Serpentiini - Serpentinite
Serpentiini on kivi, joka koostuu yhdestä tai useammasta serpentiiniryhmän mineraalista . Tämän ryhmän mineraalit, joissa on runsaasti magnesiumia ja vettä, vaaleasta tummanvihreään, rasvaisen näköinen ja liukas tunne, muodostuvat serpentoitumisesta , nesteytyksestä ja muodonmuutoksesta, joka muodostuu ultramafisesta kivestä maan vaipasta . Mineraali muutos on erityisen tärkeää, että tämän merenpohjaan on maankuoren levy rajoja.
Muodostus ja petrologia
Serpentointi on ultramafisten kivien, kuten duniitin , harzburgiitin tai lherzoliitin , matalan lämpötilan muodonmuutos . Nämä ovat kiviä, joissa on vähän piidioksidia ja jotka koostuvat pääasiassa oliviinista , pyrokseenistä ja kromiitista . Serpentinization on johtuu suurelta osin hydraation ja hapettumisen oliviinin ja pyrokseeni on kiemurteleva mineraaleja, brusiitin , ja magnetiitti . Serpentinoinnin mukana tulleissa epätavallisissa kemiallisissa olosuhteissa vesi on hapettava aine ja pelkistyy vetyksi, H
2. Tämä johtaa lisäreaktioihin, jotka tuottavat harvinaisia rautaryhmän alkuperäisiä mineraaleja , kuten awaruite ( Ni
3Fe ) ja natiivi rauta ; metaani ja muut hiilivetyyhdisteet ; ja rikkivetyä .
Käärmeellistymisen aikana kallioon imeytyy suuria määriä vettä, mikä lisää tilavuutta, vähentää tiheyttä ja tuhoaa alkuperäisen rakenteen. Tiheys muuttuu 3,3-2,5 g/cm 3 (0,119-0,090 lb/cu in), kun tilavuus kasvaa samanaikaisesti noin 30-40%. Reaktio on erittäin eksoterminen ja kalliolämpöä voidaan nostaa noin 260 ° C (500 ° F), mikä tarjoaa energialähteen ei-vulkaanisten hydrotermisten tuuletusaukkojen muodostamiseksi . Vety, metaani ja vetysulfidi, joita syntyy serpentoitumisen aikana, vapautuvat näissä tuuletusaukoissa ja tarjoavat energialähteitä syvänmeren kemotrofi -mikro -organismeille .
Serpentiniitin lopullista mineraalikoostumusta hallitsevat yleensä lisko , krysotiili ja magnetiitti. Bruciittia ja antigoriittia esiintyy harvemmin. Lisko, krysotiili ja antigoriitti ovat käärmeiden mineraaleja. Lisäaineita, joita esiintyy pieninä määrinä, ovat awaruite, muut alkuperäiset metallimineraalit ja sulfidimineraalit .
Serpentiinimineraalien muodostuminen
Oliviini on kiinteä liuos on forsteriitti , magnesium -endmember, ja fajaliitti- , rauta -endmember, jossa forsteriitti tyypillisesti muodostavat noin 90% oliviini on ultramafisissa kiviä. Serpentiini voi muodostua oliviinista useiden reaktioiden kautta:
-
+ + 4 H
2O →( Reaktio 1a )
-
+ → +
( Reaktio 1b )
Reaktio 1a sitoo tiukasti piidioksidia ja alentaa sen kemiallisen aktiivisuuden alimmille arvoille, jotka nähdään maankuoren tavallisissa kivissä . Serpentointi jatkuu sitten oliviinin hydratoinnin kautta, jolloin saadaan serpentiiniä ja brusiittia (reaktio 1b). Reaktion 1b muodostamalla brusiitin ja serpentiinin seoksella on pienin piidioksidiaktiivisuus serpentiinissä, joten brusiittivaihe on erittäin tärkeä serpentiinin ymmärtämisessä. Kuitenkin brusiitti sekoitetaan usein serpentiiniin siten, että sitä on vaikea tunnistaa paitsi röntgendiffraktiolla , ja se muuttuu helposti pinnan sääolosuhteissa.
Samankaltaiset reaktiot sisältävät pyrokseeniryhmän mineraaleja:
-
+ + H
2O →( Reaktio 2a )
-
+ 3 H
2O → +( Reaktio 2b )
Reaktio 2a pysähtyy nopeasti, kun piidioksidi ei ole käytettävissä, ja reaktio 2b ottaa vallan. Kun oliviinia on runsaasti, piidioksidiaktiivisuus laskee niin alhaiseksi, että talkki alkaa reagoida oliviinin kanssa:
-
+ + →
( Reaktio 3 )
Tämä reaktio vaatii korkeampia lämpötiloja kuin ne, joissa brusiitti muodostuu.
Lopullinen mineralogia riippuu sekä kiven että nesteen koostumuksesta, lämpötilasta ja paineesta. Antigoriitti muodostuu reaktioissa lämpötiloissa, jotka voivat ylittää 600 ° C (1112 ° F) muodonmuutoksen aikana, ja se on serpentiiniryhmän mineraalivakaa korkeimmissa lämpötiloissa. Lisko ja krysotiili voivat muodostua matalissa lämpötiloissa hyvin lähellä maan pintaa.
Diopidien hajoaminen ja rodingitien muodostuminen
Ultramafiset kivet sisältävät usein kalsiumia sisältävää pyrokseeniä ( diopside ), joka hajoaa reaktion mukaan
-
+ 6 H+
→ + 3 Ca2+
+ H
2O +( Reaktio 4 )
Tämä nostaa sekä pH: n , usein erittäin korkeat arvot, että serpentoitumiseen osallistuvien nesteiden kalsiumpitoisuuden. Nämä nesteet ovat erittäin reaktiivisia ja voivat kuljettaa kalsiumia ja muita alkuaineita ympäröiviin mafioihin . Nestereaktio näiden kivien kanssa voi luoda kalsiumpitoisia ja piidioksidista tyhjentyneitä metasomaattisia reaktioalueita, joita kutsutaan rodingiteiksi .
Magnetiitin ja vedyn muodostuminen
Useimmissa kuorikivissä fayaliitti-magnetiitti-kvartsipuskuri (FMQ) estää hapen kemiallisen aktiivisuuden putoamisen erittäin alhaisiin arvoihin . Piidioksidin erittäin alhainen kemiallinen aktiivisuus serpentinisoinnin aikana eliminoi tämän puskurin, jolloin serpentinointi tuottaa erittäin pelkistäviä olosuhteita. Näissä olosuhteissa vesi kykenee hapettamaan rautaa ( Fe2+
) ionit fayaliitissa. Prosessi on kiinnostava, koska se tuottaa vetykaasua:
-
+ → + +
( Reaktio 5 )
Serpentiniittitutkimukset viittaavat kuitenkin siihen, että rauta -mineraalit muutetaan ensin ferroanbrusiitiksi, Fe (OH)
2, joka sitten käy läpi Schikorrin reaktion serpentoinnin anaerobisissa olosuhteissa:
-
→ + +
( Reaktio 6 )
Suurimmat pelkistysolosuhteet ja vedyn suurin tuotantonopeus tapahtuvat, kun serpentoitumislämpötila on 200-315 ° C (392-599 ° F). Jos alkuperäinen ultramafinen kivi ( protoliitti ) on peridotiitti, joka sisältää runsaasti oliviinia, syntyy huomattavaa magnetiittia ja vetyä. Kun protoliitti on pyrokseniitti, joka sisältää enemmän pyrokseeniä kuin oliviini, tuotetaan rautapitoista talkkia ilman magnetiittia ja vain vaatimatonta vedyntuotantoa. Piidioksidia sisältävien nesteiden tunkeutuminen serpentiinin aikana voi estää sekä brusiitin muodostumisen että sen jälkeisen vedyn tuotannon.
Protolitissa oleva kromiitti muuttuu kromipitoiseksi magnetiitiksi alemmissa serpentointilämpötiloissa. Korkeammissa lämpötiloissa se muuttuu rautapitoiseksi kromiitiksi (ferriittikromiitti). Serpentinisoinnin aikana kallio on rikastettu kloorilla , boorilla , fluorilla ja rikillä. Rikki pelkistyy rikkivety- ja sulfidimineraaleiksi, vaikka merkittäviä määriä sisällytetään serpentiinimineraaleihin, ja osa niistä voidaan myöhemmin hapettaa uudelleen sulfaattimineraaleiksi, kuten anhydriitiksi . Valmistettuja sulfideja ovat nikkelipitoiset sulfidit, kuten mackinawite .
Metaani ja muut hiilivedyt
Laboratoriokokeet ovat vahvistaneet, että 300 ° C: n (572 ° F) lämpötilassa ja 500 baarin paineessa oliviini kiteytyy ja vapauttaa vetykaasua. Lisäksi metaania ja monimutkaisia hiilivetyjä muodostuu pelkistämällä hiilidioksidia. Prosessia voi katalysoida serpentiinin aikana muodostunut magnetiitti. Yksi reaktioreitti on:
-
+ + 26 H
2O + CO
2 → + +( Reaktio 7 )
Muodonmuutos korkeammassa paineessa ja lämpötilassa
Lisko ja krysotiili ovat stabiileja alhaisissa lämpötiloissa ja paineissa, kun taas antigoriitti on stabiili korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa. Sen läsnäolo serpentiniitissä osoittaa joko, että serpentoituminen tapahtui epätavallisen korkeassa paineessa ja lämpötilassa, tai että kallio koki korkeamman muodonmuutoksen sen jälkeen, kun serpentiini oli valmis.
Hiilidioksidia sisältävien nesteiden tunkeutuminen serpentiiniin aiheuttaa erottuvan talkki-karbonaattimuutoksen . Bruciitti muuttuu nopeasti magnesiittiksi ja serpentiini -mineraalit (muut kuin antigoriitti) muuttuvat talkiksi. Alkuperäisten serpentiniittimineraalien pseudomorfien läsnäolo osoittaa, että tämä muutos tapahtuu serpentiinin jälkeen.
Serpentiniitti voi sisältää kloriittia , tremoliittia ja muodonmuutosoliviinia ja diopsidea. Tämä osoittaa, että serpentiniitti on altistunut voimakkaammalle muodonmuutokselle, joka ulottuu ylempään vihreään tai amfiboliittiseen muodonmuutokseen .
Noin 450 ° C: n (842 ° F) yläpuolella antigoriitti alkaa hajota. Näin ollen serpentiiniä ei ole korkeammissa muodonmuutoksissa.
Maan ulkopuolinen metaanin tuotanto serpentoimalla
Metaanin jäämien esiintyminen Marsin ilmakehässä on oletettu olevan mahdollinen todiste elämästä Marsissa, jos metaania tuotettiin bakteeritoiminnan avulla. Käärmeellistämistä on ehdotettu vaihtoehtoiseksi ei-biologiseksi lähteeksi havaituille metaanipitoisuuksille.
Käyttämällä vuosina 2010–12 saatuja Cassini -koettimen lentopalloja koskevia tietoja tutkijat pystyivät vahvistamaan, että Saturnuksen kuussa Enceladuksessa on todennäköisesti nestemäinen valtameri sen jäädytetyn pinnan alla. Malli viittaa siihen, että Enceladuksen valtameren emäksinen pH on 11–12. Korkean pH: n tulkitaan olevan keskeinen seuraus kondriittisen kiven kiteytymisestä , mikä johtaa H: n muodostumiseen
2, geokemiallinen energialähde, joka voi tukea sekä orgaanisten molekyylien abioottista että biologista synteesiä.
Esiintyminen
Serpentiniittiä voi muodostua kaikkialle, missä hiilidioksidipitoiset nesteet tunkeutuvat ultramafiseen kiveen. Tämä tapahtuu valtameren keskellä olevilla harjuilla ja subduktiovyöhykkeiden etuvartan vaipalla .
Olosuhteet ovat erittäin suotuisat serpentoitumiselle hitaasti tai erittäin hitaasti leviävillä valtameren keskialueilla. Täällä määrä maankuoren laajennus on suuri verrattuna tilavuuteen magmatismi tuoden ultramafiset mantteli kallio hyvin lähellä pintaa, jossa murtuminen mahdollistaa meriveden tunkeutua kallioon.
Serpentoitua ultramafista kiveä esiintyy monissa ophioliiteissa . Ophioliitit ovat osia valtameren litosfääristä, joka on työnnetty mantereille, prosessia, jota kutsutaan obduktioksi . Ne koostuvat tyypillisesti kerroksen serpentiiniytyneiden harzburgite (joskus kutsutaan Alpine peridotiitti vanhemmissa kirjoituksia), kerros hydrotermisesti muuttunut diabaasit ja tyyny basalteilla , ja kerroksen syvän veden sedimenttien sisälsi radiolarian nauha chert .
Käärmeellistyminen on lähes täydellistä subduktiovyöhykkeiden etuvartan vaipassa. Tässä vaiptakivi jäähdytetään alistuslaatalla lämpötiloihin, joissa serpentiniitti on vakaa, ja nesteitä vapautuu subduktiolaatasta suuria määriä ultramafiseen vaiptakiveen. Suorat todisteet siitä, että serpentiini tapahtuu Marianan saarten saarikaarella, saadaan serpentiini -muta -tulivuorten aktiivisuudesta . Mutitulivuoret purkaavat satunnaisesti harzburgiitin ja (harvemmin) duniitin ksenoliitteja, mikä antaa vihjeitä protoliitin luonteesta.
Koska serpentoituminen lisää alkuperäisen kiven tilavuutta ja alentaa tiheyttä, serpentinisaatio voi johtaa kohoamiseen, joka luo rannikkoalueita vaipan etuvarsien yläpuolelle. Edelleen kohoaminen voi tuoda serpentiniitin pintaan, kun subduktio lakkaa, kuten on tapahtunut Serpentiniitin paljastamisen yhteydessä San Franciscon Presidiossa .
Seismisten aaltojen tutkimukset voivat havaita suuria serpentiniittikappaleita kuoressa ja ylävaipassa, koska serpentoituminen alentaa seismisiä aaltojen nopeuksia. Tämä pätee erityisesti S -aaltoihin, koska serpentiinien Poissonin suhde on korkea . Seismiset mittaukset vahvistavat, että serpentiini on levinnyt etuvartalovaippaan. Käärmeyttäminen voi tuottaa käänteisen Mohon epäjatkuvuuden , jossa seismiset nopeudet pienenevät äkillisesti kuoren ja vaipan rajan yli, mikä on päinvastaista kuin tavallinen käyttäytyminen. Serpentiniitti on erittäin muodonmuutosta, mikä luo aseismisen vyöhykkeen kyynärvarteen, ja serpentiinin läsnäolo voi rajoittaa suurimpien megajäristyksen maanjäristysten syvyyttä . Serpentoituminen hitaasti leviävillä valtamerien harjuilla voi aiheuttaa Mohon seismisen epäjatkuvuuden sijoittamisen serpentoitumisrintamalle eikä kuoren pohjalle normaalin petrologisen kriteerin mukaisesti. Italian Alppien Lanzo -massiivilla on terävä serpentointirintama, joka voi olla jäänne seismisestä Mohosta.
Merkittäviä serpentiniitin esiintymiä löytyy Thetford Minesista , Quebecistä ; Valhalla -järvi , New Jersey ; Gila County, Arizona ; Lizard -kompleksi , Lizard Point, Cornwall; Kreikassa, Italiassa ja muualla Euroopassa. Merkittäviä serpentiniittia sisältäviä ophioliitteja ovat Omanin Semail Ophiolite , Kyproksen Troodos Ophiolite , Newfoundland -ofioliitit ja Uuden -Guinean tärkein Ophiolite Belt .
Hydrotermiset tuuletusaukot ja muta tulivuoret
Serpentiniitin muodostuminen on erittäin eksotermistä ja vapauttaa jopa 40 kilojoulea (9,6 kcal) moolia kohden vettä. Tämä vastaa noin 660 MJ/m 3: n vapautumista ja voi nostaa kiven lämpötilaa noin 260 ° C (500 ° F), mikä tarjoaa energialähteen ei-vulkaanisten hydrotermisten tuuletusaukkojen muodostamiseksi. Vety, metaani ja vetysulfidi, joita syntyy serpentoitumisen aikana, vapautuvat näissä tuuletusaukoissa ja tarjoavat energialähteitä syvänmeren kemotrofi -mikro -organismeille .
Syvänmeren hydrotermiset tuuletusaukot, jotka sijaitsevat serpentiniitillä lähellä valtameren harjanteiden akselia, muistuttavat yleensä mustia tupakoitsijoita, jotka sijaitsevat basaltilla, mutta päästävät monimutkaisia hiilivetymolekyylejä. Keski-Atlantin harjanteen sateenkaarikenttä on esimerkki tällaisista hydrotermisistä tuuletusaukoista. Pelkkä serpentointi ei voi tarjota lämmönsiirtoa näille tuuletusaukoille, joiden on johdettava enimmäkseen magmatismista. Kuitenkin Lost City Hydrotermisiä Field , sijaitsee pois akselin Keski-Atlantin Ridge, voi ajaa ainoastaan lämpöä serpentinization. Sen tuuletusaukot ovat toisin kuin mustat tupakoitsijat, ja ne lähettävät suhteellisen viileitä nesteitä (40-75 ° C (104-167 ° F)), jotka ovat erittäin emäksisiä, runsaasti magnesiumia ja vähän rikkivetyä. Tuuletusaukot muodostavat erittäin suuria, jopa 60 metrin (200 jalkaa) korkeita savupiippuja, jotka koostuvat karbonaattimineraaleista ja brusiitista. Reheviin mikrobiyhteisöihin liittyy tuuletusaukkoja. Vaikka itse tuuletusaukot eivät koostu serpentiinistä, niitä isännöidään serpentiinissä, jonka arvioidaan muodostuneen noin 200 ° C: n (392 ° F) lämpötilassa. Sepioliittikerrostumat valtameren keskialueilla ovat saattaneet muodostua serpentiinipohjaisen hydrotermisen toiminnan kautta. Geologit kuitenkin väittävät edelleen, voiko pelkkä serpentointi aiheuttaa Lost City -kentän lämpövirran.
Marianasin subduktiovyöhykkeen etuvartassa on suuria serpentiniittimultakulkuja, jotka purkaavat serpentiniittimutaa, joka nousee vikojen kautta alla olevasta serpentinoidusta kyynärvarren vaipasta. Näiden muta -tulivuorten tutkiminen antaa tietoa subduktioprosesseista, ja tulivuorista päästetyt korkeat pH -nesteet tukevat mikrobiyhteisöä.
Serpentiini -lämpöaukot ovat ehdokas ympäristölle, josta elämä maapallolla on peräisin. Suurin osa kemiallisista reaktioista, jotka ovat välttämättömiä asetyyli-CoA: n syntetisoimiseksi , jotka ovat välttämättömiä biokemiallisille elämän perusreiteille, tapahtuvat serpentiinin aikana. Monia entsyymejä aktivoivat sulfidi-metalliklusterit muistuttavat serpentiinin aikana muodostuneita sulfidimineraaleja.
Ekologia
Maaperä serpentiini -kallion päällä on yleensä ohutta tai puuttuu. Serpentiinipitoisessa maaperässä on vähän kalsiumia ja muita tärkeitä kasvien ravinteita, mutta runsaasti kasveille myrkyllisiä elementtejä, kuten kromia ja nikkeliä. Jotkut kasvilajit, kuten Clarkia franciscana ja tietyt manzanita -lajit , ovat sopeutuneet elämään serpentiini -paljastuksilla. Koska serpentiini -paljastumia on kuitenkin vähän ja yksittäisiä, niiden kasviyhteisöt ovat ekologisia saaria ja nämä erityislajit ovat usein erittäin uhanalaisia. Toisaalta Uuden -Kaledonian serpentiinilajeilla elämään sopeutuneet kasviyhteisöt vastustavat siirtymiä sellaisten lajien kanssa, jotka ovat huonosti sopeutuneet tähän ympäristöön.
Uuden -Kaledonian ja San Franciscon Presidion lisäksi serpentiini -ekosysteemejä esiintyy Pennsylvanian ja Marylandin osavaltion serpentiinipalloissa.
Käyttää
Koristeellinen kivi arkkitehtuurissa ja taiteessa
Serpentiiniryhmän mineraalien Mohsin kovuus on 2,5 - 3,5, joten serpentiini on helppo veistää. Kalsiitissa korkeampia serpentiniittiluokkia sekä antiikin verhousta ( serpentiniitin breccia- muoto) on historiallisesti käytetty koristekivinä marmorimaisten ominaisuuksiensa vuoksi. College Hall on University of Pennsylvania , esimerkiksi on rakennettu ulos kiemurteleva. Suosittuja lähteitä Euroopassa ennen yhteyttä Amerikkaan olivat vuoristoinen Piemonten alue Italiassa ja Larissa, Kreikka . Käärmeitä käytetään monin tavoin taiteessa ja käsityössä. Esimerkiksi kallio on käännetty Zöblitz vuonna Saksi monen vuosisadan ajan.
Veistämällä kivityökaluja, öljylamppu, joka tunnetaan nimellä Qulliq ja inuiittiveistos
Inuiittien ja muiden alkuperäiskansojen ihmisiä arktisten alueiden ja vähemmän Etelä käytettyjen alueiden veistetty kulhon muotoinen serpentiniitti qulliq tai kudlik lamppu sydänlanka, polttaa öljyä tai rasvaa lämpöä, tehdä kevyt ja kypsennä. Inuiitit valmistivat työkaluja ja viime aikoina eläinten kaiverruksia kauppaan.
Magneettinen serpentiinimurska
Inuiittien vanhin hoitaa Qulliqia, seremoniallista öljylamppua, joka on valmistettu serpentiinistä.
Sveitsiläinen uunikivi
Erilaisia kloriittia talkin liuske liittyvä Alpine serpentiniitti löytyy Val d'Anniviers , Sveitsissä ja sen valmistamiseen käytetty "ovenstones" ( saksaksi : Ofenstein ), veistetty kivijalka alla valurautatakka.
Neutronisuoja ydinreaktoreissa
Serpentiniitistä on merkittävä määrä sitoutunutta vettä , joten se sisältää runsaasti vetyä atomeja voi hidastaa neutroneja mukaan elastisen törmäyksen (neutronien termalisoitumisaika prosessi). Tämän vuoksi serpentiniittiä voidaan käyttää kuivana täyteaineena teräsvaippojen sisällä joissakin ydinreaktorimalleissa . Esimerkiksi RBMK -sarjassa, kuten Tšernobylissä , sitä käytettiin ylimmässä säteilysuojassa suojaamaan käyttäjiä pakenevilta neutroneilta. Kiemurteleva voidaan myös lisätä aggregaatin erityisiä konkreettisia käytetään ydinreaktorin suojaus lisätä betonin tiheys (2,6 g / cm 3 (0,094 lb / Cu)) ja sen neutronikaappausvaikutusalat poikkileikkaus .
CO2 -sitominen
Koska serpentiniitti imee helposti hiilidioksidia, se voi olla hyödyllinen ilmakehän hiilidioksidin sitomiseksi . Reaktion nopeuttamiseksi serpentiniitti voidaan saattaa reagoimaan hiilidioksidin kanssa korkeassa lämpötilassa karbonointireaktoreissa. Hiilidioksidi voidaan myös saattaa reagoimaan serpentiinikerrostumien alkalisen kaivosjätteen kanssa tai hiilidioksidia voidaan ruiskuttaa suoraan maanalaisiin serpentiini -muodostelmiin. Serpentiiniä voidaan käyttää myös magnesiumin lähteenä yhdessä elektrolyysikennojen kanssa hiilidioksidin pesuun.
Kulttuuriviittaukset
Se on Kalifornian osavaltion rock , USA ja Kalifornian lainsäätäjä täsmentää, että käärme on "virallinen valtion rock- ja litologinen tunnus". Vuonna 2010 esitettiin lakiesitys, joka olisi poistanut serpentiinin erityisaseman valtion kivinä, koska se mahdollisesti sisälsi krysotiiliasbestia. Laki kohtasi vastustusta eräiltä Kalifornian geologeilta, jotka totesivat, että läsnä oleva krysotiili ei ole vaarallinen, ellei sitä siirry ilmaan pölynä.
Katso myös
- Nefriitti - Erilaisia jadeja
- Vuolukivi- Talkkia sisältävä muodonmuutos
- Vetykierto- vedynvaihto elävän ja elottoman maailman välillä
Viitteet
Ulkoiset linkit
- [1] Kadonneen kaupungin hydroterminen kenttä, Keski-Atlantin harju : serpentoituminen, järjestelmän liikkeellepaneva voima.
- H 2 -rikkaat nesteet serpentoinnista: Geokemialliset ja bioottiset vaikutukset : Proceedings of the National Academy of Sciences .