Serpentinite - Serpentinite
Serpentinite er en stein som består av ett eller flere mineraler fra serpentinegruppen , navnet stammer fra likheten mellom steinens tekstur og huden på en slange. Mineraler i denne gruppen, som er rike på magnesium og vann, lys til mørkegrønn, fet utseende og glatt følelse, dannes ved serpentinisering , hydrering og metamorf transformasjon av ultramafisk stein fra jordens mantel . Den mineral endringen er spesielt viktig i havbunnen ved tektoniske plategrenser.
Dannelse og petrologi
Serpentinization er en form av lav-temperatur metamorfose av ultramafic bergarter, slik som dunitt , harzburgite , eller lherzolite . Dette er bergarter som er lave på silika og hovedsakelig består av olivin , pyroksen og kromitt . Serpentinering drives hovedsakelig av hydrering og oksidasjon av olivin og pyroksen til serpentinmineraler , brucitt og magnetitt . Under de uvanlige kjemiske forholdene som følger med serpentinisering, er vann oksidasjonsmiddelet, og reduseres selv til hydrogen, H
2. Dette fører til ytterligere reaksjoner som produserer sjelden jerngruppe opprinnelige element mineraler , slik som awaruitt ( Ni
3Fe ) og innfødt jern ; metan og andre hydrokarbonforbindelser ; og hydrogensulfid .
Under serpentinisering absorberes store mengder vann i berget, noe som øker volumet, reduserer tettheten og ødelegger den opprinnelige strukturen. Tettheten endrer seg fra 3,3 til 2,5 g / cm 3 (0,119 til 0,090 Ib / cu in) med samtidig volumøkning i størrelsesorden 30-40%. Reaksjonen er svært eksoterm og bergtemperaturer kan økes med omtrent 260 ° C (500 ° F), noe som gir en energikilde for dannelse av ikke-vulkanske hydrotermiske ventiler . Den hydrogen, metan og hydrogensulfid som dannes under serpentinization frigis ved disse ventiler og gir energikilder for deep sea kjemotrof mikroorganismer .
Den endelige mineralsammensetningen av serpentinitt er vanligvis dominert av lizarditt , krysotil og magnetitt. Brucitt og antigoritt er mindre vanlig. Lizarditt, krysotil og antigoritt er serpentinske mineraler. Tilbehørsmineraler, tilstede i små mengder, inkluderer awaruite, andre innfødte metallmineraler og sulfidmineraler .
Dannelse av serpentinmineraler
Olivin er en fast oppløsning av forsteritt , det magnesium -endmember, og fayalitt , den jern -endmember, med forsteritt typisk som utgjør omtrent 90% av olivin i ultramafic bergarter. Serpentinitt kan dannes fra olivin via flere reaksjoner:
-
+ + 4 H
2O →( Reaksjon 1a )
-
+ → +
( Reaksjon 1b )
Reaksjon 1a binder silika tett og reduserer den kjemiske aktiviteten til de laveste verdiene som er sett i vanlige bergarter på jordskorpen . Serpentinisering fortsetter deretter gjennom hydrering av olivin for å gi serpentin og brucitt (reaksjon 1b). Blandingen av brucitt og serpentin dannet ved reaksjon 1b har den laveste silikaaktiviteten i serpentinitten, slik at brucittfasen er svært viktig for å forstå serpentinisering. Brucitten blandes imidlertid ofte inn med slangen slik at det er vanskelig å identifisere bortsett fra røntgendiffraksjon , og den kan lett endres under overflateforvitringsforhold.
En lignende reaksjonspakke involverer mineraler fra pyroksen -gruppen:
-
+ + H
2O →( Reaksjon 2a )
-
+ 3 H
2O → +( Reaksjon 2b )
Reaksjon 2a stopper raskt ettersom silika blir utilgjengelig, og reaksjon 2b tar over. Når olivin er rikelig, synker silisiumaktiviteten lavt nok til at talk begynner å reagere med olivin:
-
+ + →
( Reaksjon 3 )
Denne reaksjonen krever høyere temperaturer enn de der brucitt dannes.
Den siste mineralogien avhenger både av stein- og væskesammensetninger, temperatur og trykk. Antigoritt dannes i reaksjoner ved temperaturer som kan overstige 600 ° C (1.112 ° F) under metamorfisme, og det er serpentingruppens mineralstabil ved de høyeste temperaturene. Lizarditt og krysotil kan dannes ved lave temperaturer veldig nær jordoverflaten.
Nedbrytning av diopsid og dannelse av rodingitter
Ultramafiske bergarter inneholder ofte kalsiumrikt pyroksen ( diopsid ), som brytes ned i henhold til reaksjonen
-
+ 6 H+
→ + 3 Ca2+
+ H
2O +( Reaksjon 4 )
Dette øker både pH , ofte til svært høye verdier, og kalsiuminnholdet i væskene som er involvert i serpentinisering. Disse væskene er svært reaktive og kan transportere kalsium og andre elementer til omkringliggende mafiske bergarter. Væskereaksjon med disse bergartene kan skape metasomatiske reaksjonssoner beriket med kalsium og utarmet i silika, kalt rodingitter .
Dannelse av magnetitt og hydrogen
I de fleste jordskorper hindres oksygenets kjemiske aktivitet i å falle til svært lave verdier av fayalitt-magnetitt-kvarts (FMQ) buffer . Den meget lave kjemiske aktiviteten til silika under serpentinisering eliminerer denne bufferen, slik at serpentinisering kan gi sterkt reduserende forhold. Under disse forholdene er vann i stand til å oksidere jern ( Fe2+
) ioner i fayalitt. Prosessen er av interesse fordi den genererer hydrogengass:
-
+ → + +
( Reaksjon 5 )
Studier av serpentinitter tyder imidlertid på at jernmineraler først omdannes til ferroan brucite, Fe (OH)
2, som deretter gjennomgår Schikorr -reaksjonen under de anaerobe serpentiniseringsbetingelsene:
-
→ + +
( Reaksjon 6 )
Maksimale reduserende betingelser og maksimal produksjonshastighet for hydrogen oppstår når serpentiniseringstemperaturen er mellom 200 og 315 ° C (392 og 599 ° F). Hvis den opprinnelige ultramafiske bergarten ( protolitten ) er peridotitt, som er rik på olivin, produseres det betydelig magnetitt og hydrogen. Når protolitten er pyroksenitt, som inneholder mer pyroksen enn olivin, produseres jernrik talkum uten magnetitt og bare beskjeden hydrogenproduksjon. Infiltrasjon av silisiumholdige væsker under serpentinisering kan undertrykke både dannelse av brucitt og den påfølgende produksjonen av hydrogen.
Krom som finnes i protolitten vil bli endret til kromrik magnetitt ved lavere serpentineringstemperaturer. Ved høyere temperaturer vil den bli endret til jernrik krom (ferrit-kromitt). Under serpentinering er berget beriket med klor , bor , fluor og svovel. Svovel vil reduseres til hydrogensulfid og sulfidmineraler, selv om betydelige mengder er inkorporert i serpentinmineraler, og noen kan senere bli oksidert til sulfatmineraler som anhydrit . Sulfidene som produseres inkluderer nikkelrike sulfider, slik som mackinawite .
Metan og andre hydrokarboner
Laboratorieforsøk har bekreftet at olivin serpentiniserer ved frigjøring av hydrogengass ved en temperatur på 300 ° C (572 ° F) og et trykk på 500 bar. I tillegg dannes metan og komplekse hydrokarboner gjennom reduksjon av karbondioksid. Prosessen kan katalyseres av magnetitt dannet under serpentinisering. En reaksjonsvei er:
-
+ + 26 H
2O + CO
2 → + +( Reaksjon 7 )
Metamorfisme ved høyere trykk og temperatur
Lizarditt og krysotil er stabile ved lave temperaturer og trykk, mens antigoritt er stabilt ved høyere temperaturer og trykk. Tilstedeværelsen i en serpentinitt indikerer enten at serpentinisering fant sted ved uvanlig høyt trykk og temperatur eller at berget opplevde metamorfisme av høyere kvalitet etter at serpentiniseringen var fullført.
Infiltrasjon av CO2-bærende væsker i serpentinitt forårsaker karakteristisk talk-karbonatendring . Brucite konverterer raskt til magnesitt og serpentinmineraler (andre enn antigoritt) omdannes til talkum. Tilstedeværelsen av pseudomorfer av de opprinnelige serpentinittmineralene viser at denne endringen finner sted etter serpentinisering.
Serpentinitt kan inneholde kloritt , tremolitt og metamorf olivin og diopsid. Dette indikerer at serpentinitten har vært utsatt for mer intens metamorfisme og nådd de øvre greenschist- eller amfibolittmetamorfe ansiktene .
Over 450 ° C (842 ° F) begynner antigoritt å bryte ned. Dermed eksisterer ikke serpentinitt ved høyere metamorfe fasier.
Utenomjordisk produksjon av metan ved serpentinisering
Tilstedeværelsen av spor av metan i Mars -atmosfæren har blitt antatt å være et mulig bevis for liv på Mars hvis metan ble produsert av bakteriell aktivitet. Serpentinisering har blitt foreslått som en alternativ ikke-biologisk kilde for de observerte metansporene.
Ved å bruke data fra Cassini -sondeflybys innhentet i 2010–12, kunne forskere bekrefte at Saturns måne Enceladus sannsynligvis har et flytende vannhav under den frosne overflaten. En modell antyder at havet på Enceladus har en alkalisk pH på 11–12. Den høye pH tolkes som en viktig konsekvens av serpentinisering av kondritisk bergart , som fører til generering av H
2, en geokjemisk energikilde som kan støtte både abiotisk og biologisk syntese av organiske molekyler.
Hendelse
Serpentinitt kan dannes overalt hvor ultramafisk stein infiltreres av væsker som er fattige i karbondioksid. Dette skjer ved midthavsrygger og i forkantmantelen til subduksjonssoner .
Forholdene er svært gunstige for serpentinisering ved langsomme til ultralette spredning av midthavsrygger. Her er hastigheten på skorpeforlengelsen høy sammenlignet med volumet av magmatisme, noe som bringer ultramafisk mantelberg veldig nær overflaten der brudd gjør at sjøvann kan infiltrere berget.
Serpentinisert ultramafisk stein finnes i mange ofiolitter . Ophiolitter er fragmenter av oseanisk litosfære som har blitt presset ut på kontinenter, en prosess som kalles obduksjon . De består vanligvis av et lag av serpentinized harzburgite (noen ganger kalt alpine peridotite i eldre skrifter), et lag av hydrotermisk endrede diabases og pute basalter , og et lag av dypvanns sedimenter som inneholder radiolarier bånd chert .
Serpentinisering er nesten total i forkantmantelen til subduksjonssoner. Her blir mantelberg avkjølt av subduksjonsplaten til temperaturer der serpentinitt er stabilt, og væsker frigjøres fra subduksjonsplaten i store mengder til den ultramafiske mantelbergarten. Direkte bevis på at serpentinisering finner sted på øya Mariana Islands er gitt av aktiviteten til serpentinitt gjørme vulkaner . Xenolitter av harzburgitt og (mindre vanlig) dunitt blir av og til utbrudd av gjørmevulkanene, noe som gir ledetråder til protolittens natur.
Fordi serpentinisering øker volumet og senker tettheten til den opprinnelige bergarten, kan serpentinisering føre til heving som skaper kystområder over mantelforearker. Ytterligere løft kan bringe serpentinitt til overflaten når subduksjon opphører, slik det har skjedd med serpentinitten avslørt ved Presidio i San Francisco .
Seismiske bølgestudier kan påvise tilstedeværelsen av store serpentinittlegemer i skorpen og øvre kappe, siden serpentinisering senker seismiske bølgehastigheter. Dette gjelder spesielt S -bølger, på grunn av den høye verdien av Poissons forhold for serpentinitter. Seismiske målinger bekrefter at serpentinisering er gjennomgripende i forarmsmantelen. Serpentiseringen kan produsere en omvendt Moho-diskontinuitet , der seismisk hastighet brått avtar over skorpe-mantelgrensen, som er motsatt av vanlig oppførsel. Den serpentinitt er meget fleksibelt, noe som skaper en aseismic sone i forearc, og tilstedeværelsen av serpentinitt kan begrense den maksimale dybde av megathrust jordskjelv . Serpentinisering ved langsomt spredte midthavshamninger kan føre til at den seismiske Moho-diskontinuiteten plasseres ved serpentiniseringsfronten, snarere enn bunnen av skorpen som definert av normale petrologiske kriterier. Lanzo -massivet i de italienske alpene viser en skarp serpentiniseringsfront som kan være en reliktsseismisk Moho.
Bemerkelsesverdige forekomster av serpentinitt finnes ved Thetford Mines , Quebec ; Lake Valhalla , New Jersey ; Gila County, Arizona ; Lizard kompleks , Lizard Point, Cornwall; og på lokaliteter i Hellas, Italia og andre deler av Europa. Bemerkelsesverdige ophiolitter som inneholder serpentinitt inkluderer Semail Ophiolite of Oman, Troodos Ophiolite fra Kypros , Newfoundland ophiolites og Main Ophiolite Belt i New Guinea .
Hydrotermiske ventiler og gjørme vulkaner
Dannelsen av serpentinitt er svært eksoterm og frigjør opptil 40 kilojoule (9,6 kcal) per mol vann som reagerer med fjellet. Dette tilsvarer en frigjøring på omtrent 660 MJ/m 3 og kan øke bergtemperaturen med omtrent 260 ° C (500 ° F), noe som gir en energikilde for dannelse av ikke-vulkanske hydrotermiske ventiler. Den hydrogen, metan og hydrogensulfid som dannes under serpentinization frigis ved disse ventiler og gir energikilder for deep sea kjemotrof mikroorganismer .
Dyp sjø hydrotermiske ventiler som ligger på serpentinitt nær aksen til midthavsrygger ligner generelt på svarte røykere som ligger på basalt, men avgir komplekse hydrokarbonmolekyler. Rainbow-feltet på Mid-Atlantic Ridge er et eksempel på slike hydrotermiske ventiler. Serpentinisering alene kan ikke gi varmeforsyningen til disse ventilasjonsåpningene, som hovedsakelig må drives av magmatisme. Imidlertid kan det tapte hydrotermiske feltet Lost City , som ligger utenfor aksen til Mid-Atlantic Ridge, drives utelukkende av serpentiniseringsvarme. Ventilasjonsåpningene er i motsetning til svarte røykere, og avgir relativt kjølige væsker (40 til 75 ° C (104 til 167 ° F)) som er svært alkaliske, høye i magnesium og lave i hydrogensulfid. Ventilasjonsåpningene bygger opp svært store skorsteiner, opptil 60 meter høye, sammensatt av karbonatmineraler og brucitt. Frodige mikrobielle samfunn er forbundet med ventilasjonsåpningene. Selv om ventilene i seg selv ikke er sammensatt av serpentinitt, ligger de i serpentinitt som anslås å ha dannet seg ved en temperatur på omtrent 200 ° C (392 ° F). Sepiolittforekomster på midthavsrygger kan ha dannet seg gjennom serpentinittdrevet hydrotermisk aktivitet. Imidlertid fortsetter geologer å diskutere om serpentinisering alene kan stå for varmefluxen fra Lost City -feltet.
Forarken til Marianas subduksjonssone er vert for store serpentinitt gjørme vulkaner, som bryter ut serpentinitt gjørme som stiger gjennom feil fra den underliggende serpentiniserte forearmkappen. Studie av disse gjørmevulkanene gir innsikt i subduksjonsprosesser, og væskene med høy pH som slippes ut ved vulkanene støtter et mikrobielt samfunn.
Serpentinite termiske ventiler er en kandidat for miljøet der livet på jorden oppsto. De fleste av de kjemiske reaksjonene som er nødvendige for å syntetisere acetyl-CoA , avgjørende for grunnleggende biokjemiske livsveier, finner sted under serpentinisering. Sulfid-metall-klyngene som aktiverer mange enzymer ligner sulfidmineraler dannet under serpentinisering.
Økologi
Jorddekke over serpentinitt berggrunn har en tendens til å være tynn eller fraværende. Jord med serpentin er fattig på kalsium og andre store plantens næringsstoffer, men rik på elementer giftige for planter som krom og nikkel. Noen plantearter, for eksempel Clarkia franciscana og visse arter av manzanita , er tilpasset til å leve på serpentinite utmarker. Men fordi serpentinittutslag er få og isolerte, er plantesamfunnene deres økologiske øyer, og disse særegne artene er ofte sterkt truet. På den annen side motvirker plantesamfunn som er tilpasset å leve på serpentinutmarkene i Ny -Caledonia, forskyvning av introduserte arter som er dårlig tilpasset dette miljøet.
I tillegg til Ny -Caledonia og Presidio i San Francisco , finnes serpentinite økosystemer i State Line Serpentine Barrens i Pennsylvania og Maryland.
Bruker
Dekorativ stein i arkitektur og kunst
Serpentin -gruppens mineraler har en Mohs -hardhet på 2,5 til 3,5, så serpentinitt blir lett hugget. Karakterer av serpentinitt høyere i kalsitt, sammen med verd-antikken ( breccia- formen av serpentinitt), har historisk blitt brukt som dekorative steiner for sine marmorlignende kvaliteter. College Hall ved University of Pennsylvania , for eksempel, er konstruert av serpentin. Populære kilder i Europa før kontakt med Amerika var den fjellrike Piemonte -regionen i Italia og Larissa, Hellas . Serpentinitter brukes på mange måter innen kunst og håndverk. For eksempel har steinen blitt snudd i Zöblitz i Sachsen i flere hundre år.
Utskjæringssteinverktøy, oljelampe kjent som Qulliq- og inuitskulpturen
The Inuit og andre urfolk i de arktiske områder og mindre grad av sørlige områdene brukt skåret bolle formet serpentinitt qulliq eller kudlik lampe med veke, for å brenne olje eller fett til varme, lage lys og lage mat med. Inuittene laget verktøy og mer nylig utskjæringer av dyr for handel.
Magnetisk serpentinhvalross
Inuit eldste pleier Qulliq, en seremoniell oljelampe laget av serpentinitt.
Sveitsisk ovnstein
En rekke kloritt talkum skifer i forbindelse med Alpine serpentinitt er funnet i Val d'Anniviers , Sveits og ble brukt for å lage "ovenstones" ( tysk : Ofenstein ), en utskåret stein base under en støpejernsovn.
Nøytronskjold i atomreaktorer
Serpentinitt har en betydelig mengde bundet vann , derfor inneholder det rikelig med hydrogenatomer som er i stand til å bremse nøytroner ved elastisk kollisjon ( termoniseringsprosess for nøytroner ). På grunn av dette serpentinitt kan anvendes som tørre fyllstoffet inne i stål jakker i enkelte utførelser av kjernereaktorer . For eksempel, i RBMK -serien, som i Tsjernobyl , ble den brukt til toppstrålingsskjerming for å beskytte operatører mot å rømme nøytroner. Serpentin kan også tilsettes som tilslag til spesielle betong som brukes i kjernereaktorer skjerming for å øke betongens tetthet (2,6 g / cm 3 (0,094 Ib / cu in)) og dens nøytroninnfangnings- tverrsnitt .
CO2 -binding
Fordi det lett absorberer karbondioksid, kan serpentinitt være nyttig for å fjerne atmosfærisk karbondioksid . For å fremskynde reaksjonen kan serpentinitten reageres med karbondioksid ved forhøyet temperatur i karbonatiseringsreaktorer. Karbondioksid kan også reageres med alkalisk gruveavfall fra serpentinforekomster, eller karbondioksid kan injiseres direkte i underjordiske serpentinittformasjoner. Serpentinitt kan også brukes som en kilde til magnesium i forbindelse med elektrolytiske celler for CO2 -skrubbing.
Kulturelle referanser
Det er delstaten Rock i California , USA og California Legislature spesifiserte at Serpentine var "det offisielle State Rock og litologiske emblemet." I 2010 ble det innført et lovforslag som ville ha fjernet serpentines spesielle status som statlig stein på grunn av at det potensielt kunne inneholde krysotil asbest. Regningen møtte motstand fra noen geologer i California, som bemerket at krysotilen som er tilstede ikke er farlig med mindre den er mobilisert i luften som støv.
Se også
- Nephrite - En rekke jade
- Kleberstein -Talkumbærende metamorf stein
- Hydrogensyklus -Hydrogenutveksling mellom levende og ikke-levende verden
Referanser
Eksterne linker
- [1] Det hydrotermiske feltet Lost City, Mid-Atlanterhavsryggen : serpentinisering, systemets drivkraft.
- H 2 -rike væsker fra serpentinisering: Geokjemiske og biotiske implikasjoner : Prosedyrer ved National Academy of Sciences .