Серпентинизация — это гидратация и метаморфическое преобразование ферромагнезиальных минералов, таких как оливин и пироксен , в основных и ультраосновных породах с образованием серпентинита . [1] Минералы, образующиеся в результате серпентинизации, включают минералы группы серпентина ( антигорит , лизардит , хризотил ), брусит , тальк , сплавы Ni-Fe и магнетит . [1] [2] Изменение минералов особенно важно на морском дне на границах тектонических плит . [3] [4]
Серпентинизация — это форма низкотемпературного (от 0 до ~600 °C) [5] метаморфизма ферромагнезиальных минералов в основных и ультраосновных породах , таких как дунит , гарцбургит или лерцолит . Это породы с низким содержанием кремнезема , состоящие в основном из оливина ( (Mg2 + , Fe2 +)2SiO4 ) , пироксена ( XY(Si,Al)2O6) и хромита ( приблизительно FeCr2O4 ) . Серпентинизация в основном обусловлена гидратацией и окислением оливина и пироксена до минералов группы серпентина ( антигорита , лизардита и хризотила), брусита ( Mg(OH) 2 ) , талька ( Mg3Si4O10 ( OH ) 2 ) и магнетита ( Fe3O4 ). [2] В необычных химических условиях, сопровождающих серпентинизацию, вода является окислителем и сама восстанавливается до водорода H
2Это приводит к дальнейшим реакциям, в результате которых образуются редкие минералы самородных элементов группы железа , такие как аваруит ( Ni
3Fe ) и самородное железо ; метан и другие углеводородные соединения; и сероводород . [1] [6]
В процессе серпентинизации большие объемы воды поглощаются породой, что приводит к увеличению объема, снижению плотности и разрушению исходной структуры. [7] Плотность изменяется от 3,3 до 2,5 г/см3 ( от 0,119 до 0,090 фунта/куб. дюйм) с одновременным увеличением объема порядка 30-40%. [8] Реакция является сильно экзотермической , выделяя до 40 килоджоулей (9,6 ккал) на моль воды, реагирующей с породой, а температура породы может быть повышена примерно на 260 °C (500 °F), [9] [10] обеспечивая источник энергии для образования невулканических гидротермальных источников . [11] Водород, метан и сероводород, образующиеся в процессе серпентинизации, высвобождаются в этих источниках и обеспечивают источники энергии для глубоководных хемотрофных микроорганизмов . [12] [9]
Оливин представляет собой твердый раствор форстерита , магниевого конечного элемента (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 , и фаялита , железного конечного элемента, причем форстерит обычно составляет около 90% оливина в ультраосновных породах. [13] Серпентин может образовываться из оливина посредством нескольких реакций:
Реакция 1a прочно связывает кремний, снижая его химическую активность до самых низких значений, наблюдаемых в обычных породах земной коры . [14] Затем серпентинизация продолжается посредством гидратации оливина с образованием серпентина и брусита (реакция 1b). [15] Смесь брусита и серпентина, образованная реакцией 1b, имеет самую низкую активность кремния в серпентините , поэтому фаза брусита очень важна для понимания серпентинизации. [14] Однако брусит часто смешивается с серпентином, так что его трудно идентифицировать, кроме как с помощью рентгеновской дифракции , и он легко изменяется в условиях поверхностного выветривания. [16]
Похожий набор реакций включает минералы группы пироксенов :
Реакция 2a быстро останавливается, поскольку кремний становится недоступным, и на смену ему приходит реакция 2b. [17] Когда оливина много, активность кремния падает настолько, что тальк начинает реагировать с оливином:
Эта реакция требует более высоких температур, чем те, при которых образуется брусит. [16]
Окончательная минералогия зависит как от состава горной породы, так и от состава флюида, температуры и давления. Антигорит образуется в реакциях при температурах, которые могут превышать 600 °C (1112 °F) во время метаморфизма, и это минерал группы серпентина, стабильный при самых высоких температурах. Лизардит и хризотил могут образовываться при низких температурах очень близко к поверхности Земли. [18]
Ультраосновные породы часто содержат богатый кальцием пироксен ( диопсид ), который распадается по реакции:
Это повышает как pH , часто до очень высоких значений, так и содержание кальция в жидкостях, участвующих в серпентинизации. Эти жидкости очень реактивны и могут переносить кальций и другие элементы в окружающие основные породы. Реакция жидкости с этими породами может создавать метасоматические реакционные зоны, обогащенные кальцием и обедненные кремнеземом, называемые родингитами . [19]
В большинстве пород земной коры химическая активность кислорода не падает до очень низких значений благодаря буферу фаялит-магнетит-кварц (FMQ) . [20] Очень низкая химическая активность кремнезема во время серпентинизации устраняет этот буфер, позволяя серпентинизации создавать высоковосстановительные условия . [14] В этих условиях вода способна окислять железо ( Fe2+
) ионов в фаялите. Процесс интересен тем, что он генерирует водород: [1] [21] [22]
Однако исследования серпентинитов показывают, что железные минералы сначала преобразуются в ферроан брусит, то есть брусит, содержащий Fe(OH) 2 , [23] , который затем подвергается реакции Шикорра в анаэробных условиях серпентинизации: [24] [25]
Максимальные восстановительные условия и максимальная скорость производства водорода достигаются, когда температура серпентинизации составляет от 200 до 315 °C (от 392 до 599 °F) [26] и когда флюиды недосыщены карбонатом. [1] Если исходная ультраосновная порода ( протолит ) представляет собой перидотит, богатый оливином, образуется значительное количество магнетита и водорода. Если протолит представляет собой пироксенит, содержащий больше пироксена, чем оливина, образуется богатый железом тальк без магнетита и с небольшим производством водорода. Инфильтрация кремнеземсодержащих флюидов во время серпентинизации может подавить как образование брусита, так и последующее производство водорода. [27]
Хромит, присутствующий в протолите, будет изменен на богатый хромом магнетит при более низких температурах серпентинизации. При более высоких температурах он будет изменен на богатый железом хромит (феррит-хромит). [28] Во время серпентинизации порода обогащается хлором , бором , фтором и серой. Сера будет восстановлена до сероводорода и сульфидных минералов, хотя значительные количества включаются в серпентиновые минералы, и некоторые из них могут позже быть повторно окислены до сульфатных минералов, таких как ангидрит . [29] Образующиеся сульфиды включают богатые никелем сульфиды, такие как макинавит . [30]
Лабораторные эксперименты подтвердили, что при температуре 300 °C (572 °F) и давлении 500 бар оливин серпентинизируется с выделением газообразного водорода. Кроме того, в результате восстановления углекислого газа образуются метан и сложные углеводороды. Процесс может катализироваться магнетитом, образующимся в процессе серпентинизации. [6] Один из путей реакции: [24]
Лизардит и хризотил стабильны при низких температурах и давлениях, тогда как антигорит стабилен при более высоких температурах и давлении. [31] Его присутствие в серпентините указывает либо на то, что серпентинизация происходила при необычно высоком давлении и температуре, либо на то, что порода претерпела более высокий уровень метаморфизма после завершения серпентинизации. [2]
Инфильтрация CO 2 -содержащих флюидов в серпентинит вызывает характерные тальк-карбонатные изменения . [32] Брусит быстро преобразуется в магнезит , а серпентиновые минералы (кроме антигорита) преобразуются в тальк. Наличие псевдоморфоз исходных серпентинитовых минералов показывает, что это изменение происходит после серпентинизации. [2]
Серпентинит может содержать хлорит ( филлосиликатный минерал), тремолит (Ca2 ( Mg5,0-4,5Fe2 + 0,0-0,5 ) Si8O22 ( OH) 2 ), а также метаморфический оливин и диопсид (богатый кальцием пироксен). Это указывает на то , что серпентинит подвергся более интенсивному метаморфизму, достигнув верхней зеленосланцевой или амфиболитовой метаморфической фации . [2]
Выше примерно 450 °C (842 °F) антигорит начинает разрушаться. Таким образом, серпентинит не существует в более высоких метаморфических фациях. [12]
Наличие следов метана в атмосфере Марса было выдвинуто в качестве гипотезы о возможном доказательстве жизни на Марсе, если метан был произведен бактериальной активностью. Серпентинизация была предложена в качестве альтернативного небиологического источника наблюдаемых следов метана. [33] [34] В 2022 году сообщалось, что микроскопическое исследование метеорита ALH 84001 , прилетевшего с Марса, показывает, что действительно органическое вещество, которое он содержит, было образовано серпентинизацией, а не жизненными процессами. [35] [36]
Используя данные, полученные в ходе пролетов зонда Кассини в 2010–2012 годах, ученые смогли подтвердить, что у спутника Сатурна Энцелада, вероятно, есть жидкий водный океан под его замерзшей поверхностью. Модель предполагает, что океан на Энцеладе имеет щелочной pH 11–12. [37] Высокий pH интерпретируется как ключевое следствие серпентинизации хондритовой породы , что приводит к образованию H
2, геохимический источник энергии, который может поддерживать как абиотический, так и биологический синтез органических молекул. [37] [38]
Серпентинизация происходит в срединно-океанических хребтах , в преддуговой мантии зон субдукции , в офиолитовых пакетах и в ультраосновных интрузиях. [3] [4]
Условия весьма благоприятны для серпентинизации в медленно и сверхмедленно спредингующих срединно-океанических хребтах. [8] Здесь скорость расширения земной коры высока по сравнению с объемом магматизма, в результате чего ультрамафические мантийные породы располагаются очень близко к поверхности, где трещины позволяют морской воде просачиваться в породу. [11]
Серпентинизация в медленно расширяющихся срединно-океанических хребтах может привести к тому, что сейсмический разрыв Мохоровичича будет помещен на фронт серпентинизации, а не на основание коры, как это определено обычными петрологическими критериями. [39] [8] Массив Ланцо в Итальянских Альпах демонстрирует резкий фронт серпентинизации, который может быть реликтовым сейсмическим разрывом Мохоровичича. [40]
Серпентинизация является важным явлением в зонах субдукции, которое имеет сильный контроль над водным циклом и геодинамикой зоны субдукции. [41] Здесь мантийная порода охлаждается субдуцирующей плитой до температур, при которых серпентинит стабилен, и флюиды высвобождаются из субдуцирующей плиты в больших количествах в ультрамафическую мантийную породу. [41] Прямым доказательством того, что серпентинизация происходит в островной дуге Марианских островов , является активность серпентинитовых грязевых вулканов . Ксенолиты гарцбургита и (реже) дунита иногда извергаются грязевыми вулканами, что дает подсказки о природе протолита. [42]
Поскольку серпентинизация снижает плотность исходной породы, серпентинизация может привести к поднятию или выходу серпентинитов на поверхность, как это произошло с серпентинитом, обнажившимся в Пресидио Сан-Франциско после прекращения субдукции. [43]
Серпентинизированные ультраосновные породы встречаются во многих офиолитах . Офиолиты представляют собой фрагменты океанической литосферы , которая была надвинута на континенты, этот процесс называется обдукцией . [44] Обычно они состоят из слоя серпентинизированного гарцбургита (иногда называемого альпийским перидотитом в старых работах), слоя гидротермально измененных диабазов и подушечных базальтов , а также слоя глубоководных осадков, содержащих радиоляриевый ленточный кремень . [45]
Исследования сейсмических волн могут обнаружить присутствие крупных тел серпентинита в коре и верхней мантии, поскольку серпентинизация оказывает огромное влияние на скорость сдвиговой волны . Более высокая степень серпентинизации приведет к более низкой скорости сдвиговой волны и более высокому коэффициенту Пуассона . [46] Сейсмические измерения подтверждают, что серпентинизация широко распространена в мантии преддуги. [47] Серпентинизация может создавать перевернутую границу Мохоровичича , в которой сейсмическая скорость резко уменьшается на границе кора-мантия, что является противоположностью обычному поведению. Серпентинит сильно деформируется, создавая асейсмическую зону в преддуге, в которой серпентиниты скользят со стабильной скоростью плиты. Присутствие серпентинита может ограничивать максимальную глубину мегавзрывных землетрясений , поскольку они препятствуют разрыву в мантию преддуги. [46]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )