在國家自然科學(xué)基金等項目資助下，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員王強團(tuán)隊與合作者，首次發(fā)現(xiàn)地幔中存在重硅同位素儲庫。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。
全球地幔巖石及其衍生巖漿巖的硅同位素組成匯總。研究團(tuán)隊供圖，下同
該研究聚焦喜馬拉雅-青藏造山帶碰撞后的鉀鎂煌斑巖和伴生地幔輝石巖捕虜體，系統(tǒng)揭示了其全巖和礦物原位硅同位素數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)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有力新證據(jù)。通過綜合巖石地球化學(xué)分析與同位素分餾模擬，團(tuán)隊提出該重硅同位素儲庫的形成與俯沖印度大陸板片熔體引發(fā)的地幔交代作用密切相關(guān)。
硅作為地球中豐度排名第三的元素，其在地球不同地質(zhì)儲庫中的分布與循環(huán)過程，對于深入理解地球內(nèi)部物質(zhì)分異和地表環(huán)境演化意義重大。硅存在三種穩(wěn)定同位素（28Si、29Si和30Si），常被用作示蹤硅的地球化學(xué)循環(huán)過程的“示蹤劑”。不過，要精準(zhǔn)利用硅同位素開展示蹤研究，就必須明確其在各類地質(zhì)儲庫中的組成特征。
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。
傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，地幔高溫部分熔融形成新生地殼的過程不會引發(fā)顯著的硅同位素分餾。并且，由于大陸地殼與全硅酸鹽地球（BSE）的硅同位素組成幾乎一致，所以地幔被認(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，近年來研究發(fā)現(xiàn)，一些洋島玄武巖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)存在一個與之互補的重硅同位素儲庫，以維持全球硅同位素的質(zhì)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(chǎn)物）的硅同位素數(shù)據(jù)大多等于或輕于BSE，重硅地幔儲庫一直未能被明確識別。
喜馬拉雅-青藏造山帶出露大量新生代幔源超鉀質(zhì)巖石，這類巖石源于富集地幔的低程度部分熔融，能夠反映地幔源區(qū)的不均一性，是研究上述問題的理想對象。研究團(tuán)隊選取該造山帶碰撞后的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(tǒng)的全巖與微區(qū)硅同位素分析，獲得了以下重要認(rèn)識：
一是，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；二是，鉀鎂煌斑巖的重硅同位素組成并非由殼內(nèi)演化過程（如地表風(fēng)化、殼內(nèi)分離結(jié)晶及地殼混染）導(dǎo)致，而是直接繼承自其地幔源區(qū)；三是，板片熔融過程會發(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。結(jié)合前人已發(fā)表的資料，研究認(rèn)為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(guān)。
板片熔融過程中的Si同位素分餾效應(yīng)及其在形成重硅同位素地幔儲庫中的作用。
隨著越來越多證據(jù)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比此前認(rèn)知的更為廣泛。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，這為部分洋島玄武巖具有輕硅同位素特征提供了合理解釋。
此外，該研究強調(diào)，再循環(huán)物質(zhì)的同位素信號能否在巖漿產(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，還強烈依賴于地幔熔融時的熱狀態(tài)。在低程度部分熔融（即圍巖橄欖巖貢獻(xiàn)較小）條件下，再循環(huán)物質(zhì)（即橄欖巖中的交代脈體）的同位素信號能夠更有效地傳遞至最終的巖漿產(chǎn)物。（來源：中國科學(xué)報 朱漢斌 孔令竹）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf410