新聞動(dòng)態(tài)劉懋銳、王軍、王強(qiáng)等-NSR：首次發(fā)現(xiàn)地幔中存在重硅同位素儲(chǔ)庫(kù)
?近日，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所王強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在National Science Review（《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》, NSR）在線發(fā)表題為“Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir”的研究論文。該研究系統(tǒng)地報(bào)道了來(lái)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?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果顯示出獨(dú)特的重硅同位素特征，為地球深部存在重硅同位素儲(chǔ)庫(kù)提供了新證據(jù)。綜合巖石地球化學(xué)分析與同位素分餾模擬，團(tuán)隊(duì)提出這種重硅同位素儲(chǔ)庫(kù)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(guān)。
?硅是地球中豐度第三的元素，其在地球不同地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)中的分布與循環(huán)過(guò)程對(duì)理解地球內(nèi)部物質(zhì)分異和地表環(huán)境演化具有重要意義。硅有三種穩(wěn)定同位素(28Si, 29Si, 和30Si)，常被應(yīng)用于示蹤硅的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。然而，要準(zhǔn)確利用硅同位素作為“示蹤劑”，必須明確其在各類地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)中的組成特征。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，地幔高溫部分熔融形成新生地殼的過(guò)程不會(huì)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(jiàn)圖1），因此，地幔被認(rèn)為與BSE具有相似的硅同位素組成，不應(yīng)出現(xiàn)明顯異常。然而，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)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(yīng)存在一個(gè)與之互補(bǔ)的重硅同位素儲(chǔ)庫(kù)以維持全球硅同位素的質(zhì)量平衡。但此前報(bào)道的各類地幔巖石（包括橄欖巖、輝石巖及其熔融產(chǎn)物）的硅同位素?cái)?shù)據(jù)大多等于或輕于BSE，重硅地幔儲(chǔ)庫(kù)始終未被明確識(shí)別。
喜馬拉雅-青藏造山帶出露大量新生代幔源超鉀質(zhì)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(qū)的不均一性，是研究上述問(wèn)題的理想對(duì)象。研究團(tuán)隊(duì)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(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)的全巖與微區(qū)硅同位素分析，取得了以下認(rèn)識(shí)：（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(guó)際上報(bào)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(nèi)演化過(guò)程(例如地表風(fēng)化、殼內(nèi)分離結(jié)晶及地殼混染)所致，而是直接繼承自其地幔源區(qū)（圖2）；（3）板片熔融過(guò)程會(huì)發(fā)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(jié)合前人已發(fā)表的資料，重硅同位素儲(chǔ)庫(kù)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(guān)。
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(guò)程中的Si同位素分餾效應(yīng)及其在形成重硅同位素地幔儲(chǔ)庫(kù)中的作用
?隨著越來(lái)越多的證據(jù)表明板片熔融是俯沖帶普遍存在的過(guò)程，此類由板片熔體交代形成的重硅同位素地幔儲(chǔ)庫(kù)可能遠(yuǎn)比此前認(rèn)識(shí)的更為廣泛。與此同時(shí)，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(qiáng)調(diào)，再循環(huán)物質(zhì)的同位素信號(hào)能否在巖漿產(chǎn)物中得以保留不僅取決于再循環(huán)物質(zhì)本身的同位素特征，還強(qiáng)烈依賴于地幔熔融時(shí)的熱狀態(tài)：在低程度部分熔融（即圍巖橄欖巖貢獻(xiàn)較?。l件下，再循環(huán)物質(zhì)（即橄欖巖中的交代脈體）的同位素信號(hào)能夠更有效地傳遞至最終的巖漿產(chǎn)物。
?相關(guān)成果發(fā)表后，引發(fā)了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注。《National Science Review》也隨之在線發(fā)表刊發(fā)了由Si同位素領(lǐng)域?qū)＜?、英?guó)圣安德魯斯大學(xué)Paul Savage博士撰寫的專題評(píng)述“Heavy melts, light residues: New research identifies the potential importance of Si isotope fractionation in subducting slabs”，詳細(xì)介紹了王強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。Savage博士指出，該團(tuán)隊(duì)提出的"俯沖板片熔體交代形成重硅同位素地幔儲(chǔ)庫(kù)"模型，揭示了地表再循環(huán)物質(zhì)對(duì)地幔Si同位素不均一性的調(diào)控機(jī)制，并評(píng)價(jià)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(jí)工程師、A.C. Kerr教授和D. Wyman教授等為本文重要合作者，王強(qiáng)研究員為通訊作者。該研究受到深地國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2024ZD1001103）、國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目（42021002）及國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（42472073）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
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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(qiáng)), 2025. Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir. National Science Review?nwaf410. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf410.
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評(píng)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.
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