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Serpentinization

Chromitic serpentinite from Styria Province , Austria Serpentinization is a hydration and metamorphic transformation of ferromagnesian minerals, such as olivine and pyroxene , i...

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Chromiticserpentinite from Styria Province, Austria

Serpentinization is a hydration and metamorphic transformation of ferromagnesian minerals, such as olivine and pyroxene, in mafic and ultramafic rock to produce serpentinite.[1] Minerals formed by serpentinization include the serpentine group minerals (antigorite, lizardite, chrysotile), brucite, talc, Ni-Fe alloys, and magnetite.[1][2] The mineral alteration is particularly important at the sea floor at tectonic plate boundaries.[3][4]

Formation and petrology

Serpentinite partially made of chrysotile, from Dobšiná, Slovakia

Serpentinization is a form of low-temperature (0 to ~600 °C) [5]metamorphism of ferromagnesian minerals in mafic and ultramafic rocks, such as dunite, harzburgite, or lherzolite. These are rocks low in silica and composed mostly of olivine ((Mg2+, Fe2+)2SiO4), pyroxene (XY(Si,Al)2O6), and chromite (approximately FeCr2O4). Serpentinization is driven largely by hydration and oxidation of olivine and pyroxene to serpentine group minerals (antigorite, lizardite, and chrysotile), brucite (Mg(OH)2), talc (Mg3Si4O10(OH)2), and magnetite (Fe3O4).[2] Under the unusual chemical conditions accompanying serpentinization, water is the oxidizing agent, and is itself reduced to hydrogen, H2. This leads to further reactions that produce rare iron groupnative element minerals, such as awaruite (Ni3Fe) and native iron; methane and other hydrocarbon compounds; and hydrogen sulfide.[1][6]

During serpentinization, large amounts of water are absorbed into the rock, increasing the volume, reducing the density and destroying the original structure.[7] The density changes from 3.3 to 2.5 g/cm3 (0.119 to 0.090 lb/cu in) with a concurrent volume increase on the order of 30-40%.[8] The reaction is highly exothermic, releasing up to 40 kilojoules (9.6 kcal) per mole of water reacting with the rock, and rock temperatures can be raised by about 260 °C (500 °F),[9][10] providing an energy source for formation of non-volcanic hydrothermal vents.[11] The hydrogen, methane, and hydrogen sulfide produced during serpentinization are released at these vents and provide energy sources for deep sea chemotrophmicroorganisms.[12][9]

Formation of serpentine minerals

Olivine is a solid solution of forsterite, the magnesium endmember of (Mg2+, Fe2+)2SiO4, and fayalite, the iron endmember, with forsterite typically making up about 90% of the olivine in ultramafic rocks.[13]Serpentine can form from olivine via several reactions:

La reacción 1a une fuertemente la sílice, reduciendo su actividad química a los valores más bajos observados en las rocas comunes de la corteza terrestre . [ 14 ] La serpentinización continúa luego mediante la hidratación del olivino para producir serpentina y brucita (reacción 1b). [ 15 ] La mezcla de brucita y serpentina formada por la reacción 1b tiene la actividad de sílice más baja en la serpentinita , por lo que la fase de brucita es muy importante para comprender la serpentinización. [ 14 ] Sin embargo, la brucita a menudo se encuentra mezclada con la serpentina, de modo que es difícil de identificar excepto con difracción de rayos X , y se altera fácilmente bajo condiciones de meteorización superficial. [ 16 ]

Un conjunto similar de reacciones involucra minerales del grupo del piroxeno :

La reacción 2a se detiene rápidamente cuando la sílice deja de estar disponible y la reacción 2b toma el relevo. [ 17 ] Cuando el olivino es abundante, la actividad de la sílice disminuye lo suficiente como para que el talco comience a reaccionar con el olivino:

Esta reacción requiere temperaturas más altas que aquellas a las que se forma la brucita. [ 16 ]

La mineralogía final depende tanto de la composición de la roca como del fluido, la temperatura y la presión. La antigorita se forma en reacciones a temperaturas que pueden superar los 600 °C (1112 °F) durante el metamorfismo, y es el mineral del grupo de la serpentina estable a las temperaturas más altas. La lizardita y el crisotilo pueden formarse a bajas temperaturas muy cerca de la superficie terrestre. [ 18 ]  

Descomposición de la diópsida y formación de rodingitas.

Las rocas ultramáficas a menudo contienen piroxeno rico en calcio ( diópsido ), que se descompone según la siguiente reacción:

This raises both the pH, often to very high values, and the calcium content of the fluids involved in serpentinization. These fluids are highly reactive and may transport calcium and other elements into surrounding mafic rocks. Fluid reaction with these rocks may create metasomatic reaction zones enriched in calcium and depleted in silica, called rodingites.[19]

Formation of magnetite and hydrogen

In most crustal rock, the chemical activity of oxygen is prevented from dropping to very low values by the fayalite-magnetite-quartz (FMQ) buffer.[20] The very low chemical activity of silica during serpentinization eliminates this buffer, creating highly reducing conditions[14] that allow water to oxidize ferrous (Fe2+) ions in fayalite. This reaction modifies minerals and liberates hydrogen gas:[1][21][22]

Studies of serpentinites suggest that in nature iron minerals are first converted to ferroan brucite, that is, brucite containing Fe(OH)2,[23] which then undergoes the Schikorr reaction in the anaerobic conditions of serpentinization:[24][25]

Maximum reducing conditions, and the maximum rate of production of hydrogen, occur when the temperature of serpentinization is between 200 and 315 °C (392 and 599 °F)[26] and when fluids are carbonate undersaturated.[1] If the original ultramafic rock (the protolith) is peridotite, which is rich in olivine, considerable magnetite and hydrogen are produced. When the protolith is pyroxenite, which contains more pyroxene than olivine, iron-rich talc is produced with no magnetite and only modest hydrogen production. Infiltration of silica-bearing fluids during serpentinization can suppress both the formation of brucite and the subsequent production of hydrogen.[27]

Chromite present in the protolith will be altered to chromium-rich magnetite at lower serpentinization temperatures. At higher temperatures, it will be altered to iron-rich chromite (ferrit-chromite).[28] During serpentinization, the rock is enriched in chlorine, boron, fluorine, and sulfur. Sulfur will be reduced to hydrogen sulfide and sulfide minerals, though significant quantities are incorporated into serpentine minerals, and some may later be reoxidized to sulfate minerals such as anhydrite.[29] The sulfides produced include nickel-rich sulfides, such as mackinawite.[30]

Methane and other hydrocarbons

Laboratory experiments have confirmed that at a temperature of 300 °C (572 °F) and pressure of 500 bars, olivine serpentinizes with release of hydrogen gas. Abiotic methane formation related to serpentinization has been shown in much lower temperatures and pressure systems, associated with ultramafic rocks in ophiolites, and in continental systems such as the greenstone belts of the Canadian Shield.[31] In addition, methane and complex hydrocarbons are formed through reduction of carbon dioxide. The process may be catalyzed by magnetite formed during serpentinization.[6] One reaction pathway is:[24]

Metamorfismo a mayor presión y temperatura

La lizardita y el crisotilo son estables a bajas temperaturas y presiones, mientras que la antigorita es estable a temperaturas y presiones más altas. [ 32 ] Su presencia en una serpentinita indica que la serpentinización tuvo lugar a presiones y temperaturas inusualmente altas o que la roca experimentó un metamorfismo de mayor grado después de que la serpentinización se completara. [ 2 ]

La infiltración de fluidos que contienen CO₂ en la serpentinita provoca una alteración talco-carbonatada característica . [ 33 ] La brucita se transforma rápidamente en magnesita y los minerales de serpentina (excepto la antigorita) se transforman en talco. La presencia de pseudomorfos de los minerales de serpentinita originales demuestra que esta alteración tiene lugar después de la serpentinización. [ 2 ]

La serpentinita puede contener clorita (un mineral filosilicato ), tremolita (Ca₂ ( Mg₅, ₀-₄, ₅Fe²⁺₀,₀ - ₀,₅)Si₈O₂₂ ( OH ) ₂ ) y olivino y diópsido metamórficos (piroxeno rico en calcio). Esto indica que la serpentinita ha estado sujeta a un metamorfismo más intenso, alcanzando la facies metamórfica de esquistos verdes superiores o anfibolitas . [ 2 ]

Por encima de unos 450 °C (842 °F) , la antigorita comienza a descomponerse. Por lo tanto, la serpentinita no existe en facies metamórficas más elevadas. [ 12 ]  

Producción extraterrestre de metano mediante serpentinización

Se ha planteado la hipótesis de que la presencia de trazas de metano en la atmósfera de Marte podría ser una posible evidencia de vida en Marte si el metano fuera producido por actividad bacteriana . La serpentinización se ha propuesto como una fuente no biológica alternativa para las trazas de metano observadas. [ 34 ] [ 35 ] En 2022, se informó que el examen microscópico del meteorito ALH 84001 , procedente de Marte, muestra que, efectivamente, la materia orgánica que contiene se formó por serpentinización, no por procesos biológicos. [ 36 ] [ 37 ]

Using data from the Cassini probe flybys obtained in 2010–12, scientists were able to confirm that Saturn's moon Enceladus likely has a liquid water ocean beneath its frozen surface. A model suggests that the ocean on Enceladus has an alkaline pH of 11–12.[38] The high pH is interpreted to be a key consequence of serpentinization of chondritic rock, that leads to the generation of H2, a geochemical source of energy that can support both abiotic and biological synthesis of organic molecules.[38][39]

Environment of formation

Ophiolite of the Gros Morne National Park, Newfoundland. Ophiolites characteristically have a serpentinite component.

Serpentinization occurs at mid-ocean ridges, in the forearc mantle of subduction zones, in ophiolite packages, and in ultramafic intrusions. [3][4]

Mid-ocean ridges

Conditions are highly favorable for serpentinization at slow to ultraslow spreading mid-ocean ridges.[8] Here the rate of crustal extension is high compared with the volume of magmatism, bringing ultramafic mantle rock very close to the surface where fracturing allows seawater to infiltrate the rock.[11]

Serpentinization at slow spreading mid-ocean ridges can cause the seismic Moho discontinuity to be placed at the serpentinization front, rather than the base of the crust as defined by normal petrological criteria.[40][8] The Lanzo Massif of the Italian Alps shows a sharp serpentinization front that may be a relict seismic Moho.[41]

Subduction Zones

Forearc mantle

La serpentinización es un fenómeno importante en las zonas de subducción que ejerce un fuerte control sobre el ciclo del agua y la geodinámica de la zona. [ 42 ] Aquí, la roca del manto se enfría por la placa subducida hasta temperaturas en las que la serpentinita es estable, y se liberan fluidos de la placa subducida en grandes cantidades hacia la roca ultramáfica del manto. [ 42 ] La actividad de los volcanes de lodo de serpentinita proporciona evidencia directa de que la serpentinización está ocurriendo en el arco de islas de las Islas Marianas . Ocasionalmente, los volcanes de lodo expulsan xenolitos de harzburgita y (con menos frecuencia) dunita, lo que da pistas sobre la naturaleza del protolito. [ 43 ]

Debido a que la serpentinización reduce la densidad de la roca original, puede provocar el levantamiento o la exhumación de serpentinitas a la superficie, como ha ocurrido con la serpentinita expuesta en el Presidio de San Francisco tras el cese de la subducción. [ 44 ]

La roca ultramáfica serpentinizada se encuentra en muchas ofiolitas . Las ofiolitas son fragmentos de litosfera oceánica que se han desplazado hacia los continentes, un proceso llamado obducción . [ 45 ] Típicamente consisten en una capa de harzburgita serpentinizada (a veces llamada peridotita alpina en escritos antiguos), una capa de diabasas y basaltos almohadillados alterados hidrotermalmente, y una capa de sedimentos de aguas profundas que contienen sílex en cinta con radiolarios . [ 46 ]

corteza continental

Además de las ofiolitas, las rocas ultramáficas de la corteza continental constituyen un lugar clave para la formación abiótica de metano relacionada con la serpentinización, incluyendo las kimberlitas y los vastos cinturones de rocas verdes del Arcaico . La producción de metano y otros donantes y aceptores de electrones, como el hidrógeno natural , son fundamentales para el mantenimiento de las comunidades microbianas quimiolitotróficas en la biosfera profunda . [ 31 ]

Hidratación del manto del antearco debido al agua expulsada de la parte más profunda de la placa subducida. Adaptado de Hyndman y Peacock (2003).

Trascendencia

Limitación en la profundidad del terremoto

Los estudios de ondas sísmicas pueden detectar la presencia de grandes cuerpos de serpentinita en la corteza y el manto superior, ya que la serpentinización tiene un gran impacto en la velocidad de las ondas de corte . Un mayor grado de serpentinización conlleva una menor velocidad de las ondas de corte y una mayor relación de Poisson . [ 47 ] Las mediciones sísmicas confirman que la serpentinización es generalizada en el manto del antearco. [ 48 ] La serpentinización puede producir una discontinuidad de Moho invertida , en la que la velocidad sísmica disminuye abruptamente a través del límite corteza-manto, lo cual es opuesto al comportamiento habitual. La serpentinita es altamente deformable, creando una zona asísmica en el antearco, en la que las serpentinitas se deslizan a una velocidad de placa estable. La presencia de serpentinita puede limitar la profundidad máxima de los megaterremotos, ya que impiden la ruptura en el manto del antearco. [ 47 ]

Véase también

Referencias

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