Серпентинит - это порода, состоящая из одного или нескольких минералов серпентиновой группы , название происходит от сходства текстуры камня с текстурой кожи змеи. [1] Минералы этой группы, богатые магнием и водой, от светлого до темно-зеленого цвета, на вид жирные и скользкие, образуются в результате серпентинизации , гидратации и метаморфического преобразования ультраосновных пород из мантии Земли . Минеральное изменение имеет особенно важное значение на морской день на тектонических плитах границ. [2]
Формирование и петрология
Серпентинизация - это геологический низкотемпературный метаморфический процесс с участием тепла и воды, в котором окисляются низкокремнистые основные и ультраосновные породы (анаэробное окисление Fe2+
протонами воды, приводящими к образованию H
2) и гидролизуется водой до серпентинита. Перидотит , включая дунит , на морском дне и вблизи него, а также в горных поясах превращается в серпентин , брусит , магнетит и другие минералы - некоторые редкие, такие как аваруит ( Ni
3Fe ) и даже родное железо . При этом большое количество воды поглощается породой, увеличивая объем, уменьшая плотность и разрушая структуру. [3]
Плотность изменяется от 3,3 до 2,7 г / см 3 (от 0,119 до 0,098 фунта / куб. Дюйм) с одновременным увеличением объема примерно на 30-40%. Реакция сильно экзотермична, и температура горных пород может быть повышена примерно на 260 ° C (500 ° F) [3], обеспечивая источник энергии для образования невулканических гидротермальных источников . Химические реакции образования магнетита производят водород в анаэробных условиях, преобладающих глубоко в мантии , вдали от атмосферы Земли . Карбонаты и сульфаты впоследствии восстанавливаются водородом с образованием метана и сероводорода . Водород, метан и сероводород являются источниками энергии для глубоководных хемотрофных микроорганизмов . [3]
Образование серпентинита
Серпентинит может образовываться из оливина посредством нескольких реакций. Оливин представляет собой твердый раствор из форстерита , в магнии -endmember и фаялита , на железной -endmember.
- + + 4 часа
2O →( Реакция 1b )
- + → +
( Реакция 1c )
Реакция 1c описывает гидратацию оливина с образованием серпентина и Mg (OH)
2( брусит ). [4] Серпентин стабилен при высоком pH в присутствии брусита, подобного гидрату силиката кальция, ( CSH ) фаз, образующихся вместе с портландитом ( Ca (OH)
2) В закаленной портланд цемента пасты после гидратации белита ( Ca
2SiO
4), искусственный кальциевый эквивалент форстерита.
Аналогия реакции 1с с гидратацией белита в обычном портландцементе:
- + → +
( Реакция 1d )
После реакции малорастворимые продукты реакции ( водный кремнезем или растворенные ионы магния ) могут переноситься в растворе из серпентинизированной зоны посредством диффузии или адвекции .
В аналогичном наборе реакций участвуют минералы группы пироксена , но с меньшей легкостью и усложнением дополнительных конечных продуктов из-за более широкого состава пироксеновых и пироксен-оливиновых смесей. Тальк и хлорит магния являются возможными продуктами вместе с серпентиновыми минералами антигоритом , лизардитом и хризотилом . Окончательная минералогия зависит как от состава породы, так и от флюида, температуры и давления. Антигорит образуется в реакциях при температурах, которые могут превышать 600 ° C (1112 ° F) во время метаморфизма, и это минерал группы серпентина, устойчивый при самых высоких температурах. Лизардит и хризотил могут образовываться при низких температурах очень близко к поверхности Земли. Флюиды, участвующие в образовании серпентинита, обычно обладают высокой реакционной способностью и могут переносить кальций и другие элементы в окружающие породы; флюидная реакция с этими породами может создавать зоны метасоматической реакции, обогащенные кальцием и называемые родингитами .
Однако в присутствии диоксида углерода серпентинизация может образовывать либо магнезит ( MgCO
3) или производят метан ( CH
4). Считается, что некоторые углеводородные газы могут образовываться в результате реакций серпентинита в океанической коре.
- + + → + +
( Реакция 2а )
Или в сбалансированной форме: [5]
- 18 мг
2SiO
4+ 6 Fe
2SiO
4+ 26 часов
2O + CO
2→ 12 мг
3Si
2О
5(ОЙ)
4+ 4 Fe
3О
4+ CH
4( Реакция 2а )
- + + → + + +
( Реакция 2b )
Реакция 2а является предпочтительной, если серпентинит беден магнием или если диоксида углерода недостаточно для стимулирования образования талька . Реакция 2b предпочтительна для высокомагнезиальных составов и низкого парциального давления диоксида углерода.
Степень серпентинизации массы ультраосновной породы зависит от исходного состава породы и от того, переносят ли флюиды кальций , магний и другие элементы во время процесса. Если композиция оливина содержит достаточное количество фаялита, то оливин плюс вода может полностью превратиться в серпентин и магнетит в замкнутой системе. Однако в большинстве ультраосновных пород, образованных в мантии Земли , оливин составляет около 90% конечного члена форстерита, и для того, чтобы этот оливин полностью реагировал с серпентином, магний должен быть выведен из реакционного объема.
Серпентинизация массы перидотита обычно разрушает все предыдущие текстурные свидетельства, потому что серпентиновые минералы являются слабыми и ведут себя очень пластично. Однако некоторые массы серпентинита менее сильно деформированы, о чем свидетельствует очевидное сохранение текстур, унаследованных от перидотита, и серпентиниты могли вести себя жестко.
Производство водорода анаэробным окислением ионов железа фаялита
Серпентин является продуктом реакции между водой и железом фаялита ( Fe2+
) ионы. Этот процесс интересен тем, что генерирует газообразный водород: [6] [7]
- + → + +
( Реакция 1а )
Упрощенно реакцию можно представить следующим образом: [5] [8]
- → + +
( Реакция 3e )
Эта реакция напоминает реакцию Шикорра, наблюдаемую при анаэробном окислении гидроксида двухвалентного железа при контакте с водой.
Внеземное производство метана серпентинизацией
Присутствие следов метана в атмосфере Марса было выдвинуто гипотезой как возможное свидетельство существования жизни на Марсе, если метан был произведен в результате деятельности бактерий . Серпентинизация была предложена в качестве альтернативного небиологического источника наблюдаемых следов метана. [9] [10]
Используя данные облетов зонда « Кассини», полученные в 2010–2012 годах, ученые смогли подтвердить, что у спутника Сатурна Энцелада, вероятно, есть океан жидкой воды под замерзшей поверхностью. Модель предполагает, что щелочной pH океана на Энцеладе составляет 11–12. [11] Высокий pH считается ключевым последствием серпентинизации хондритовых пород , что приводит к образованию H
2, геохимический источник энергии, который может поддерживать как абиотический, так и биологический синтез органических молекул. [11] [12]
Влияние на сельское хозяйство
Почвенный покров над коренной породой серпентинита имеет тенденцию быть слабым или отсутствовать. Почва с серпентином бедна кальцием и другими основными питательными веществами для растений, но богата элементами, токсичными для растений, такими как хром и никель. [13]
Использует
Декоративный камень в архитектуре и искусстве
Сорта серпентинита с более высоким содержанием кальцита, наряду с античным зеленым ( брекчия форма серпентинита), исторически использовались в качестве декоративных камней из-за их мраморных свойств. Колледж Холл в Университете Пенсильвании , например, построен из змеевика. До контакта с Америкой популярными источниками в Европе были горный регион Пьемонт в Италии и Лариса в Греции . [14] Серпентиниты по-разному используются в декоративно-прикладном искусстве. Например, камень в Саксонии перерабатывали уже несколько сотен лет. [15]
Инструменты для резьбы по камню, масляная лампа, известная как скульптура куллика и инуитов.
Инуиты и коренные жители арктических районов и в меньшей степени, в южных районах использовали вырезанный в форме чаши Серпентинита Qulliq или Kudlik лампу с фитилем, чтобы сжигать масло или жир тепло, сделать свет и готовить. Инуиты изготавливали инструменты, а в последнее время - резные фигурки животных для торговли.
Магнитный змеиный морж
Инуитский старейшина ухаживает за куликом, церемониальной масляной лампой, сделанной из серпентинита.
Швейцарский печной камень
Разнообразие хлоритовых тальковых сланцев, связанных с альпийским серпентинитом, найдено в Валь д'Аннивье , Швейцария, и использовалось для изготовления «печных камней» ( нем . Ofenstein ), резного каменного основания под чугунной печью. [16]
Нейтронный щит в ядерных реакторах
Серпентинит имеет значительное количество связанной воды , следовательно, он содержит множество атомов водорода, способных замедлять нейтроны за счет упругого столкновения ( процесс термализации нейтронов ). Благодаря этому серпентинит может использоваться в качестве сухого наполнителя внутри стальных рубашек в некоторых конструкциях ядерных реакторов . Например, в серии РБМК , как и в Чернобыле , он использовался для верхней радиационной защиты, чтобы защитить операторов от утечки нейтронов. [17] Серпентин также может быть добавлен в качестве заполнителя к специальному бетону, используемому для защиты ядерных реакторов, для увеличения плотности бетона (2,6 г / см 3 (0,094 фунта / куб. Дюйм)) и его поперечного сечения захвата нейтронов . [18] [19]
Культурные ссылки
Это скала штата Калифорния , США, и Законодательный орган Калифорнии определил, что серпантин был «официальной скалой штата и литологической эмблемой». [20] В 2010 году был внесен законопроект, отменяющий особый статус серпентина как государственной породы из-за того, что он потенциально содержит хризотиловый асбест. [21] Законопроект встретил сопротивление со стороны некоторых калифорнийских геологов, которые отметили, что присутствующий хризотил не опасен, если он не попадает в воздух в виде пыли. [22]
Смотрите также
- Связывание углерода - улавливание и долгосрочное хранение атмосферного углекислого газа.
- Обозначение химика цемента , также полезно для силикатных и оксидных реакций в минералогии
- Обезвоживание хризотила - наиболее часто встречающаяся форма асбеста.
- Обычный окислительно-восстановительный минеральный буфер - FMQ: фаялит-магнетит-кварц
- Геология полуострова Ящерица
- Гидратация белита в цементе (аналог гидратации форстерита)
- Гидротермальное поле в затерянном городе - гидротермальное поле в средней части Атлантического океана.
- Нефрит - разновидность нефрита
- Реакция Шикорра , включающая также образование магнетита и водорода по очень похожему механизму.
- Змеевидная почва - Тип почвы, почва, полученная из серпентиновых минералов.
- Подгруппа серпентинов - Породообразующий водный филлосиликат магния и железа, основные минералы которого составляют серпентинит.
- Мыльный камень
- Карбонат талька
- Водородный цикл
Рекомендации
- ^ Schoenherr, Allan A. (11 июля 2017). Естественная история Калифорнии: второе издание . Univ of California Press. С. 35–. ISBN 9780520295117. Дата обращения 6 мая 2017 .
- ^ «Змеиное определение» . Словарь по геологии . Проверено 23 октября 2018 года .
- ^ a b c Серпентинизация: тепловая машина в Затерянном городе и губка океанической коры.
- ^ Коулман, Роберт Г. (1977). Офиолиты . Springer-Verlag. С. 100–101. ISBN 978-3540082767.
- ^ а б Рассел, MJ; Холл, AJ; Мартин, В. (2010). «Серпентинизация как источник энергии у истоков жизни». Геобиология . 8 (5): 355–371. DOI : 10.1111 / j.1472-4669.2010.00249.x . PMID 20572872 .
- ^ «Образование метана и водорода из горных пород - источники энергии для жизни» . Проверено 6 ноября 2011 года .
- ^ Сон, NH; А. Мейбом, Th. Фридрикссон, Р. Г. Коулман, Д. К. Берд (2004). «H 2 -содержащие флюиды от серпентинизации: геохимические и биотические последствия» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (35): 12818–12823. Bibcode : 2004PNAS..10112818S . DOI : 10.1073 / pnas.0405289101 . PMC 516479 . PMID 15326313 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Шренк, Миссури; Brazelton, WJ; Ланг, SQ (2013). «Серпентинизация, углерод и глубокая жизнь». Обзоры по минералогии и геохимии . 75 (1): 575–606. Bibcode : 2013RvMG ... 75..575S . DOI : 10.2138 / rmg.2013.75.18 .
- ^ Бауком, Мартин (март – апрель 2006 г.). "Жизнь на Марсе?". Американский ученый . 94 (2): 119–120. DOI : 10.1511 / 2006.58.119 . JSTOR 27858733 .
- ^ esa. «Тайна метана» . Европейское космическое агентство . Проверено 22 апреля 2019 .
- ^ а б Р. Глейн, Кристофер; Баросс, Джон А .; Уэйт, Хантер (16 апреля 2015 г.). «PH океана Энцелада». Geochimica et Cosmochimica Acta . 162 : 202–219. arXiv : 1502.01946 . Bibcode : 2015GeCoA.162..202G . DOI : 10.1016 / j.gca.2015.04.017 . S2CID 119262254 .
- ^ Уолл, Майк (7 мая 2015 г.). «Океан на Луне Сатурна Энцелад может иметь потенциальный источник энергии для поддержания жизни» . Space.com . Дата обращения 8 мая 2015 .
- ^ "Веб-сайт CVO - Серпентин и серпентинит". Архивировано 19 октября 2011 г. на Wayback Machine , Геология геологии США / NPS на веб-сайте парков , сентябрь 2001 г., по состоянию на 27 февраля 2011 г.
- ^ Ашерст, Джон. Даймс, Фрэнсис Г. Сохранение строительного и декоративного камня . Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн, 1990, стр. 51.
- ^ Ева Мария Хойер: Sächsischer Serpentin: ein Stein und seine Verwendung . Издание Лейпциг, Лейпциг 1996, стр. 20–22.
- ^ Талькозных-сланцы из кантона Вале. Томагс Бонни, (Geol. Mag., 1897, NS, [iv], 4, 110-116) аннотация
- ^ Литовский энергетический институт (28 мая 2011 г.). «Проектирование конструкций, элементов, оборудования и систем» . Источники Игналины . Проверено 28 мая 2011 года .
- ^ Aminian, A .; Nematollahi, MR; Haddad, K .; Мехдизаде, С. (3–8 июня 2007 г.). Определение параметров экранирования для различных типов бетонов методами Монте-Карло (PDF) . ICENES 2007: Международная конференция по новым системам ядерной энергии. Сессия 12B: Радиационные эффекты. Стамбул, Турция. п. 7.
- ^ Abulfaraj, Waleed H .; Салах М. Камаль (1994). «Оценка ильменитового серпентинового бетона и обычного бетона в качестве защиты ядерного реактора». Радиационная физика и химия . 44 (1–2): 139–148. Bibcode : 1994RaPC ... 44..139A . DOI : 10.1016 / 0969-806X (94) 90120-1 . ISSN 0969-806X .
- ^ Кодекс правительства Калифорнии § 425.2; видеть«Архивная копия» . Архивировано из оригинального 28 июня 2009 года . Проверено 24 декабря 2009 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Фимрите, Петр (16 июля 2010 г.). «Геологи протестуют против законопроекта об удалении государственной породы» . SFGate . Проверено 17 апреля 2018 года .
- ^ Фразелл, Джули; Элкинс, Рэйчел; О'Джин, Энтони; Рейнольдс, Роберт; Мейерс, Джеймс. «Факты о серпентиновых породах и почвах, содержащих асбест в Калифорнии» (PDF) . Каталог ANR . Отделение сельского хозяйства и природных ресурсов Калифорнийского университета . Проверено 17 апреля 2018 года .
Внешние ссылки
- [1] Гидротермальное поле Лост-Сити, Срединно-Атлантический хребет : серпентинизация, движущая сила системы.
- H 2 -содержащие флюиды от серпентинизации: геохимические и биотические последствия : Труды Национальной академии наук .