开尔文冷却到1,619开尔文，黏度会增大约18倍。因此，一个典型的100开尔文实验误差，对黏度的影响就超过了这个U形幅度的二十倍。难怪它如此难以察觉。

原因在于原子结构。硅大多牢牢锁定在由四个氧组成的刚性基团中。相比之下，铝在压力下会发生剧烈重排——它的五配位氧基团所占比例从约20%升至50%——而这些稀少且变化迅速的铝位点，恰好与熔体弛豫所需的时间相匹配。决定流动快慢的是它们，而不是硅骨架。

是热量，而不是低谷

随后，团队模拟了熔体如何在地幔中向上渗流。它的迁移能力随深度增加而增大，在约150公里处达到峰值，并在熔体上升冷却时下降，因此岩浆往往会在刚性板块正下方停滞并聚集——这与在45至70公里深处存在富含熔体层的地震和电学迹象相一致。

但作者强调了一个连他们自己的摘要都淡化了的细节：这个迁移能力峰值来自沿地球温度剖面压力与温度之间的竞争，而不是来自3吉帕处的最小值。他们的结论是，黏度最小值是真实存在的，但对于解释熔体的汇聚“既非必要，也不充分”；仅靠温度就足以做到。他们的玄武岩是简化过的——不含铁、不含钠，水是唯一的挥发分——而最小值的位置取决于成分。