近日，中国科学院广州地球化学研究所王强研究员团队在National Science Review（《国家科学评论》, NSR）在线发表题为“Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir”的研究论文。该研究系统地报道了来自喜马拉雅-青藏造山带碰撞后钾镁煌斑岩和伴生地幔辉石岩捕虏体的全岩和矿物原位硅同位素数据，结果显示出独特的重硅同位素特征，为地球深部存在重硅同位素储库提供了新证据。综合岩石地球化学分析与同位素分馏模拟，团队提出这种重硅同位素储库的形成与俯冲印度大陆板片熔体引起的地幔交代作用有关。

 硅是地球中丰度第三的元素，其在地球不同地质储库中的分布与循环过程对理解地球内部物质分异和地表环境演化具有重要意义。硅有三种稳定同位素(²⁸Si, ²⁹Si, 和³⁰Si)，常被应用于示踪硅的地球化学循环过程。然而，要准确利用硅同位素作为“示踪剂”，必须明确其在各类地质储库中的组成特征。传统观点认为，地幔高温部分熔融形成新生地壳的过程不会引起显著的硅同位素分馏，且由于大陆地壳与全硅酸盐地球（Bulk Silicate Earth, BSE）的硅同位素组成几乎一致（见图1），因此，地幔被认为与BSE具有相似的硅同位素组成，不应出现明显异常。然而，近年来发现一些洋岛玄武岩（OIB）和大陆弧岩浆具有显著偏轻的硅同位素组成（低于BSE），这暗示地幔中应存在一个与之互补的重硅同位素储库以维持全球硅同位素的质量平衡。但此前报道的各类地幔岩石（包括橄榄岩、辉石岩及其熔融产物）的硅同位素数据大多等于或轻于BSE，重硅地幔储库始终未被明确识别。

喜马拉雅-青藏造山带出露大量新生代幔源超钾质岩石，这类岩石源于富集地幔的低程度部分熔融，往往反映了地幔源区的不均一性，是研究上述问题的理想对象。研究团队选择喜马拉雅-青藏造山带碰撞后钾镁煌斑岩和伴生地幔辉石岩捕虏体作为研究对象，通过系统的全岩与微区硅同位素分析，取得了以下认识：（1）拉萨地体中新世钾镁煌斑岩及其地幔包体的硅同位素值显著重于BSE，是目前国际上报道的硅同位素最偏重的地幔岩石（图1）；（2）钾镁煌斑岩的重硅同位素组成并非由壳内演化过程(例如地表风化、壳内分离结晶及地壳混染)所致，而是直接继承自其地幔源区（图2）；（3）板片熔融过程会发生显著的Si同位素分馏，残留相（如石榴子石+单斜辉石）富集轻硅同位素，而熔体则富集重硅同位素（图3）。结合前人已发表的资料，重硅同位素储库的形成可能与俯冲印度大陆板片熔体引起的地幔交代作用有关。

图1 全球地幔岩石及其衍生岩浆岩的硅同位素组成汇总

图2 拉萨地体中新世钾镁煌斑岩中的橄榄石和单斜辉石斑晶以及辉石岩地幔捕虏体的硅同位素组成

图3 板片熔融过程中的Si同位素分馏效应及其在形成重硅同位素地幔储库中的作用

 随着越来越多的证据表明板片熔融是俯冲带普遍存在的过程，此类由板片熔体交代形成的重硅同位素地幔储库可能远比此前认识的更为广泛。与此同时，板片部分熔融后的轻硅同位素残留体可被带入深部地幔，从而解释部分洋岛玄武岩为何具有轻硅同位素特征。此外，研究强调，再循环物质的同位素信号能否在岩浆产物中得以保留不仅取决于再循环物质本身的同位素特征，还强烈依赖于地幔熔融时的热状态：在低程度部分熔融（即围岩橄榄岩贡献较小）条件下，再循环物质（即橄榄岩中的交代脉体）的同位素信号能够更有效地传递至最终的岩浆产物。

 相关成果发表后，引发了国际同行的广泛关注。《National Science Review》也随之在线发表刊发了由Si同位素领域专家、英国圣安德鲁斯大学Paul Savage博士撰写的专题评述“Heavy melts, light residues: New research identifies the potential importance of Si isotope fractionation in subducting slabs”，详细介绍了王强研究员团队的最新研究成果。Savage博士指出，该团队提出的"俯冲板片熔体交代形成重硅同位素地幔储库"模型，揭示了地表再循环物质对地幔Si同位素不均一性的调控机制，并评价道："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."

 论文第一作者为刘懋锐博士研究生和王军副研究员，韦刚健研究员、徐义刚院士、崔泽贤工程师、杨晴高级工程师、A.C. Kerr教授和D. Wyman教授等为本文重要合作者，王强研究员为通讯作者。该研究受到深地国家科技重大专项项目（2024ZD1001103）、国家自然科学基金创新群体项目（42021002）及国家自然科学基金面上项目（42472073）等项目的联合资助。

论文信息：Mao-Rui Liu† (刘懋锐), Jun Wang† (王军), Ze-Xian Cui (崔泽贤), Gang-Jian Wei (韦刚健), Qing Yang (杨晴), Yi-Gang Xu (徐义刚), Andrew C. Kerr, Derek Wyman, Jiang-Hao Bai (白江昊), Guan-Hong Zhu (朱冠虹), Lin Ma (马林), Lu-Lu Hao (郝露露), Jin-Sheng Zhou (周金胜), Jing-Jing Fan (范晶晶), Tong-Yu Huang (黄彤宇), Miao-Yan Zhang (张妙燕), Qiang Wang* (王强), 2025. Discovery of a heavy silicon isotope mantle reservoir. National Science Review nwaf410. https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf410.

评述论文信息：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.