Serpentinizare

Serpentinization este un proces geologic de temperatură scăzută metamorfism care implică căldură și apă în care mafice și roci ultramafic cu un nivel scăzut de silice sunt conținut oxidat (oxidarea anaerobă a Fe ²⁺ protonilor care produc _H2 apă) și hidrolizat cu serpentinite apă. Peridotul , inclusiv dunita de pe fundul mării și în lanțurile muntoase, sunt transformate în serpentină , brucită , magnetit și alte minerale - unele la fel de rare precum awaruite (Ni ₃ Fe), precum și fierul nativ . În timpul procesului, cantități mari de apă sunt absorbite de rocă, determinând creșterea volumului și distrugerea structurii. ^[1]

Densitatea scade de la 3,3 la 2,7 g / cm³ cu o creștere a volumului de aproximativ 40%. Reacția este exotermă și implică producerea unei cantități mari de căldură. ^[1]

Temperatura rocii poate crește până la 260 ° C, ^[1] oferind o sursă de energie pentru formarea izvoarelor hidrotermale care nu sunt legate de activitatea vulcanică. Reacțiile chimice de formare a magnetitei produc hidrogen gazos în condițiile anaerobe predominante adânc în mantaua Pământului , departe de atmosfera Pământului . În consecință, carbonații și sulfații sunt reduși de hidrogen formând astfel metan și hidrogen sulfurat . Hidrogenul, metanul și hidrogenul sulfurat furnizează o sursă de energie pentru microorganismele chemotrofice din marea adâncă. ^[1]

Reacții de serpentinizare

Serpentinita se formează din olivină prin diferite reacții, dintre care unele sunt complementare. Olivina este o soluție solidă de minerale cuprinse între termenii puri de forsterit ( Mg ) și fayalit ( Fe ). Reacțiile de serpentinizare 1a și 1b schimbă silice între forsterit și fayalit pentru a forma minerale din grupul serpentin și magnetit. Sunt reacții puternic exoterme.

Reacția 1a :
Fayalit + apă → magnetit + silice apoasă + hidrogen

\mathrm {3Fe_{2}SiO_{4}+2H_{2}O}

{\ displaystyle \ mathrm {3Fe_ {2} SiO_ {4} + 2H_ {2} O}}

{\ displaystyle \ mathrm {3Fe_ {2} SiO_ {4} + 2H_ {2} O}}

→

\mathrm {2Fe_{3}O_{4}+3SiO_{2}+2H_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {2Fe_ {3} O_ {4} + 3SiO_ {2} + 2H_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {2Fe_ {3} O_ {4} + 3SiO_ {2} + 2H_ {2}}}

Reacția 1b :
Forsterit + silice + apă → serpentină

\mathrm {3Mg_{2}SiO_{4}+SiO_{2}+4H_{2}O}

{\ displaystyle \ mathrm {3Mg_ {2} SiO_ {4} + SiO_ {2} + 4H_ {2} O}}

{\ displaystyle \ mathrm {3Mg_ {2} SiO_ {4} + SiO_ {2} + 4H_ {2} O}}

→

\mathrm {2Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}}

{\ displaystyle \ mathrm {2Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4}}}

{\ displaystyle \ mathrm {2Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4}}}

Reacția 1c :
Forsterit + apă → serpentină + brucit

\mathrm {2Mg_{2}SiO_{4}+3H_{2}O}

{\ displaystyle \ mathrm {2Mg_ {2} SiO_ {4} + 3H_ {2} O}}

{\ displaystyle \ mathrm {2Mg_ {2} SiO_ {4} + 3H_ {2} O}}

→

\mathrm {Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+Mg(OH)_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Mg (OH) _ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Mg (OH) _ {2}}}

Reacția 1c descrie hidratarea olivinei cu apă numai pentru a produce serpentină și Mg (OH) ₂ ( brucită ). Serpentina este stabilă la un pH ridicat în prezența brucitei doar ca faze hidratate de silicat de calciu care se formează cu portlandit (Ca (OH) ₂ ) în ciment Portland întărit după hidratarea belitei (Ca ₂ SiO ₄ ), l analog artificial conținând calciu forsterit.

Analogia reacției 1c cu hidratarea belitei în cimentul Portland obișnuit :
Belite + apă → faza CSH + portlandit

2 Ca ₂ SiO ₄ + 4 H ₂ O → 3 CaO 2 SiO ₂ 3 H ₂ O + Ca (OH) ₂

După reacție, produsele slab solubile ( acid silicic ) sau ionii de magneziu dizolvați ) pot fi transportați în soluție în afara zonei serpentinizate prin difuzie sau advecție .

O serie de reacții similare implică mineralele din grupul piroxen chiar dacă mai puțin ușor și cu complicația altor produse finale datorită variabilității mai mari a compoziției piroxenului și a amestecurilor piroxen-olivină. Produsele posibile sunt talcul și cloritul bogate în magneziu, împreună cu alte minerale din grupul serpentin antigorit , lizardit și crizotil . Compoziția mineralogică finală depinde atât de compoziția rocii, cât și a fluidelor, de temperatură și de presiune. Antigoritul se formează la temperaturi peste 600 ° C în timpul fazelor metamorfice și acesta este mineralul grupului serpentin stabil la cele mai înalte temperaturi. Lizardita și crizotilul se formează la temperaturi mai mici foarte aproape de suprafața pământului. Fluidele implicate în formarea serpentinei sunt în general foarte reactive și pot transporta calciu și alte elemente în jurul rocilor din jur; reacția fluidului cu aceste roci poate provoca zone de reacție metasomatică îmbogățite cu calciu numite rodingite .

În prezența dioxidului de carbon , serpentinization poate duce la formarea de magnezită (MgCO ₃₎ sau de a genera metan _(CH4). Se crede că unele hidrocarburi gazoase pot fi produse de reacțiile serpentinitei cu scoarța oceanică.

Reacția 2a :

Olivină + apă + acid carbonic → serpentină + magnetit + metan

\mathrm {(Fe,Mg)_{2}SiO_{4}+nH_{2}O+CO_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {(Fe, Mg) _ {2} SiO_ {4} + nH_ {2} O + CO_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {(Fe, Mg) _ {2} SiO_ {4} + nH_ {2} O + CO_ {2}}}

→

\mathrm {Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+Fe_{3}O_{4}+CH_{4}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Fe_ {3} O_ {4} + CH_ {4}}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Fe_ {3} O_ {4} + CH_ {4}}}

sau în formă echilibrată:

\mathrm {18Mg_{2}SiO_{4}+6Fe_{2}SiO_{4}+26H_{2}O+CO_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {18Mg_ {2} SiO_ {4} + 6Fe_ {2} SiO_ {4} + 26H_ {2} O + CO_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {18Mg_ {2} SiO_ {4} + 6Fe_ {2} SiO_ {4} + 26H_ {2} O + CO_ {2}}}

→

\mathrm {12Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+4Fe_{3}O_{4}+CH_{4}}

{\ displaystyle \ mathrm {12Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + 4Fe_ {3} O_ {4} + CH_ {4}}}

{\ displaystyle \ mathrm {12Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + 4Fe_ {3} O_ {4} + CH_ {4}}}

Reacția 2b :

Olivină + apă + acid carbonic → serpentină + magnetit + magnezit + silice

\mathrm {(Fe,Mg)_{2}SiO_{4}+nH_{2}O+CO_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {(Fe, Mg) _ {2} SiO_ {4} + nH_ {2} O + CO_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {(Fe, Mg) _ {2} SiO_ {4} + nH_ {2} O + CO_ {2}}}

→

\mathrm {Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+Fe_{3}O_{4}+MgCO_{3}+SiO_{2}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Fe_ {3} O_ {4} + MgCO_ {3} + SiO_ {2}}}

{\ displaystyle \ mathrm {Mg_ {3} Si_ {2} O_ {5} (OH) _ {4} + Fe_ {3} O_ {4} + MgCO_ {3} + SiO_ {2}}}

Reacția 2a este favorizată dacă serpentina are un conținut scăzut de magneziu sau dacă nu există suficient dioxid de carbon pentru a favoriza formarea talcului. Reacția 2b este favorizată în compoziții bogate în magneziu și presiune parțială scăzută de dioxid de carbon.

Gradul în care o masă de rocă ultrafemică suferă serpentinizare depinde de compoziția inițială a rocii și dacă fluidele transportă sau nu calciu, magneziu și alte elemente în timpul procesului. Dacă compoziția olivinei conține o cantitate suficientă de fayalit, atunci măslinul și apa pot fi complet transformate în serpentină și magnetit într-un sistem închis. Cu toate acestea, în majoritatea rocilor ultrafemice care alcătuiesc mantaua Pământului, olivina conține aproximativ 90% din forsterită, prin urmare, pentru ca olivina să se transforme complet în serpentină, magneziul trebuie îndepărtat din masa care participă la reacție.

Serpentinizarea unei mase de peridotită distruge, în general, orice dovadă a structurii anterioare, deoarece mineralele grupului serpentin sunt slabe și reacționează foarte ductil. Cu toate acestea, unele mase de serpentinină suferă o deformare minoră, dovadă fiind conservarea aparentă a microstructurii de rocă derivată din peridotită și, prin urmare, serpentinitele ar fi putut reacționa cu o rigiditate mai mare.

Producția de hidrogen din oxidarea anaerobă a ionilor feroși de fayalit

În absența oxigenului atmosferic (O ₂ ), o condiție predominantă departe de atmosfera terestră, hidrogenul (H ₂ ) este produs de oxidarea anaerobă a ionilor feroși (Fe ²⁺ ) prezenți în rețeaua cristalină a fayalitei de către protoni ( H ⁺ ) de apă. ^[2] ^[3]

Având în vedere trei unități de fayalit (Fe ₂ (SiO ₄ )) pentru a evidenția stoichiometria și echilibrul de masă al formulei, patru ioni feroși sunt oxidați de protonii apei, în timp ce ceilalți doi rămân neoxidați. Neglijând anionii ortosilicate care nu sunt implicați în procesul redox , este posibil să se scrie schematic două reacții redox pe jumătate:

4 (Fe ²⁺ → Fe ³⁺ + și ^- ) (oxidarea ionilor feroși)

2 (H ₂ O + 2 e ^- → O ^2– + H ₂ ) (reducerea protonilor la hidrogen)

Acest lucru duce la redox total care implică oxidarea ionilor feroși de către apă:

4 Fe ²⁺ + 2 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 2 O ^2– + 2 H ₂

Cei doi ioni feroși neoxidați (Fe ²⁺ ) încă disponibili în cele trei unități de fayalit se combină în cele din urmă cu cei patru cationi ferici (Fe ³⁺ ) și anionii oxigenului (O ^2– ) pentru a forma patru unități de magnetit (Fe ₃ OR ₄ ).

În final, ținând cont de rearanjamente datorate anionii ortosilicâtul în silice liberă (SiO ₂₎ și anionii liberi de oxigen (O ^2), este posibil să se scrie reacția completă a oxidării anaerobă și hidroliza faialit în conformitate cu următorul echilibru de masă:

3 Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

fayalit + apă → magnetit + cuarț + hidrogen

Această reacție este foarte asemănătoare cu reacția Schikorr observată în oxidarea anaerobă a hidroxidului de fier în contact cu apa:

3 Fe (OH) ₂ → Fe ₃ O ₄ + 2 H ₂ O + H ₂

hidroxid feros → magnetit + apă + hidrogen

Producerea de metan abiotic pe Marte datorită serpentinizării

Se presupune că prezența urmelor de metan în atmosfera lui Marte este o dovadă în favoarea vieții pe Marte dacă metanul a fost produs de activitatea bacteriană . Serpentinizarea a fost propusă ca o alternativă sursă non-biologică pentru urmele de metan observate ^[4] ^[5] , deși nu explică fenomenul variației sezoniere a concentrației de metan în atmosferă ^[6] .

Notă

^ ^a ^b ^c ^d Serpentinizare: motorul termic la Lost City și buretele crustei oceanice
^ Formarea de metan și hidrogen din roci - Surse de energie pentru viață , la lostcity.washington.edu . Adus la 6 noiembrie 2011 .
^ . (EN) NH Sleep, A. Meibom, Th Fridriksson, RG Coleman, DK Bird, _H2 din serpentinization fluide bogate: Geochimice și implicațiile biotice , în Proceedings al Academiei Naționale de Științe a Statelor Unite ale Americii, vol . 101, nr. 35, 2004, pp. 12818–12823, DOI : 10.1073 / pnas.0405289101 . Adus la 6 noiembrie 2011 .
^ Viața pe Marte? , în American Scientist , martie - aprilie 2006. Accesat la 1 iunie 2009 (arhivat din original la 15 iunie 2017) .
^ Metan: dovezi ale vieții pe Marte? , pe redorbit.com . Adus la 1 iunie 2009 .
^ Enrico Flamini, Red Planet Objective , în The Sciences , 578 (octombrie 2016), pp. 28-35.

Portalul de geologie

Portal de mineralogie

[LC-1] Serpentinizare: motorul termic la Lost City și buretele crustei oceanice

[2] Formarea de metan și hidrogen din roci - Surse de energie pentru viață , la lostcity.washington.edu . Adus la 6 noiembrie 2011 .

[3] . (EN) NH Sleep, A. Meibom, Th Fridriksson, RG Coleman, DK Bird, _H2 din serpentinization fluide bogate: Geochimice și implicațiile biotice , în Proceedings al Academiei Naționale de Științe a Statelor Unite ale Americii, vol . 101, nr. 35, 2004, pp. 12818–12823, DOI : 10.1073 / pnas.0405289101 . Adus la 6 noiembrie 2011 .

[4] Viața pe Marte? , în American Scientist , martie - aprilie 2006. Accesat la 1 iunie 2009 (arhivat din original la 15 iunie 2017) .

[5] Metan: dovezi ale vieții pe Marte? , pe redorbit.com . Adus la 1 iunie 2009 .

[6] Enrico Flamini, Red Planet Objective , în The Sciences , 578 (octombrie 2016), pp. 28-35.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]