NASA “洞察号” (InSight) 任务的火星地震学观测研究表明，火星核幔边界可能存在一个厚度约150公里、近乎完全熔融且富含铁元素的硅酸盐层，通常被称为基底熔融层（Basal Molten Layer, BML）（Samuel et al., 2023; Khan et al., 2023）。该层的发现不仅改变了人们对火星深部结构的认识，也可能对火星内部长期热演化和火星古磁场的产生和持续机制产生重要影响。然而，BML的热演化模式及其动力学行为目前仍存在较大的不确定性和争议。其中，一个关键争议在于控制其热传输过程的主导机制究竟是热传导（Samuel et al., 2021, 2023）还是热对流（Cheng et al., 2025）。这一争议很大程度上源于BML的成分与物性参数缺乏可靠约束。

为了解决以上问题，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室的博士研究生牛笑光在张志刚研究员、郭光军研究员、黄圣轩特聘副研究员和河海大学孙义程副教授等人指导下，利用分子动力学模拟方法，预测了火星核幔边界条件下（~19 GPa，1800-3000 K）富铁硅酸盐熔体的密度、黏度和热导率等关键物性参数。研究表明：为了在火星核幔边界保持重力稳定，BML的FeO含量至少需达到30 wt%，其密度大于4.0 g/cm³（图1a）；在BML可能的温压条件下，这种富铁熔体的热导率值为2.3-2.7 W/m/K（图1b），同时具有极低的黏度（仅为0.01-0.4 Pa·s，图1c、图1d）。

图1 19 GPa下、不同温度和FeO浓度硅酸盐熔体的密度（a）、热导率（b）与黏度（c、d）

在此基础上，他们与岩石圈演化与环境演变全国重点实验室李杨副研究员等人开展合作，将新获取的密度、黏度和热导率值引入到标度分析（瑞利数计算）和火星动力学数值模型。结果表明：在现有火星模型中，当熔融层的有效黏度低于10¹⁹ Pa·s时，热对流将主导热量传输（图2，图3），且对流强度和火星核热通量随黏度降低而急剧增加。这些计算结果揭示低黏度、强对流的BML可能将核幔热流提升数个数量级，从而加速火星核的冷却过程。这为解释火星早期发电机活动的存在、火星固态内核的可能形成提供了关键的动力学机制。

图2 瑞利数对黏度的依赖性，结果显示低黏度BML应处于强烈对流状态

图3 火星动力学数值模拟结果。（a）以10¹⁹ Pa·s为例的对流BML的初始温度场和最终温度场；（b）不同黏度BML随演化时间的均方根（RMS）速度；不同黏度的BML的（c）上边界热流和（b）下边界热流

研究成果发表于国际学术期刊 JGR-Planets（Niu, X., Liu, R., Zhang, Z., Sun, Y., Guo, G., Huang, S., Li, Y. & Zhang, Z. Viscosity and thermal conductivity of iron‐rich silicate melts at the Martian core‐mantle boundary: Implications for a basal molten layer[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2026, 131(5), e2026JE009678. DOI: 10.1029/2026JE009678.）。成果得到国家重点研发计划(2022YFF0503203)，国家自然科学基金项目(42578011)，以及中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202204）等联合资助。

牛笑光（博士生）