地幔与洋壳玄武岩硅同位素组成的高精度测定及其对地幔熔融过程的约束

研究人员通过高精度临界混合物双稀释剂技术，重新测定了地幔矿物相与洋壳玄武岩的硅同位素组成（δ30/28Si），揭示了橄榄石-熔体间近乎零的分馏效应（Δ30/28SiOl/Melt = ?0.001±0.029‰），并量化了地幔部分熔融过程中的同位素分馏规律。该研究首次证实硅同位素在熔体迁移过程中未受扩散扰动，为行星硅同位素组成重建提供了可靠方法，同时限定了洋岛玄武岩（OIB）中辉石岩熔体贡献上限（<23%）。

　　

硅作为地球第二大造岩元素，其同位素分馏行为对理解地幔演化和行星形成过程至关重要。然而，传统硅同位素分析技术（如标准样品 bracketing 法）的精度局限（±0.1‰）掩盖了地幔熔融过程中的细微分馏信号，且矿物-熔体分馏因子长期依赖理论计算，缺乏实验验证。更棘手的是，近期研究发现镁（Mg）和铁（Fe）同位素在熔体迁移过程中会受扩散扰动，这让人质疑硅同位素是否也能忠实记录地幔源区信息。

针对这些科学难题，英国布里斯托大学（University of Bristol）地球科学学院的研究团队开发了革命性的临界混合物双稀释剂技术（critical mixture double spiking），将硅同位素分析精度提升至±0.03‰（δ^30/28Si）。基于这一技术突破，研究人员系统测定了地幔橄榄岩、洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）的硅同位素组成，并通过天然橄榄石-玻璃对（样品PN3-10）首次精确测定了橄榄石与熔体间的分馏因子。

关键技术方法
研究选取8件地幔橄榄岩、21件MORB和17件OIB样品，采用NaOH碱熔法消解，经阳离子交换色谱纯化硅，利用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICPMS）在中等分辨率模式下分析。通过微钻技术获取橄榄石-玻璃对的微区样品，结合pMELTS程序模拟地幔部分熔融过程。

主要研究结果

1. 矿物-熔体分馏因子测定
   橄榄石与熔体间几乎无分馏（Δ^30/28Si_Ol/Melt=?0.001±0.029‰），而橄榄石相较于单斜辉石（Δ^30/28Si_Ol/Cpx=0.075‰）、斜方辉石（Δ^30/28Si_Ol/Opx=0.056‰）和石榴石（Δ^30/28Si_Ol/Gar=0.123‰）更富集重硅同位素，与理论预测吻合。

2. 地幔与洋壳玄武岩组成
   地幔橄榄岩呈现超球粒陨石均一值（?0.308±0.013‰），而MORB（?0.280±0.009‰）和OIB（?0.271±0.013‰）略偏重，这种差异可通过平衡熔融模型完美解释，表明硅同位素未受熔体迁移过程中的扩散分馏影响——这与Mg/Fe同位素行为形成鲜明对比。

3. 熔融过程模拟
   pMELTS模拟显示：橄榄岩10%部分熔融会产生δ^30/28Si升高约0.03‰的熔体；而辉石岩熔融则导致更显著分馏（Δ^30/28Si达0.08-0.1‰）。据此计算，MORB和OIB中辉石岩熔体贡献上限分别为18%和23%，否定了前人关于OIB含61%辉石岩熔体的极端假设。

重要意义
该研究首次建立硅同位素在地幔熔融过程中的定量分馏模型，证实其不受扩散效应干扰的特性，使其成为追踪地幔源区组成的可靠指标。尤其对于行星科学，该发现意味着仅通过玄武质陨石即可准确反演母体的整体硅同位素组成，为比较行星学提供新工具。此外，对辉石岩贡献的限定修正了地幔不均一性模型，为理解地球动力学过程提供关键约束。论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为高精度同位素地球化学研究树立了新标杆。