硅（Si）是地壳中丰度第二的元素，通过生物泵、硅酸盐风化和反风化等过程参与了全球碳循环，进而影响气候变化。海洋中以硅藻为主体的浮游植物死亡后以颗粒态生物硅形式向深海输送。据估计，大约有1/3的生物硅被再循环进入海水，剩余部分进入沉积物。故生物硅在海底沉积物中的再循环和埋藏是海洋Si收支的重要组成部分。沉积物中生物硅与金属阳离子结合生成自生粘土矿物、同时伴随碱度消耗和CO₂生成的过程称为反风化作用。它被认为在调节地质历史时期海水化学组成和海洋碳、硅循环以及气候变化中扮演着重要角色。
沉积物中Si收支的一个关键科学问题是：有多少生物硅被再循环进入海水和最终被埋藏在沉积物中？已有研究表明，在热带河口和三角洲含生物硅沉积物中自生粘土矿物可以在年际尺度快速形成。据估计，大陆边缘沉积物每年约有5 Tmol的生物硅转化为自生粘土矿物被埋藏。但是，关于深海沉积物中的生物硅早期成岩作用的了解还十分有限。我们对采集于马里亚纳海沟水深介于~5800至10954米的5根沉积物柱样开展生物硅含量、孔隙水硅酸含量（DSi）以及稳定硅同位素组成（δ³⁰Si）分析测试，并结合反应-运移模型，旨在定量揭示马里亚纳海沟沉积物Si循环过程。研究发现，沉积物岩性主要为棕色远洋粘土，其中MBR05和MBR06发现Ethmodiscus rex（E. rex）硅藻席沉积，海沟轴部MBR02虽未见硅藻席沉积，但生物硅含量仍可达20%，另外2根柱样沉积物均不含生物硅（MBR03和MBR04）。孔隙水δ³⁰Si和1/Si相关图显示3个含有生物硅的柱样均有自生粘土矿物形成的证据。E. rex硅质碎片溶解后，孔隙水δ³⁰Si应该呈现海水和E. rex的δ³⁰Si混合特征，但是由于自生粘土矿物形成优先利用²⁸Si，使得孔隙水δ³⁰Si升高。数值模拟结果表明，在生物硅含量较低和碎屑组分含量较高的海沟轴部站位（MBR02），生物硅溶解和自生粘土矿物形成的深度积分速率最高，表明沉积物中碎屑组分的多少控制了生物硅的早期成岩过程，这是因为沉积物自生粘土矿物形成不仅需要Si，还需要碎屑组分供应的金属阳离子（如Al、Fe等）。模拟结果还表明，约40-70%生物硅溶解的Si被自生粘土矿物形成捕获，有效促进了生物硅在沉积物中的转化和埋藏。研究成果升华了对深海/深渊沉积物Si以及相关元素循环的认识，为完善海洋Si收支提供重要数据支撑。
 

深渊海沟,硅循环