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] Минеральные изменения особенно важны на морском дне на границах тектонических плит . [3] [4]
Серпентинизация — это форма низкотемпературного (от 0 до ~600 °C) [5] метаморфизма железомагнезиальных минералов в основных и ультраосновных породах, таких как дунит , гарцбургит или лерцолит . Это породы с низким содержанием кремнезема , состоящие преимущественно из оливина ( (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 ), пироксена ( XY(Si,Al) 2 O 6 ) и хромита (примерно FeCr 2 O 4 ). Серпентинизация обусловлена главным образом гидратацией и окислением оливина и пироксена до минералов группы серпентина (антигорит, лизардит и хризотил), брусита ( Mg(OH) 2 ), талька ( Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ) и магнетита. ( Фе 3 О 4 ). [2] В необычных химических условиях, сопровождающих серпентинизацию, вода является окислителем и сама восстанавливается до водорода, H.
2. Это 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]
При серпентинизации большое количество воды впитывается в породу, увеличивая объем, уменьшая плотность и разрушая первоначальную структуру. [7] Плотность изменяется от 3,3 до 2,5 г/см 3 (от 0,119 до 0,090 фунт/куб.дюйм) с одновременным увеличением объема порядка 30-40%. [8] Реакция сильно экзотермична , выделяя до 40 килоджоулей (9,6 ккал) на моль воды, реагирующей с породой, а температура породы может повышаться примерно на 260 °C (500 °F), [9] [10] обеспечение источника энергии для образования невулканических гидротермальных источников . [11] Водород, метан и сероводород, образующиеся в ходе серпентинизации, высвобождаются в этих жерлах и служат источниками энергии для глубоководных хемотрофных микроорганизмов . [12] [9]
Оливин представляет собой твердый раствор форстерита , магниевого концевого члена (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 , и фаялита , железного концевого члена, при этом форстерит обычно составляет около 90% оливина в ультраосновных породах. [13] Серпентин может образовываться из оливина посредством нескольких реакций:
Реакция 1а прочно связывает кремнезем, снижая его химическую активность до самых низких значений, наблюдаемых в обычных породах земной коры . [14] Затем серпентинизация продолжается за счет гидратации оливина с образованием серпентина и брусита (реакция 1b). [15] Смесь брусита и серпентина, образующаяся в результате реакции 1b, имеет самую низкую активность кремнезема 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 дифракции рентгеновских лучей , и он легко изменяется в условиях поверхностного выветривания. [16]
В аналогичном наборе реакций участвуют минералы группы пироксена :
Реакция 2а быстро останавливается, поскольку кремнезем становится недоступным, и наступает реакция 2б. [17] Когда оливина много, активность кремнезема падает настолько низко, что тальк начинает реагировать с оливином:
Эта реакция требует более высоких температур, чем те, при которых образуется брусит. [16]
Окончательный минералогический состав зависит как от состава породы, так и от состава флюидов, температуры и давления. Антигорит образуется в результате реакций 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 обладают высокой реакционной способностью и могут переносить кальций и другие элементы в окружающие основные породы. Реакция флюида с этими породами может создать зоны метасоматической реакции, обогащенные кальцием и обедненные кремнеземом, называемые родингитами . [19]
В большинстве пород земной коры химическая активность кислорода предотвращается от падения до очень низких значений с помощью буфера фаялита-магнетита-кварца (FMQ) . [20] Очень низкая химическая активность кремнезема во время серпентинизации устраняет этот буфер, позволяя серпентинизации создавать сильно восстановительные условия. [14] В этих условиях вода способна окислять железо ( Fe2+
) ионы в фаялите. Этот процесс представляет интерес, поскольку в нем образуется газообразный водород: [1] [21] [22]
Однако исследования серпентинитов позволяют предположить, что минералы железа сначала превращаются в железистый 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 возникают, когда температура серпентинизации находится между 200 и 315 ° C (392 и 599 ° F) [26] и когда флюиды недонасыщены карбонатами. [1] Если исходная ультраосновная порода ( протолит ) представляет собой перидотит, богатый оливином, образуется значительное количество магнетита и водорода. Когда протолит представляет собой пироксенит, который содержит больше пироксена, чем оливина, образуется богатый железом тальк без магнетита и с лишь умеренным производством водорода. Инфильтрация кремнеземсодержащих флюидов при серпентинизации может подавлять как образование брусита, так и последующую продукцию водорода. [27]
Хромит, присутствующий в протолите, будет изменен на богатый хромом магнетит при более низких температурах серпентинизации. При более высоких температурах он превращается в 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 включены в серпентиновые минералы, а некоторые из них могут позже повторно окисляться до сульфатных минералов, таких как ангидрит . [29] Производимые 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, за счет восстановления углекислого газа образуются метан и сложные углеводороды. Катализатором процесса может быть магнетит, образующийся при серпентинизации. [6] Один из путей реакции: [24]
Лизардит и хризотил стабильны при низких температурах и давлениях, а антигорит стабилен при более высоких температурах и давлениях. [31] Его присутствие в серпентините указывает либо на то, что серпентинизация произошла при необычно высоком давлении и температуре, либо на то, что порода подверглась метаморфизму более высокой степени после завершения серпентинизации. [2]
Инфильтрация CO 2 -содержащих флюидов в серпентинит вызывает характерные тальк-карбонатные изменения . [32] Брусит быстро превращается в магнезит , а серпентиновые минералы (кроме антигорита) превращаются в тальк. Наличие псевдоморфоз исходных минералов серпентинита показывает, что это изменение происходит после серпентинизации. [2]
Серпентинит может содержать хлорит ( филосиликатный минерал), тремолит (Ca 2 (Mg 5,0-4,5 Fe 2+ 0,0-0,5 )Si 8 O 22 (OH) 2 ), 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]
При температуре выше 450 ° C (842 ° F) антигорит начинает разрушаться. Таким образом, серпентинит не существует в фациях более высокого метаморфизма. [12]
Было высказано предположение, что наличие следов метана в атмосфере Марса может быть возможным свидетельством существования жизни на Марсе , если метан был произведен в результате деятельности бактерий . Серпентинизация была предложена в качестве альтернативного небиологического источника наблюдаемых следов метана. [33] [34] В 2022 году сообщалось, что микроскопическое исследование метеорита ALH 84001 , прибывшего с Марса, показывает, что действительно содержащееся в нем органическое вещество образовалось в результате серпентинизации, а не в результате жизненных процессов. [35] [36]
Используя данные пролетов зонда Кассини , полученные в 2010–2012 годах, ученые смогли подтвердить, что спутник Сатурна Энцелад, вероятно, имеет океан с жидкой водой под своей замерзшей поверхностью. Модель предполагает, что океан на Энцеладе имеет щелочной pH 11–12. [37] Высокий pH интерпретируется как ключевое последствие серпентинизации хондритовой породы , которая приводит к образованию H
2, геохимический источник энергии, который может поддерживать как абиотический, так и биологический синтез органических молекул. [37] [38]
Серпентинизация происходит на срединно-океанических хребтах , в преддуговой мантии зон субдукции , в офиолитовых пачках и в ультраосновных интрузиях. [3] [4]
Условия весьма благоприятны для серпентинизации срединно-океанических хребтов медленного и сверхмедленного спрединга. [8] Здесь скорость расширения земной коры высока по сравнению с объемом магматизма, в результате чего ультраосновные мантийные породы очень близко подходят к поверхности, где трещиноватость позволяет морской воде проникать в породу. [11]
Серпентинизация на медленно спрединговых срединно-океанических хребтах может привести к тому, что сейсмический разрыв Мохо будет располагаться на фронте серпентинизации, а не в основании коры, как это определяется обычными петрологическими критериями. [39] [8] Массив Ланцо в итальянских Альпах демонстрирует резкий фронт серпентинизации, который может быть реликтовым сейсмическим Мохо. [40]
Серпентинизация - важное явление в зонах субдукции, которое сильно влияет на круговорот воды и геодинамику зоны субдукции. [41] Здесь мантийная порода охлаждается погружающейся плитой до температур, при которых серпентинит стабилен, и жидкости высвобождаются из погружающейся плиты в больших количествах в ультраосновную мантийную породу. [41] Прямым свидетельством того, что в островной дуге Марианских островов происходит серпентинизация, является деятельность серпентинитовых грязевых вулканов . Ксенолиты гарцбургита и (реже) дунита иногда извергаются грязевыми вулканами, что дает ключ к разгадке природы протолита. [42]
Поскольку серпентинизация снижает плотность исходной породы, серпентинизация может привести к поднятию или эксгумации серпентинитов на поверхность, как это произошло с серпентинитом, обнаженным в Президио Сан-Франциско после прекращения субдукции. [43]
Серпентинизированные ультраосновные породы встречаются во многих офиолитах . Офиолиты — это фрагменты океанической литосферы , которые были выброшены на континенты (процесс, называемый обдукцией) . [44] Они обычно состоят из слоя серпентинизированного гарцбургита (иногда называемого альпийским перидотитом в более старых работах), слоя гидротермально измененных диабазов и подушечных базальтов , а также слоя глубоководных отложений, содержащих радиоляриевые ленточные кремни . [45]
Исследования сейсмических волн могут обнаружить наличие крупных тел серпентинита в земной коре и верхней мантии, поскольку серпентинизация оказывает огромное влияние на скорость поперечных волн . Более высокая степень серпентинизации приведет к более низкой скорости поперечной волны и более высокому коэффициенту Пуассона . [46] Сейсмические измерения подтверждают, что серпентинизация широко распространена в преддуговой мантии. [47] Серпентинизация может привести к инвертированному разрыву Мохо , при котором сейсмическая скорость резко уменьшается на границе коры и мантии, что является противоположностью обычного поведения. Серпентинит сильно деформируется, создавая асейсмическую зону в преддуге, по которой серпентиниты скользят со стабильной скоростью плиты. Присутствие серпентинита может ограничивать максимальную глубину меганадвиговых землетрясений , поскольку они препятствуют прорыву в преддуговую мантию. [46]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )