?近日，中國科學院廣州地球化學研究所王強研究員團隊在National Science Review（《國家科學評論》, NSR）在線發表題為“Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir”的研究論文。該研究系統地報道了來自喜馬拉雅-青藏造山帶碰撞后鉀鎂煌斑巖和伴生地幔輝石巖捕虜體的全巖和礦物原位硅同位素數據，結果顯示出獨特的重硅同位素特征，為地球深部存在重硅同位素儲庫提供了新證據。綜合巖石地球化學分析與同位素分餾模擬，團隊提出這種重硅同位素儲庫的形成與俯沖印度大陸板片熔體引起的地幔交代作用有關。
?硅是地球中豐度第三的元素，其在地球不同地質儲庫中的分布與循環過程對理解地球內部物質分異和地表環境演化具有重要意義。硅有三種穩定同位素(28Si, 29Si, 和30Si)，常被應用于示蹤硅的地球化學循環過程。然而，要準確利用硅同位素作為“示蹤劑”，必須明確其在各類地質儲庫中的組成特征。傳統觀點認為，地幔高溫部分熔融形成新生地殼的過程不會引起顯著的硅同位素分餾，且由于大陸地殼與全硅酸鹽地球（Bulk Silicate Earth, BSE）的硅同位素組成幾乎一致（見圖1），因此，地幔被認為與BSE具有相似的硅同位素組成，不應出現明顯異常。然而，近年來發現一些洋島玄武巖（OIB）和大陸弧巖漿具有顯著偏輕的硅同位素組成（低于BSE），這暗示地幔中應存在一個與之互補的重硅同位素儲庫以維持全球硅同位素的質量平衡。但此前報道的各類地幔巖石（包括橄欖巖、輝石巖及其熔融產物）的硅同位素數據大多等于或輕于BSE，重硅地幔儲庫始終未被明確識別。
喜馬拉雅-青藏造山帶出露大量新生代幔源超鉀質巖石，這類巖石源于富集地幔的低程度部分熔融，往往反映了地幔源區的不均一性，是研究上述問題的理想對象。研究團隊選擇喜馬拉雅-青藏造山帶碰撞后鉀鎂煌斑巖和伴生地幔輝石巖捕虜體作為研究對象，通過系統的全巖與微區硅同位素分析，取得了以下認識：（1）拉薩地體中新世鉀鎂煌斑巖及其地幔包體的硅同位素值顯著重于BSE，是目前國際上報道的硅同位素最偏重的地幔巖石（圖1）；（2）鉀鎂煌斑巖的重硅同位素組成并非由殼內演化過程(例如地表風化、殼內分離結晶及地殼混染)所致，而是直接繼承自其地幔源區（圖2）；（3）板片熔融過程會發生顯著的Si同位素分餾，殘留相（如石榴子石+單斜輝石）富集輕硅同位素，而熔體則富集重硅同位素（圖3）。結合前人已發表的資料，重硅同位素儲庫的形成可能與俯沖印度大陸板片熔體引起的地幔交代作用有關。
圖1?全球地幔巖石及其衍生巖漿巖的硅同位素組成匯總
圖2 拉薩地體中新世鉀鎂煌斑巖中的橄欖石和單斜輝石斑晶以及輝石巖地幔捕虜體的硅同位素組成
圖3 板片熔融過程中的Si同位素分餾效應及其在形成重硅同位素地幔儲庫中的作用
?隨著越來越多的證據表明板片熔融是俯沖帶普遍存在的過程，此類由板片熔體交代形成的重硅同位素地幔儲庫可能遠比此前認識的更為廣泛。與此同時，板片部分熔融后的輕硅同位素殘留體可被帶入深部地幔，從而解釋部分洋島玄武巖為何具有輕硅同位素特征。此外，研究強調，再循環物質的同位素信號能否在巖漿產物中得以保留不僅取決于再循環物質本身的同位素特征，還強烈依賴于地幔熔融時的熱狀態：在低程度部分熔融（即圍巖橄欖巖貢獻較小）條件下，再循環物質（即橄欖巖中的交代脈體）的同位素信號能夠更有效地傳遞至最終的巖漿產物。
?相關成果發表后，引發了國際同行的廣泛關注。《National Science Review》也隨之在線發表刊發了由Si同位素領域專家、英國圣安德魯斯大學Paul Savage博士撰寫的專題評述“Heavy melts, light residues: New research identifies the potential importance of Si isotope fractionation in subducting slabs”，詳細介紹了王強研究員團隊的最新研究成果。Savage博士指出，該團隊提出的"俯沖板片熔體交代形成重硅同位素地幔儲庫"模型，揭示了地表再循環物質對地幔Si同位素不均一性的調控機制，并評價道："This new work adds to a valuable collection of papers which have allowed new insights into how the composition of Earth’s mantle may be affected by subduction zone input and processing."
?論文第一作者為劉懋銳博士研究生和王軍副研究員，韋剛健研究員、徐義剛院士、崔澤賢工程師、楊晴高級工程師、A.C. Kerr教授和D. Wyman教授等為本文重要合作者，王強研究員為通訊作者。該研究受到深地國家科技重大專項項目、國家自然科學基金創新群體項目及國家自然科學基金面上項目等項目的聯合資助。
?
論文信息：Mao-Rui Liu? (劉懋銳), Jun Wang? (王軍), Ze-Xian Cui (崔澤賢), Gang-Jian Wei (韋剛健), Qing Yang (楊晴), Yi-Gang Xu (徐義剛), Andrew C. Kerr, Derek Wyman, Jiang-Hao Bai (白江昊), Guan-Hong Zhu (朱冠虹), Lin Ma (馬林), Lu-Lu Hao (郝露露), Jin-Sheng Zhou (周金勝), Jing-Jing Fan (范晶晶), Tong-Yu Huang (黃彤宇), Miao-Yan Zhang (張妙燕), Qiang Wang* (王強), 2025. Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir. National Science Review?nwaf410. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf410.
?
評述論文信息：Savage, P. S., 2025. Heavy melts, light residues: New research identifies the potential importance of Si isotope fractionation in subducting slabs. National Science Review?nwaf469. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf469.
?
附件下載：