Serpentinisering
Serpentinisering är en hydrering och metamorf omvandling av ferromagnesiska mineraler, såsom olivin och pyroxen , i mafisk och ultramafisk sten för att producera serpentinit . Mineraler som bildas genom serpentinisering inkluderar serpentingruppens mineraler (antigorit, lizardit, krysotil), brucit , talk , Ni-Fe-legeringar och magnetit . Mineralförändringen är särskilt viktig vid havsbotten vid tektoniska plattgränser .
Bildning och petrologi
Serpentinisering är en form av lågtemperaturmetamorfism (0 till ~600 °C) av ferromagnesiska mineraler i mafiska och ultramafiska bergarter , såsom dunit , harzburgit eller lherzolit . Dessa är stenar med låg kiseldioxidhalt och består mestadels av olivin ( (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 ), pyroxen ( XY(Si,Al) 2 O 6 ) och kromit (ungefär FeCr 2 O 4 ). Serpentinisering drivs till stor del av hydratisering och oxidation av olivin och pyroxen till serpentingruppmineraler (antigorit, ödla och krysotil), brucit ( Mg(OH) 2 ), talk (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 och magnetit ( Fe 3 O 4 ) Under de ovanliga kemiska förhållanden som åtföljer serpentinisering är vatten oxidationsmedlet och reduceras i sig till väte, H
2. Detta leder till ytterligare reaktioner som producerar sällsynta järngrupps naturliga elementmineraler , såsom awaruit ( Ni
3 ). Fe ) och naturligt järn , metan och andra kolväteföreningar och vätesulfid .
Under serpentiniseringen absorberas stora mängder vatten i berget, vilket ökar volymen, minskar densiteten och förstör den ursprungliga strukturen. Densiteten ändras från 3,3 till 2,5 g/cm3 ( 0,119 till 0,090 lb/cu in) med en samtidig volymökning i storleksordningen 30-40%. Reaktionen är mycket exoterm och frigör upp till 40 kilojoule (9,6 kcal) per mol vatten som reagerar med berget, och bergtemperaturerna kan höjas med cirka 260 °C (500 °F), vilket ger en energikälla för bildning av icke- vulkaniska hydrotermiska ventiler . Väte, metan och vätesulfid som produceras under serpentinisering frigörs vid dessa ventiler och tillhandahåller energikällor för kemotrofa mikroorganismer i djuphavsområdet .
Bildning av serpentinmineraler
Olivin är en fast lösning av forsterit , magnesiumänddelen av (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 , och fayalit , järnänddelen , där forsterit typiskt utgör cirka 90 % av olivinen i ultramafiska bergarter. Serpentin kan bildas från olivin via flera reaktioner:
-
+ + 4 H
2 O →()
-
+ → +
()
Reaktion 1a binder kiseldioxid tätt och sänker dess kemiska aktivitet till de lägsta värdena som ses i vanliga bergarter i jordskorpan . Serpentinisering fortsätter sedan genom hydratisering av olivin för att ge serpentin och brucit (reaktion 1b). Blandningen av brucit och serpentin som bildas av reaktion 1b har den lägsta kiseldioxidaktiviteten i serpentiniten, så att brucitfasen är mycket viktig för att förstå serpentinisering. Emellertid blandas bruciten ofta in med serpentinen så att den är svår att identifiera förutom med röntgendiffraktion, och den förändras lätt under väderförhållanden på ytan.
En liknande uppsättning reaktioner involverar pyroxengruppmineraler :
-
+ + H
2 O →()
-
+ 3 H
2 O → +()
Reaktion 2a stannar snabbt när kiseldioxid blir otillgänglig och reaktion 2b tar över. När olivin är rikligt, sjunker kiseldioxidaktiviteten så lågt att talk börjar reagera med olivin:
-
+ + →
()
Denna reaktion kräver högre temperaturer än de vid vilka brucit bildas.
Den slutliga mineralogin beror både på sten- och vätskesammansättningar, temperatur och tryck. Antigorit bildas i reaktioner vid temperaturer som kan överstiga 600 °C (1 112 °F) under metamorfos, och det är serpentingruppens mineral som är stabilt vid de högsta temperaturerna. Lizardit och krysotil kan bildas vid låga temperaturer mycket nära jordens yta.
Nedbrytning av diopsid och bildning av rodingiter
Ultramafiska bergarter innehåller ofta kalciumrik pyroxen ( diopsid ), som bryts ner enligt reaktionen:
-
+ 6 H +
→ + 3 Ca 2+
+ H
2 O +()
Detta höjer både pH , ofta till mycket höga värden, och kalciumhalten i vätskorna som är involverade i serpentinisering. Dessa vätskor är mycket reaktiva och kan transportera kalcium och andra element till omgivande maffiska bergarter. Vätskereaktion med dessa stenar kan skapa metasomatiska reaktionszoner berikade på kalcium och utarmade på kiseldioxid, kallade rodingiter .
Bildning av magnetit och väte
I de flesta jordskorpan förhindras den kemiska aktiviteten av syre från att sjunka till mycket låga värden av fayalit-magnetit-kvarts (FMQ) buffert . Den mycket låga kemiska aktiviteten hos kiseldioxid under serpentinisering eliminerar denna buffert, vilket gör att serpentinisering ger mycket reducerande förhållanden. Under dessa förhållanden kan vatten oxidera järnjoner ( Fe 2+
) i fayalit. Processen är av intresse eftersom den genererar vätgas:
-
+ → + +
()
Studier av serpentiniter tyder dock på att järnmineraler först omvandlas till ferroanbrucit , det vill säga brucit som innehåller Fe(OH) 2 , som sedan genomgår Schikorr-reaktionen under serpentiniseringens anaeroba förhållanden:
-
→ + +
()
Maximala reducerande förhållanden och den maximala produktionshastigheten för väte inträffar när serpentiniseringstemperaturen är mellan 200 och 315 °C (392 och 599 °F) och när vätskor är undermättade med karbonat. Om den ursprungliga ultramafiska bergarten ( protoliten ) är peridotit, som är rik på olivin, produceras avsevärd magnetit och väte. När protoliten är pyroxenit, som innehåller mer pyroxen än olivin, produceras järnrik talk utan magnetit och endast blygsam väteproduktion. Infiltration av kiselhaltiga vätskor under serpentinisering kan undertrycka både bildningen av brucit och den efterföljande produktionen av väte.
Kromit som finns i protoliten kommer att förändras till kromrik magnetit vid lägre serpentineringstemperaturer. Vid högre temperaturer kommer den att förändras till järnrik kromit (ferrit-kromit). Under serpentiniseringen berikas berget med klor , bor , fluor och svavel. Svavel kommer att reduceras till vätesulfid och sulfidmineraler, även om betydande kvantiteter införlivas i serpentinmineraler, och en del kan senare återoxideras till sulfatmineraler såsom anhydrit . De producerade sulfiderna inkluderar nickelrika sulfider, såsom macinawite .
Metan och andra kolväten
Laboratorieexperiment har bekräftat att vid en temperatur på 300 °C (572 °F) och ett tryck på 500 bar serpentinerar olivin med frigörande av vätgas. Dessutom bildas metan och komplexa kolväten genom reduktion av koldioxid. Processen kan katalyseras av magnetit som bildas under serpentinisering. En reaktionsväg är:
-
+ + 26 H
2 O + CO
2 → + +()
Metamorfos vid högre tryck och temperatur
Lizardit och krysotil är stabila vid låga temperaturer och tryck, medan antigorit är stabila vid högre temperaturer och tryck. Dess närvaro i en serpentinit indikerar antingen att serpentinisering ägde rum vid ovanligt högt tryck och temperatur eller att bergarten upplevde högre grad av metamorfos efter att serpentiniseringen var fullständig.
Infiltration av CO 2 -bärande vätskor i serpentinit orsakar distinkt talk-karbonatförändring . Brucit omvandlas snabbt till magnesit och serpentinmineraler (andra än antigorit) omvandlas till talk. Närvaron av pseudomorfer av de ursprungliga serpentinitmineralerna visar att denna förändring sker efter serpentinisering.
Serpentinit kan innehålla klorit (ett fyllosilikatmineral ), tremolit (Ca 2 (Mg 5,0-4,5 Fe 2+ 0,0-0,5 ) Si 8 O 22 (OH) 2 ), och metamorf olivin och diopsid (kalciumrik pyroxen). Detta indikerar att serpentiniten har varit föremål för en mer intensiv metamorfism och nått de övre grönskivorna eller amfiboliternas metamorfa ansikten .
Över cirka 450 °C (842 °F) börjar antigorit att brytas ned. Serpentinit existerar alltså inte vid högre metamorfa facies.
Utomjordisk produktion av metan genom serpentinisering
Förekomsten av spår av metan i Mars atmosfär har antagits vara ett möjligt bevis för liv på Mars om metan producerades av bakteriell aktivitet. Serpentinisering har föreslagits som en alternativ icke-biologisk källa för de observerade metanspåren. År 2022 rapporterades att mikroskopisk undersökning av ALH 84001- meteoriten, som kom från Mars, visar att det organiska materialet den innehåller faktiskt bildades genom serpentinisering, inte genom livsprocesser.
Med hjälp av data från Cassini -sondens förbiflygningar som erhölls 2010–12 kunde forskare bekräfta att Saturnus måne Enceladus sannolikt har ett flytande vattenhav under sin frusna yta. En modell tyder på att havet på Enceladus har ett alkaliskt pH på 11–12. Det höga pH-värdet tolkas som en nyckelkonsekvens av serpentinisering av kondritisk bergart , vilket leder till generering av H
2 , en geokemisk energikälla som kan stödja både abiotisk och biologisk syntes av organiska molekyler.
Miljö för bildning
Serpentinisering sker vid åsar i mitten av havet , i subduktionszonernas frammantel , i ofiolitpaket och vid ultramafiska intrång .
Åsar i mitten av havet
Förhållandena är mycket gynnsamma för serpentinisering vid långsamt till ultralångsamt spridande medelhavsryggar. Här är graden av jordskorpans utbredning hög jämfört med volymen av magmatism, vilket för ultramafisk mantelbergart mycket nära ytan där sprickbildning tillåter havsvatten att infiltrera berget.
Serpentinisering vid långsamt spridande medelhavsryggar kan orsaka att den seismiska Moho-diskontinuiteten placeras vid serpentiniseringsfronten, snarare än vid basen av jordskorpan enligt normala petrologiska kriterier. Lanzo-massivet i de italienska alperna visar en skarp serpentiniseringsfront som kan vara en relikt seismisk Moho.
Subduktionszoner
Förarmantel
Serpentinisering är ett viktigt fenomen i subduktionszoner som har en stark kontroll över vattencykeln och geodynamiken i en subduktionszon. Här kyls mantelberget av den subducerande plattan till temperaturer vid vilka serpentiniten är stabil och vätskor frigörs från den subducerande plattan i stora mängder in i den ultramafiska mantelstenen. Direkta bevis för att serpentinisering äger rum i Mariana Islands öbåge tillhandahålls av aktiviteten hos serpentinit- lervulkaner . Xenoliter av harzburgit och (mindre vanligt) dunit utbryts ibland av lervulkanerna, vilket ger ledtrådar till protolitens natur.
Eftersom serpentinisering ökar volymen och sänker densiteten av den ursprungliga bergarten, kan serpentinisering leda till upphöjning som skapar kustområden ovanför mantelförearken. Ytterligare upplyftning kan föra serpentiniten till ytan när subduktionen upphör, vilket har ägt rum med serpentiniten exponerad vid Presidio i San Francisco .
Serpentiniserad ultramafisk sten finns i många ofioliter . Ofioliter är fragment av oceanisk litosfär som har skjutits upp på kontinenter, en process som kallas obduktion . De består typiskt av ett lager av serpentiniserad harzburgite (kallad ibland alpin peridotite i äldre skrifter), ett lager av hydrotermiskt förändrade diabaser och kuddebasalter och ett lager av djupt vattensediment som innehåller radiolariskt band chert .
Implikationer
Begränsning av jordbävningsdjup
Seismiska vågstudier kan detektera förekomsten av stora kroppar av serpentinit i skorpan och den övre manteln, eftersom serpentinisering har en enorm inverkan på skjuvvågshastigheten . En högre grad av serpentinisering kommer att leda till lägre skjuvvågshastighet och högre Poissons förhållande . Seismiska mätningar bekräftar att serpentinisering är genomträngande i frammanteln. Serpentiniseringen kan producera en inverterad Moho-diskontinuitet , där den seismiska hastigheten abrupt minskar över gränsen mellan skorpan och manteln, vilket är motsatsen till det vanliga beteendet. Serpentiniten är mycket deformerbar, vilket skapar en aseismisk zon i förarken, där serpentiniterna glider med stabil platthastighet. Närvaron av serpentinit kan begränsa det maximala djupet för jordbävningar i megathrust eftersom de hindrar brott i förarkmanteln.
Se även
externa länkar
- [1] The Lost City hydrotermiska fältet, Mid-Atlantic Ridge : serpentinisering, systemets drivkraft.
- H 2 -rika vätskor från serpentinisering: Geokemiska och biotiska implikationer: Proceedings of the National Academy of Sciences .