On the Efficacy of Ocean Formation with a Primordial Hydrogen Atmosphere
本文通过综合大气-岩浆洋模型检验地球海洋源自原始氢大气与岩浆洋氧化反应的假说，发现水形成因快速脱气和铁下沉导致的浮力稳定化而难以发生，表明氢溶解对海洋形成作用有限。
2025-08-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Can a fractionally crystallized magma ocean explain the thermo-chemical evolution of Mars?
在行星吸积的后期阶段积累的撞击热可以熔化地球上的一个重要部分甚至整个地幔，从而形成全球性的岩浆海洋。[...]假设岩浆海洋的分离结晶，致密的堆积物产生于靠近表面的地方，这主要是由于演化的岩浆海洋液体中的铁富集（Elkins-Tanton等人，2003年）。这样就形成了一个重力不稳定的地幔，它很容易翻转。本文利用二维圆柱几何中的地幔对流模拟研究了火星的积云翻转及其对热演化的影响。我们提出了一套模拟使用不同的初始条件和强烈的温度依赖性的粘度。我们假设，所有的放射性热源已被富集在冻结阶段的岩浆海洋在最高的50公里，最初的蒸汽气氛所创造的冻结岩浆海洋脱气迅速失去，这意味着地面温度设置为今天的值。在这种情况下，停滞的盖子迅速形成在对流内部的顶部，防止最上面的致密堆积物下沉，即使允许塑性屈服机制。在这个致密的停滞盖之下，地幔化学梯度稳定下来。对流模式主要是由小规模的结构，这是很难调和的大规模火山的特点观察到火星的表面和部分融化停止在不到900 Ma。假设停滞的盖子可以因为额外的机制而破裂并允许最上面的致密层翻转，则获得稳定的密度梯度，其中致密材料和全部热源位于CMB上方。这种分层导致最低地幔的强烈过热[...]
2014-04-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
Redox evolution of the crystallizing terrestrial magma ocean and its influence on atmosphere outgassing
本文通过追踪岩浆海洋固化过程中氧逸度的演化，模拟C-O-H大气成分及热辐射，揭示其从还原态向氧化态转变并影响大气脱气与岩浆海洋寿命，且该框架可推广至类地行星和系外行星。
2023-01-18 astro-ph.EP physics.ao-ph
Reconciling Magma-Ocean Crystallization Models with the present-day Structure of the Earth's mantle
类地行星被认为在其历史的早期经历了大规模的融化。分馏在岩浆-海洋冻结导致不稳定的分层内的相关堆积层，由于进步的铁富集向上，但增量堆积物翻转MO结晶过程中的影响仍有待探讨。在这里，我们使用的地球动力学模型与移动边界的方法来研究对流和混合内不断增长的累积层，此后在完全结晶地幔。对于分离结晶，堆有效地搅拌由于随后的增量翻转，除了强烈富铁的后期堆，坚持作为一个稳定的分层层在地幔的底部数十亿年。不太极端的结晶情况可能会导致更微妙的分层。在任何情况下，长期保存的至少一薄层的极其丰富的累积与Fe#>0.4，正如我们所有的模型预测，是不符合地震的限制。然而，根据比例关系，我们推断，最后阶段的富铁岩浆海洋堆积物最初形成的表面附近应该翻转为小底辟，因此在下沉过程中经历了熔融和反应与寄主岩石。由此产生的中度富铁交代/混合岩石组合应该积累在地幔的基础上，潜在的美联储间歇性的基底岩浆海洋，并保存到今天。这种中等富铁的岩石组合可以调和现今下地幔中大的低剪切波速度区的物理性质。因此，我们揭示Hadean熔融和岩石反应过程中整合岩浆海洋结晶模型与地震层析成像快照。
2018-01-03 astro-ph.EP
Initiation of Plate Tectonics from Post-Magma Ocean Thermo-Chemical Convection
地球上板块构造存在的主要理论通常呼吁当今条件在促进岩石圈流变弱化中的作用。然而，早期地球的条件是否有利于板块构造或任何形式的俯冲尚不清楚，因此俯冲是如何开始的也不清楚。使用基于颗粒损伤的物理模型，一种能够产生板状地幔对流的颗粒反馈机制，我们证明了俯冲作用在冥古宙地球上是可能的（以下称为原俯冲或原板块构造），原俯冲作用不同于现代板块构造，并且它可以迅速启动。对流与颗粒损伤的标度律表明，虽然无论是更高的地幔温度或更高的地面温度导致较慢的板块，原俯冲，与$\approx 1.75$厘米/年的板块速度，仍然可以保持在冥古宙，即使与CO $_2$丰富的原始大气。此外，当地幔位温较高时（如高于$\approx 2000$ K），俯冲模式转变为“缓慢俯冲”模式，俯冲带呈水滴状，板块边界呈扩散状。最后，岩浆后的海洋地幔对流的数值模型表明，原板块构造可能启动内$\sim100$万年的岩浆海洋凝固，与证据相一致的冥古宙锆石。原始俯冲开始后，非板块构造的“缓慢俯冲”占主导地位，让位于现代风格的板块构造，因为地幔内部和气候凉爽。冥古宙的原始俯冲作用可能会加速现代板块构造的开始，因为它会将大气中多余的CO $_2$抽出，使气候变冷。
2014-10-28 astro-ph.EP physics.geo-ph
The origin of Earth's mantle nitrogen: primordial or early biogeochemical cycling?
地球地幔中的氮（N）含量与其富氮大气中的含量相当。地幔N被认为是原始的或起源于后来的俯冲，但其起源尚未阐明。在这里，我们模型N分配在岩浆海洋阶段以下行星形成和随后的地球历史上的表面和地幔之间的循环使用氩（Ar）和N同位素作为示踪剂。Ar约束的分配模型表明，只有约10%的总N含量可以被困在固化地幔中，由于N的低溶解度的岩浆和低分配系数的矿物在氧化条件下的地球物理和地球化学研究的支持。对于原始起源的一个可能的解决方案是，地球在岩浆海洋凝固时的N大约是地球的10倍。我们表明，多余的N可以通过后期吸积过程中的冲击侵蚀去除。由N同位素约束的循环模型表明，地幔N可以来自有效的N俯冲，如果沉积N埋藏速率在早期地球上是现代地球的可比。如此高的氮埋藏率需要生物处理。最后，我们的模型提供了一种方法来区分这两种可能的起源与未来的分析的表面和地幔N同位素记录。
2022-04-21 astro-ph.EP physics.geo-ph
Inefficient water degassing inhibits ocean formation on rocky planets: An insight from self-consistent mantle degassing models
在地表需要足够的水来形成水海洋。然而，在岩浆海洋凝固过程中，有相当一部分的水仍然存在于地幔中，因此即使是位于宜居带的系外行星也不能保证存在水海洋。为了讨论大洋形成的可能性，我们建立了两个模型来预测岩浆洋阶段和随后的固态对流阶段的地幔脱气速率。我们发现，低H $_2$ O/CO $_2$比率的行星将不会有足够的地表水发展水海洋后立即岩浆海洋凝固，和大部分的水库存将保留在地幔在其随后的演变，无论行星的大小。这是因为没有海洋的行星可能在停滞的盖对流下运行，对于这样的行星，耗尽的岩石圈地幔的脱水硬化将限制地幔脱气的速率。相比之下，在岩浆海洋凝固过程中，CO $_2$的重要部分已经脱气。由于强烈的温室效应，所有的地表水都将以蒸汽的形式存在，在整个行星的演化过程中，水海洋可能会消失。大量硅酸盐地球中的挥发物浓度接近海洋形成的阈值，因此如果金星具有类似的浓度，太阳辐射的微小差异可能解释地球和金星不同的进化路径。
2022-11-19 astro-ph.EP
Thermal and magnetic evolution of an Earth-like planet with a basal magma ocean
本文耦合模拟类地行星的地核、底部岩浆洋与地幔演化，评估两者热成分对流及发电机条件，发现早期可由短暂底部岩浆洋发电机过渡到地核发电机，并约束相关电导率与热导率。
2024-09-09 astro-ph.EP physics.geo-ph
Origin of the lunar isotopic crisis from solidification of a stratified lunar magma ocean
本文提出，在假设忒伊亚地幔富铁的前提下，分层月球岩浆洋凝固会使上层固体来自原始地球地幔，从而自然解释月球类地球同位素组成，解决月球同位素危机。
2025-09-08 astro-ph.EP
Shaping the Mantle: The Role of Superheated Core After Giant Impacts
研究通过SPH模拟揭示巨撞击后超高温核心引发二次地幔熔融，影响地幔热演化路径及基底熔融层形成。
2025-12-09 astro-ph.EP
Shaping the Mantle: The Role of the Superheated Core After Giant Impacts
研究通过SPH模拟揭示巨撞击后超热核心引发二次地幔熔融，影响地幔热演化路径及基底熔融层形成。
2025-11-25 astro-ph.EP
Fizzy Super-Earths: Impacts of Magma Composition on the Bulk Density and Structure of Lava Worlds
该研究更新ExoPlex软件模拟岩浆成分对熔岩世界体积密度的影响，发现大质量岩浆海洋行星密度略高，并识别三种地幔结构，其中底部岩浆海洋可长期封存大量挥发物。
2023-07-25 astro-ph.EP
Fast assimilation of serpentinized mantle by basaltic magma
最丰富的陆地熔岩，洋中脊和洋岛玄武岩（MORB和OIB），通常被认为是来自亏损的MORB地幔成分和更具体的，富集地幔柱源。然而，从熔体中发出的大洋熔岩和镁铁质堆晶，富含氯，并具有放射性的Sr比的发现，可以归因于软流圈衍生的熔体和岩石圈橄榄岩之间的相互作用，由于热液水渗透到莫霍面以下。为了解释这种相互作用的机制和速率，我们报道了蛇纹岩和拉斑玄武岩熔体之间反应的实验结果。结果表明，该反应是通过多阶段机制进行的：（i）蛇纹岩转化为含孔隙流体的富铬尖晶石方辉橄榄岩，（ii）方辉橄榄岩组合部分熔融溶解形成填隙式含水熔体，（iii）富铬尖晶石方辉橄榄岩/纯橄榄岩最终同化形成高MgO和高Cr、Ni含量的混合玄武质熔体。蛇纹岩被玄武质熔体同化可能发生在熔体/岩石比升高的情况下，并可能导致铬铁矿的形成。我们的实验提供的证据表明，MORB和高镁铬斜方辉石丰富的累积亏损的不相容元素，可以从常见的洋中脊玄武岩熔体与水化岩石圈橄榄岩反应修改。我们建立了蛇纹橄榄岩同化的速率是由二氧化硅扩散反应含水玄武质熔体。
2020-03-05 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Water Partitioning in Planetary Embryos and Protoplanets with Magma Oceans
岩浆海洋的含水量被广泛认为是决定类地行星是否适合居住的关键因素。水海洋质量的确定不仅是由于水的输送和损失，而且也是由于水在几个水库之间的分配。在这里，我们回顾了我们目前的理解，大气，岩浆海洋，固体地幔的吸积行星胚胎和原行星之间的水分配巨大的碰撞。岩浆海洋很容易在行星胚胎和原行星的吸积阶段形成。大量的水被分配到岩浆海洋中，前提是行星的组成部分足够富含水。特别重要但仍然相当不确定的问题是，行星的组成部分最初含有多少水，以及水如何从凝固的地幔中出来，并最终脱气到大气中。解决这些问题需要太阳系探索和系外行星观测以及实验室实验的约束。
2018-04-24 astro-ph.EP
Magma ocean evolution at arbitrary redox state
本研究开发一维耦合内部-大气模型，模拟不同氧化还原状态下的岩浆洋演化，发现轨道间距和氢含量是主要控制因素，H2温室效应可阻止固化。
2024-11-28 astro-ph.EP
Magma ocean interactions can explain JWST observations of the sub-Neptune TOI-270 d
School of Earth and Space Exploration, Arizona State University（亚利桑那州立大学地球与空间探索学院）；Department of Astronomy, University of Maryland（马里兰大学天文学系）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）；Department of Astronomy & Astrophysics, University of Chicago（芝加哥大学天文学与天体物理学系）；Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Earth and Planets Laboratory, Carnegie Institution for Science（卡内基科学学会地球与行星实验室）
本研究通过建模揭示岩浆-大气相互作用可解释海王星类TOI-270 d大气中高分子含量，无需额外冰质物质积累。
2026-02-24 astro-ph.EP
The Role of Magma Oceans in Maintaining Surface Water on Rocky Planets Orbiting M-Dwarfs
本研究通过0维箱式模型揭示，岩浆海洋的持续时间和深水循环可帮助M矮星周围的类地行星保留表面水，维持宜居条件，避免干燥。
2023-10-11 astro-ph.EP
Atmosphere-interior exchange on hot rocky exoplanets
我们提供了短周期岩石系外行星与向阳面岩浆池和硅酸盐蒸汽气氛的大气压力和表面成分的估计。大气压力趋向于与表面岩浆的蒸汽压力平衡，而岩浆表面的成分是由部分蒸发和表面-内部交换的竞争效应决定的。我们使用基本模型来展示表面-内部交换如何受行星的温度，质量和初始成分控制。我们假设地幔岩石经历了大量熔融形成岩浆池，风从星下点径向流动。在这些假设下，我们发现：（1）当行星体硅酸盐FeO浓度较低时，大气-内部交换较快，而当FeO浓度较高时，交换较慢：（2）当亚星温度为$\lesssim$ 2400 K时，岩浆池的成分混合较好，而当亚星温度为$\gtrsim$ 2400 K时，岩浆池的成分变化较大，变化较快;（3）岩浆池中的电流倾向于冷却固体地幔的顶部（“构造制冷”）;（4）与早期的工作相反，许多岩浆行星具有随时间变化的表面成分。
2016-06-21 astro-ph.EP
Mantle Differentiation, Mixing and Interior-Exterior Exchange
研究地幔分化、混合及内外物质交换过程，探讨其对地幔结构和地球演化的影响。
2025-12-12 astro-ph.EP
Magma ocean evolution of the TRAPPIST-1 planets
最近对可能适合居住的行星TRAPPIST-1 e、f和g的观测表明，它们拥有大的水团质量分数，可能有几十重量%的水，尽管主恒星的活动应该会驱动快速的大气逃逸。这些过程可以光解水，产生自由氧，并可能使地球干燥。行星形成后，它们的地幔可能完全熔化，挥发物从熔体中溶解和析出。为了了解这些行星并为未来的观测做好准备，必须了解这些世界的岩浆海洋阶段。为了模拟这些行星，我们结合了现有的恒星演化，大气逃逸，潮汐加热，辐射加热，岩浆海洋冷却，行星辐射和水-氧-铁地球化学模型。我们提出了MagmOc，一个多功能的岩浆海洋演化模型，验证对岩石超级地球GJ 1132 b和早期地球。我们模拟耦合的岩浆海洋-大气演化的TRAPPIST-1的E，F和G的潮汐和放射性加热率的范围内，以及初始水含量之间的1和100地球海洋。我们还重新分析了这些行星的结构，发现它们的水团质量分数分别为0-0.23、0.01-0.21和0.11-0.24。我们的模型并没有作出强有力的预测的水和氧含量的大气中的TRAPPIST-1 e在地幔凝固的时候。相比之下，该模型预测TRAPPIST-1 f和g在该阶段将具有厚的蒸汽气氛和少量的氧气。对于我们调查的所有行星，我们发现只有3-5%的初始水在岩浆海洋凝固后被锁定在地幔中。
2021-06-16 astro-ph.EP
Differentiation of Vesta: Implications for a shallow magma ocean
黎明号任务证实了小行星4灶神星具有富铁核心，硅酸盐地幔和玄武岩地壳的预测，并确认灶神星是HED陨石的母体。为了更好地了解它的早期演化，我们采用黎明任务获得的新数据，如小行星的质量，体积密度和大小，对热化学演化进行了数值计算。我们扩展了Neumann等人（2012）的模型，该模型包括吸积，压实，熔化和相关的材料性质变化和26 Al的分配，平流热传输和多孔流的分异，以包括岩浆海洋中的对流和有效冷却。根据熔体分数，熔体偏析的热传输是由多孔流动或对流和热通量的岩浆海洋具有高的有效导热系数建模。我们发现，分配的26铝和硅酸盐熔体的运输是至关重要的岩浆海洋的形成。由于26 Al在次表层的聚集（形成时间t0<1.5Ma），形成了厚度为1至几十km（取决于硅酸盐熔体粘度）的浅岩浆海洋。浅岩浆洋的寿命为O（10^4）-O（10^6）年，该层的对流伴随着26 Al在表面的挤出。内部与外部向内的地幔是亏损的26铝和核心的形成完成约0.3 Ma。下地幔经历熔融低于45%，表明方辉橄榄岩到纯橄榄岩组成。研究结果支持了早期部分熔融挤压形成的真长英晶岩和闪长英晶岩可能来自于结晶的浅岩浆海。硅酸盐熔体是目前高达150马，和核心对流约100马，支持早期磁场的想法。
2014-02-13 astro-ph.EP
Earth shaped by primordial H$_2$ atmospheres
本文通过自洽热力学模型提出，地球的水、核密度亏损和氧化态均可由前身行星胚胎中富H$_2$原始大气与岩浆洋及金属核的平衡反应统一解释，为地球关键地球化学特征提供了与岩石行星形成过程一致的简单机制。
2023-04-16 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Mantle mineralogy limits to rocky planet water inventories
岩石行星地幔中名义上无水的矿物可以将海洋的水作为一个整体隔离，限制大量的水库存。在这里，我们预测地幔水容量的水在其组成矿物中的溶解度有限。我们报告的地幔水容量的变化，由于（i）主机星耐火元素丰度，设置矿物学，（ii）现实的地幔温度的情况下，和（iii）行星质量。我们发现，大到足以稳定钙钛矿的行星几乎总是有一个干燥的下地幔，顶部是一个高水容量的过渡区，这可能是行星内部水运输的瓶颈。由于定义下地幔的环木岩-钙钛矿相边界的压力对行星质量大致不敏感，上地幔储层的相对贡献将随着行星质量的增加而减少。因此，大型岩石行星的地幔水容量不成比例地小。在实践中，我们的结果将代表初始水浓度分布在行星地幔，其原始岩浆海洋是水饱和。我们认为，相当大比例的巨大岩石行星的吸积水预算将在岩浆海洋凝固后立即形成表面海洋或大气水蒸气，这可能会降低这些行星拥有陆地的可能性。这项工作是理解行星深水循环，流变学和融化介导的热演化以及水世界频率的一步。
2023-01-11 astro-ph.EP
Magma oceans and enhanced volcanism on TRAPPIST-1 planets due to induction heating
低质量M星在宇宙中非常丰富，并且经常拥有小型岩石行星，可以用当前的仪器检测到。最近，人们发现了七颗围绕超冷矮星TRAPPIST-1 \cite{Gillon16,Gillon17}运行的小行星。我们研究的作用，电磁感应加热这些行星，造成恒星的旋转和行星的轨道运动。如果恒星自转和磁偶极轴彼此倾斜，感应加热可以熔化上地幔，极大地增加火山活动，有时在行星表面下产生岩浆海洋。我们表明，感应加热导致三个最里面的行星，其中一个是在宜居带，要么朝着熔融地幔行星，或经历增加的放气和火山活动，而最外面的四个行星基本上不受影响。
2017-10-24 astro-ph.EP
The effect of a small amount of hydrogen in the atmosphere of ultrahot magma-ocean planets: atmospheric composition and escape
研究少量氢对超热岩浆海洋行星大气成分与逃逸的影响，发现氢显著改变大气化学组成并促进重物种蒸发逃逸。
2023-06-09 astro-ph.EP
Hydrogen isotopic evidence for early oxidation of silicate Earth
形成月球的巨大撞击广泛地熔化和部分蒸发了硅酸盐地球，并将大量的金属送到地球的核心。岩浆海洋和上覆大气的后续演化已经被理论模型描述，但对这一时期的可观测约束已被证明是难以捉摸的。在这里，我们报告了岩浆海洋和水海洋时期原始大气的计算结果，并与观测建立了新的联系，以深入了解早期地球上挥发物的行为。当地球的岩浆海洋结晶时，它将大部分挥发物释放到原始大气中。岩浆海洋的氧化还原状态控制着释气挥发物的化学成分和原始大气中氢流失后残留的水海洋的氢同位素组成。虽然水会凝结并被保留下来，但分子氢不会凝结并可以逃逸，这使得大量（约10^2巴）的氢-如果存在的话-在这个时期从地球上丢失。由于逃逸的氢存量可以与早期海洋中的氢存量相媲美，因此相应的氘富集可以很大，其幅度取决于初始的氢存量。相比之下，一般认为陆地水有一个碳质球粒陨石来源，要求海洋保存该来源的同位素组成，通过H2损失经历最小的D-富集。这种最小的富集对与早期水海洋接触的原始H2的量设定了上限（pH 2 <20巴），意味着从岩浆海洋中放气的氧化条件，并表明地球地幔在晚期吸积期间为金属的化学再吸收提供了氧化剂。
2019-10-23 astro-ph.EP
Magma Ocean Waves and Thermal Variability on Lava Worlds
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
研究火行星上岩浆海洋受潮汐力作用产生的波浪及热分布特征，揭示其潮汐加热机制和 mantle 中的热传导过程。
2026-04-24 astro-ph.EP
Vertically resolved magma ocean-protoatmosphere evolution: H$_2$, H$_2$O, CO$_2$, CH$_4$, CO, O$_2$, and N$_2$ as primary absorbers
岩石行星最早的大气层来自于在行星组装期间发生的岩浆海洋时期的大量挥发性释放。这些建立了主要挥发性元素在不同化学储层之间的初始分布，随后通过地质循环演变。目前的理论技术在探索早期行星演化的成分和热情景的预期范围方面是有限的，尽管这些对于帮助天文学推断太阳系外行星的环境背景和地质历史至关重要。在这里，我们提出了一个耦合的数值框架，链接的演化，垂直分辨率的行星硅酸盐地幔模型与大气的辐射对流模型。利用这种方法，我们研究了理想化的地球大小的岩石行星的早期演化，其端员，晴空大气主要由H $_2$，H $_2$ O，CO $_2$，CH $_2$，CO，O $_2$，或N $_2$。我们发现早期行星演化的中心指标，如能量梯度，地幔凝固序列，表面压力，或大气的垂直分层，密切控制的占主导地位的挥发性和放气的历史的行星。随着冷却时间尺度的增加，热序列分为三类：CO、N $_2$和O $_2$的影响最小，H $_2$ O、CO $_2$和CH $_2$的影响居中，H $_2$的凝固时间和大气垂直分层增加了几个数量级。我们的数值实验验证了所提出的建模框架的能力，并将岩石系外行星的内部和大气演化与多波长天文观测联系起来。
2021-01-26 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Scattering blanketing effect of Earth's proto-atmosphere: enhanced suppression of planetary radiation and magma ocean cooling
本研究开发了原生大气的一维辐射传输及耦合热演化模型，发现瑞利散射显著抑制行星辐射并延长岩浆海寿命，支持月球岩浆海起源说。
2025-04-02 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Silane-Methane Competition in Sub-Neptune Atmospheres as a Diagnostic of Metallicity and Magma Oceans
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Royal Observatory of Belgium（比利时皇家天文台）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
研究通过分析硅烷与甲烷的竞争，揭示了亚 Neptune 大气中金属度和熔岩海洋的存在。
2026-01-20 astro-ph.EP
Geophysical and atmospheric implications of $f$O$_{2}$-dependent melting on rocky exoplanets
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Netherlands eScience Center（荷兰e科学中心）；Interuniversity Micro Electronics Centre（跨大学微电子中心）；Institute of Geochemistry and Petrology, Department of Earth and Planetary Sciences, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系地球化学与岩石学研究所）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）
通过耦合内部-大气框架PROTEUS，量化了氧逸度依赖的熔融曲线对岩石系外行星热结构、熔融分数和流变演化的非线性影响，揭示了挥发分库存和表面氧逸度对热状态的主要调控作用。
2026-06-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
Birth and decline of magma oceans. Part 2: wobbling thermal history of early accreted planetesimals
一个理论模型，描述了一个悬浮液的演变，其中晶体可以沉积形成一个密集的累积或可能产生一个轻的浮选地壳已在一个配套文件中推导出来。我们用这个模型来研究在太阳系形成的非常早期阶段的早期吸积行星体的热历史。我们研究所需的条件，形成和保存浮选结壳和基底堆，以及星子的热演化的影响。计算了由$\rm{^{26}Al}$和$\rm{^{60}Fe}$衰变产生内部加热的早期吸积星子的温度演化。对于半径为$R>30\, \rm{km}$的星子，部分熔融达到40%，星子经历流变转变并形成岩浆海洋，即：一种悬浮液，晶体可以从中分离并形成漂浮的外壳和/或致密的堆积物。由于绝热浮壳的形成，这一岩浆洋幕的特征是相对较长的时间寿命，缓慢的冷却速率，和弱的表面热通量。该模型还预测了一个周期性的演变，地壳增厚的情节与熔融引起的地壳变薄的情节交替。这些循环反过来又产生了振荡的热历史，并防止了星子的热加热失控。在岩浆洋幕末期，当晶体含量大于60%时，星子地幔发生向固态对流的转变。该阶段的特征在于高粘性剪切应力，其倾向于侵蚀先前形成的晶体沉积物。然而，这一侵蚀过程的时间尺度大于星子的寿命。因此，固态演化可以描述为一个良好的混合地幔嵌入一个亚稳定地壳和保存在其底部的堆晶。
2021-08-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
Thermal evolution of the early Moon
本文对月球早期的热演化过程进行了数值模拟，以了解碰撞加热的大小和吸积小卫星初始储存的热能。本研究的主要目的是了解导致核幔分异和初始对流岩浆海洋的产生和冷却的过程的性质。月球的吸积开始于太阳系早期3000 - 1亿年的巨大撞击事件之后的100年时间尺度。我们研究了行星过程对撞击情景的依赖性，吸积小卫星的初始平均温度以及在巨大撞击后的最初一年内迅速吸积超过罗氏极限的原月球的大小。模拟结果表明，吸积小卫星的最低初始平均温度应在1600 K左右。撞击将提供额外的热能。小卫星的初始热状态取决于洛希极限内的环境，该环境经历了硅酸盐的广泛蒸发和再冷凝。在大多数模拟中，当熔融金属通过块状硅酸盐的多孔流动的熔体渗流不是核幔分异的主要模式时，随着全球核幔分异，产生了深度超过1000 km的初始对流岩浆海洋。在存在多孔流的情况下，不能排除浅岩浆海洋的可能性。我们的模拟表明，核幔分化的初始$10^2$ - $10^3$年的月球吸积。大部分对流岩浆海洋在最初的$10^3$ - $10^4$年内冷却结晶。
2020-01-20 astro-ph.EP
Deep two-phase, hemispherical magma oceans on lava planets
天文学家已经发现了一些由岩石组成的系外行星，但它们的轨道离它们的主恒星如此之近，以至于行星的表面至少有一部分是熔融的。预计这种“熔岩行星”的昼面拥有一种快速流向无空气的夜面的岩石蒸汽大气-这种部分大气对于解释熔岩行星的观测至关重要，但向夜面输送的热量可以忽略不计。结果表明，岩浆海的地面温度可能从亚恒星点附近的3000~ 1500 K，一直到昼夜分界点附近。我们使用简单的模型，将热力学和地球化学的部分熔融预测的物理和化学性质的岩浆海洋的距离的函数从亚恒星点。我们的两个主要发现是：1）向阳面的岩浆海洋比以前认为的要深得多，可能在某些地方向下延伸到核幔边界; 2）向阳面的大部分只是部分熔融，导致岩浆海洋的表面化学梯度。这些发现对岩浆海洋的动力学以及大气的组成和动力学具有重要意义。
2022-05-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Electrical and Thermal Conductivity of Earth's Iron-enriched Basal Magma Ocean
本研究利用第一性原理分子动力学计算，探究铁富集对基底岩浆洋硅酸盐液体电导率与热导率的影响，并模拟了地球基底岩浆洋的热演化与磁演化。
2025-08-01 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Constraining the Origin of Mars via Simulations of Multi-Stage Core Formation
本研究通过多阶段核-幔分异模型和Grand Tack模拟，发现单一氧化梯度无法同时再现地球和火星的幔组成，并确定火星构建块须起源于1.0 AU之外。
2023-04-21 astro-ph.EP
Thermal Evolution and magnetic history of rocky planets
我们提出了一个热演化模型，再加上Henyey求解器研究的情况下，岩石行星可能会在其液态铁核和/或岩浆海洋的发电机。我们通过求解地幔和地核的能量平衡方程来计算行星热剖面的演化。我们使用一个改进的混合长度理论来模拟岩浆海洋和固体地幔中的对流热流。此外，通过包括Henyey解算器，我们自洽地解释了由于行星收缩（膨胀）而引起的内部结构和加热（冷却）的调整。我们评估发电机是否可以使用临界磁雷诺数运行。我们运行模拟来探索行星质量（$M_{pl}$），核心质量分数（CMF）和平衡温度（$T_{eq}$）如何影响可能的发电机源的演化和寿命。我们发现，$T_{eq}$决定了岩浆海洋的凝固制度，只有层熔体分数大于0.4的临界值可能有助于在岩浆海洋的发电机源区。我们发现由$M_{pl}$和CMF确定的地幔质量控制着对铁核的绝热作用。此外，我们还发现，随着行星质量的增加，液核的寿命会延长。对于40 $\ \mathrm{Wm^{-1}K^{-1}}$的核心热导率，铁核心中的发电机的寿命受到1个$M_{\oplus}$行星的液体核心的寿命和3个$M_{\oplus}$行星的缺乏热对流的限制。
2022-08-12 astro-ph.EP
Not All Sub-Neptune Exoplanets Have Magma Oceans
本文通过内部结构建模探索亚海王星表面条件，发现相当一部分行星可能没有现今岩浆海洋，尤其是高大气平均分子量和大包层质量分数的行星更可能具有固态硅酸盐表面，为解释JWST观测提供关键背景。
2025-11-07 astro-ph.EP
What factors affect the duration and outgassing of the terrestrial magma ocean?
岩浆海洋（MO）是形成类地行星的关键阶段。它的凝固和伴随的挥发物的放气为后来甚至同时发生的重要过程创造了条件，例如固态地幔对流和大气逃逸。为了限制全球尺度地球MO的持续时间，我们建立并应用了一个一维内部模型，该模型与灰色H2O/CO2大气或纯H2O大气交替耦合，该模型用Katyal等人（2019）的同伴论文中描述的逐线模型处理。我们详细研究了影响MO寿命的几个因素，如初始丰度的H2O和CO2，对流制度，粘度，地幔熔融温度，和长波辐射吸收的大气。在这个特定的多变量系统中，我们评估了每个因素相对于文献中通常假设的参考设置的影响。我们发现MO阶段可以持续几千到几百万年。通过将内部模型与逐行大气模型相结合，我们确定了决定行星是否经历短暂岩浆海洋或停止冷却并保持连续岩浆海洋的条件。我们发现这种区别的依赖性，同时对质量的脱气H2O气氛和MO表面熔化温度。我们讨论了他们的综合影响MO的寿命除了已知的依赖于轨道，轨道距离和恒星光度，我们注意到观测退化，从而产生的目标系外行星。
2019-03-18 astro-ph.EP
Anatomy of rocky planets formed by rapid pebble accretion III. Partitioning of volatiles between planetary core, mantle, and atmosphere
含有氢、碳和氮的挥发性分子是行星大气的关键组成部分。在岩石行星形成的卵石吸积模型中，这些挥发性物质在行星形成的主要阶段被吸积。在这项研究中，我们模拟了一个成长中的行星内挥发物的分配和表面的放气。对于金属和硅酸盐熔体之间的H和C分配系数的实际值，地核储存了地球90%以上的氢和碳预算。地球和金星的岩浆海洋足够深，可以将亚铁$^{2+}$氧化成铁Fe $^{3+}$。这种氧化态的增加导致了地球岩浆海洋中主要是CO $_2$和H $_2$ O的脱气。相比之下，火星地幔的氧化态仍然很低，主要的释氢载体是H $_2$。由于年轻的太阳以XUV波长照射，这些氢很容易逃离大气层，并将大气层中大部分的CO、CO $_2$、H $_2$ O和N $_2$带走。火星上有少量的地表水，与提议的古代海洋海岸线一致，地幔氧化值适度较低。由于氮在岩浆中的溶解度极低，因此氮在地核和大气之间的分配相对均匀;因此，在地核中埋藏大量的氮是不可能的。地球的整体低N含量不同意高丰度的N在所有球粒陨石类，有利于卵石雪的挥发性交付。我们的卵石吸积快速形成岩石行星的模型显示出与太阳类地行星挥发性成分的广泛一致性。因此，类地行星的多样性可以作为基准案例来校准太阳系外岩石行星及其大气模型。
2023-01-26 astro-ph.EP
Constructing Earth Formation History Using Deep Mantle Noble Gas Reservoirs
UC San Diego（加州大学圣迭戈分校）；McGill University（麦吉尔大学）
研究通过模拟原始包裹层生长和稀有气体溶解过程，发现地球形成初期约0.3倍地球质量的胚胎在太阳星云散尽时聚集，稀有气体记录了地球的原始气体和早期固态形成过程。
2026-05-01 astro-ph.EP
Interior dynamics of super-Earth 55 Cancri e
本研究以 GCM 约束的表面温差为边界，通过二维地幔对流模拟揭示潮汐锁定熔岩行星 55 Cancri e 的昼侧超级地幔柱及其对脱气和大气化学差异的影响。
2023-08-01 astro-ph.EP physics.geo-ph
Low-spin ferrous iron suppresses mantle oxidation beyond Earth-like pressures
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；European Synchrotron Radiation Facility（欧洲同步辐射装置）；Université Paris Cité, Institut de Physique du Globe de Paris, CNRS（巴黎西岱大学，巴黎地球物理研究所，法国国家科学研究中心）；Nantes Université, Univ Angers, Le Mans Université, CNRS, Laboratoire de Planétologie et Géosciences, LPG UMR 6112（南特大学，昂热大学，勒芒大学，法国国家科学研究中心，行星学与地质学实验室）；School of Earth, Atmosphere and Environment, Monash University（蒙纳士大学地球、大气与环境学院）；Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences（中国科学院广州地球化学研究所）
通过原位穆斯堡尔谱发现，在高压下Fe²⁺从高自旋转变为低自旋，导致地幔Fe³⁺/∑Fe在约40 GPa达到峰值后下降，表明地球的氧化地幔可能源于核幔平衡发生在Goldilocks压力范围。
2026-06-16 astro-ph.EP
Mantle Convection and Nightside Volcanism on Lava World K2-141 b
University of Oxford（牛津大学）；Bayerisches Geoinstitut, University of Bayreuth（拜罗伊特大学巴伐利亚地球研究所）；Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Institute of Geophysics, Department of Earth and Planetary Sciences, ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系地球物理研究所）；School of Physics and Astronomy, University of Leeds（利兹大学物理与天文学学院）
本研究通过二维对流模型探讨了岩浆世界K2-141 b的地幔动态、夜侧火山活动及挥发物逸出，发现火山活动可释放大量CO₂和H₂O，并分析了其热辐射信号对观测的影响。
2026-03-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
Core-exsolved SiO$_2$ dispersal in the Earth's mantle
SiO $_2$可能是在地球吸积的早期阶段核心形成后直接从核心中排出的，并一直持续到今天。由于SiO $_2$相对于核壳和地幔底部的密度较低，我们研究了SiO $_2$在核幔边界（CMB）的聚集和通过浮力上升并入地幔的过程。今天，如果SiO $_2$比下地幔物质的粘性大100-10000倍，那么由CMB处的粘性瑞利-泰勒不稳定性形成的SiO $_2$底辟的尺寸将使它们作为直径为100 m - 10 km的包裹体被扫入地幔。在地核形成后快速热损失的早期地球条件下，直径约1 km的SiO $_2$底辟可能独立于地幔流上升到地幔中的中性浮力水平，由于固有的高粘度和中性浮力的结合，将它们困在那里。我们通过假设在岩浆海洋底部发现的条件下的Si+O饱和度来检查SiO $_2$产率，发现对于一系列条件，分散体可以达到高达8.5体积%。在下地幔的某些地方。在如此低的浓度下，它们对总地震波速的影响在观测地震学的不确定性范围内。然而，它们的存在可以解释下地幔的小尺度散射，因为它们的速度差异很大。我们的结论是，浅的下地幔（700-1500公里深度）可以窝藏SiO $_2$释放在早期地球时代。
2018-01-06 astro-ph.EP physics.geo-ph
Crystallization and cooling conditions for diogenite formation in the turbulent magma ocean of asteroid 4 Vesta
尽管体积很小，但小行星4灶神星已经完全分化为地核和地幔。它的成分类似于howardite-eucrite-diogenite（HED）陨石，其中详细的岩石学是已知的。因此，灶神星是了解类地行星分化的好目标。通过考虑岩浆海洋流体动力学、化学平衡、$^{26}$ Al的存在和冷却作用，特别是晶体分离作用，建立了一个新的地壳形成分异模型。晶体尺寸、导电盖的厚度和fO $_{2}$的作用被评估为参数。结果表明，在约2万年的时间里，至少1cm的大晶体沉降形成了一层较厚的斜方辉石堆积层，Mg $\#$为0.70-0.90，与闪长岩的Mg $\#$基本一致。较小的晶粒尺寸形成较薄的层。
2016-08-12 astro-ph.EP
Magma ascent in planetesimals: control by grain size
早期太阳系中的岩石状微行星由于Al-26的辐射加热而内部熔化并进行化学演化。在这里，我们量化的参数控制岩浆成因和运输使用一个耦合的岩石学和流体力学模型的反应两相流。我们发现硅酸盐矿物的平均粒度是岩浆上升的关键控制。对于大于$\approx$ 1 mm的晶粒尺寸，熔体偏析产生明显的径向结构和化学分层。这种分层是最明显的机构形成后，形成约1万年的钙，铝丰富的夹杂物。这些发现表明，星子形成的时间和轨道位置与其随后的结构和化学演化之间存在联系。根据我们的模型，部分熔融的星子内部的演化分为两类。在岩浆海洋情景中，整个星子内部经历几乎完全的熔融，这将导致湍流对流和核幔分异的降雨机制。在岩浆岩床的情况下，分离熔体逐渐耗尽的放射性热源的内部深处。在这种情况下，岩浆可能会在一个凉爽而稳定的盖子下形成富含熔体的层，而核心的形成将通过渗滤进行。我们的研究结果表明，晶粒尺寸普遍在内部加热阶段的岩浆上升的星子。无论是否朝着岩浆海洋或岩浆岩床结构的演化进展，我们的模型预测，由于Al-26的快速再分布的温度反演仅限于早于$\approx$ 1百万年后CAIs形成的机构。我们发现，如果晶粒尺寸小于$\approx$ 1毫米，在峰值内部熔化，只有升高的固体熔体密度对比（如顽火辉石球粒陨石组合物）将允许大量的熔体偏析发生。
2019-01-07 astro-ph.EP physics.geo-ph
Hidden water in magma ocean exoplanets
我们证明，岩浆海洋的深层挥发性存储能力有显着的影响，从系外行星质量和半径数据推断的体积组成，内部和气候状态。实验岩石学提供了水和熔体混合能力的基本性质。到目前为止，这些数据在很大程度上被忽略了系外行星质量半径建模。在这里，我们提出了一个先进的内部模型，为富含水的岩石系外行星。新的模型使我们能够测试岩石融化和岩浆海洋和大气之间的水的重新分配对计算出的行星半径的影响。有和没有岩石融化和水分割模型导致偏差的行星半径高达16%的固定散装成分和行星质量。这在单个系统的当前精度范围内，并且在总体水平上可以进行统计测试。因此，在反演中未被认识到的地幔熔融和挥发性物质的重新分布可能会低估推断的行星体含水量高达一个数量级。
2021-10-28 astro-ph.EP
Chemical equilibrium between Cores, Mantles, and Atmospheres of Super-Earths and Sub-Neptunes, and Implications for their Compositions, Interiors and Evolution
我们研究了熔融金属和硅酸盐之间的平衡化学，以及一个富氢的信封使用18个独立的反应25个相成分的次海王星样系外行星。反应性金属和非反应性金属隔离在一个孤立的核心进行了建模。平衡的首要影响是包层的氧化和地幔和地核的还原。氢和氧通常在化学平衡时构成金属核心的重要部分，导致密度不足，为Trappist-1行星的低密度提供了可能的替代解释。与岩浆海洋的反应在岩浆海洋正上方的包层中产生大量的SiO和H $_2$ O。具有活性金属的行星包层中的摩尔浓度是H $_2>\rm{SiO}>CO\sim\rm{Na}\sim\rm{Mg}>\rm{H}_2\rm{O}>>\rm{CO}_2\sim\rm{CH}_4>>\rm{O}_2$，而对于非活性金属的情况，H $_2$ O成为第二丰富的物种，仅次于H $_2$，为两种可观测的情况提供了仲裁者。在这两种情况下，大气中的水丰度都超过地幔中的水丰度至少一个数量级。硅酸盐地幔中的水浓度分别为$\sim 0.01$ wt\ %和$\sim 0.1$ wt\ %（在反应性和非反应性金属核情况下），限制了可能在未来超级地球中脱气的H $_2$ O。反应堆芯情况下溶解水较少是由于富铁金属中的H和O被封存。大多数次海王星的总氢预算可以从它们的大气层中估算出来，因为大气层通常含有超过90%的氢。
2022-03-09 astro-ph.EP
Highly siderophile elements were stripped from Earth's mantle by iron sulfide segregation
高亲铁元素（HSEs）强烈亏损在散装硅酸盐地球（BSE），但存在于近南极洲的相对丰度。传统的解释是，在地核形成过程中，由于金属的分离，HSE从地幔中剥离出来，但在地核形成停止后，由于后期的吸积作用，HSE又以接近地幔的比例被添加回来。在这里，我们表明，在地球的核心形成的金属硅酸盐平衡和隔离实际上增加了HSE地幔浓度，因为HSE分配系数相对较低，在地球内部的核心形成的高压。普遍的出溶和分离的铁硫化物液体从硅酸盐液体（“Hadean冰铜”）剥离岩浆海洋的HSE在冷却和结晶过程中，在后期吸积，并导致轻微的超球粒陨石钯/铱和钌/铱比。
2016-09-15 astro-ph.EP
Oldhamite: a new link in mantle for C-O-S-Ca cycles and an indicator for planetary habitability
本研究首次报道了地幔条件下oldhamite的形成机制，发现其氧逸度比太阳星云机制高6个数量级，并指出oldhamite的广泛存在可作为行星缺氧不宜居的指示器。
2023-10-13 astro-ph.EP physics.geo-ph
Incompatibility of iron in post-perovskite and the stability of basal magma oceans in super-Earths
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
该研究通过第一性原理计算发现铁在后钙钛矿中强烈不相容，导致残余液体富铁并逆转密度对比，使后钙钛矿浮力增加，从而在高达4倍地球质量的超级地球中维持基底岩浆洋的引力稳定性。
2026-09-15 astro-ph.EP
A mineralogical reason why all exoplanets cannot be equally oxidising
本研究通过矿物相控制 Fe$^{3+}$ 分配的机制，解释系外行星地幔氧逸度差异，并预测不同 Mg/Si 恒星周围行星的可检测大气气体。
2023-08-18 astro-ph.EP
Atmospheric evolution through outgassing and escape on young molten rocky exoplanets
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）；Atmospheric Oceanic and Planetary Physics, University of Oxford（牛津大学大气海洋与行星物理系）；Netherlands eScience Center（荷兰电子科学中心）；Interuniversity Micro Electronics Centre（大学微电子中心）；Space Research Organisation Netherlands（荷兰太空研究组织）
研究年轻熔融岩石系外行星大气演化，扩展耦合模型并纳入能量限制逃逸模块，探讨多因素对其影响，估计大气损失与成分，揭示大气逃逸、能量传输等对演化的作用及不同条件下的多样演化路径。
2026-07-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
