La serpentinización es una hidratación y transformación metamórfica de minerales ferromagnesianos, como el olivino y el piroxeno , en roca máfica y ultramáfica para producir serpentinita . [1] Los minerales formados por serpentinización incluyen los minerales del grupo de las serpentinas (antigorita, lagardita, crisotilo), brucita , talco , aleaciones de Ni-Fe y magnetita . [1] [2] La alteración mineral es particularmente importante en el fondo del mar en los límites de las placas tectónicas . [3] [4]
La serpentinización es una forma de metamorfismo a baja temperatura (0 a ~600 °C) [5] de minerales ferromagnesianos en rocas máficas y ultramáficas , como dunita , harzburgita o lherzolita . Estas son rocas bajas en sílice y compuestas principalmente de olivino ( (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 ), piroxeno ( XY(Si,Al) 2 O 6 ) y cromita (aproximadamente FeCr 2 O 4 ). La serpentinización es impulsada en gran medida por la hidratación y oxidación del olivino y el piroxeno a minerales del grupo serpentina (antigorita, lagardita y crisotilo), brucita ( Mg (OH) 2 ) , talco ( Mg3Si4O10 (OH) 2 ) y magnetita . ( Fe3O4 ) . [2] Bajo las condiciones químicas inusuales que acompañan a la serpentinización, el agua es el agente oxidante y a su vez se reduce a hidrógeno, H.
2. Esto conduce a reacciones adicionales que producen minerales elementales nativos del grupo del hierro raros , como la awaruita ( Ni) .
3Fe ) y hierro nativo ; metano y otros compuestos de hidrocarburos ; y sulfuro de hidrógeno . [ dieciséis]
Durante la serpentinización, la roca absorbe grandes cantidades de agua, aumentando el volumen, reduciendo la densidad y destruyendo la estructura original. [7] La densidad cambia de 3,3 a 2,5 g/cm 3 (0,119 a 0,090 lb/cu in) con un aumento de volumen simultáneo del orden del 30-40%. [8] La reacción es altamente exotérmica , liberando hasta 40 kilojulios (9,6 kcal) por mol de agua que reacciona con la roca, y la temperatura de la roca puede elevarse en aproximadamente 260 °C (500 °F), [9] [10] proporcionando una fuente de energía para la formación de respiraderos hidrotermales no volcánicos . [11] El hidrógeno, el metano y el sulfuro de hidrógeno producidos durante la serpentinización se liberan en estos respiraderos y proporcionan fuentes de energía para los microorganismos quimiotrofos de las profundidades marinas . [12] [9]
La olivina es una solución sólida de forsterita , el extremo de magnesio de (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 , y fayalita , el extremo de hierro , y la forsterita normalmente constituye alrededor del 90% del olivino en las rocas ultramáficas. [13] La serpentina se puede formar a partir de olivino mediante varias reacciones:
La reacción 1a une firmemente la sílice, reduciendo su actividad química a los valores más bajos observados en las rocas comunes de la corteza terrestre . [14] La serpentinización luego continúa a través de 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 mezcla con la serpentina de modo que es difícil de identificar excepto con difracción de rayos X , y se altera fácilmente en condiciones de intemperie de la superficie. [dieciséis]
Un conjunto similar de reacciones involucra minerales del grupo piroxeno :
La reacción 2a se detiene rápidamente cuando la sílice deja de estar disponible y la reacción 2b toma el control. [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. [dieciséis]
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 serpentino estable a las temperaturas más altas. La lagardita y el crisotilo pueden formarse a bajas temperaturas muy cerca de la superficie de la Tierra. [18]
Las rocas ultramáficas suelen contener piroxeno ( diópsido ) rico en calcio , que se descompone según la reacción:
Esto eleva tanto el pH , a menudo a valores muy altos, como el contenido de calcio de los fluidos involucrados en la serpentinización. Estos fluidos son altamente reactivos y pueden transportar calcio y otros elementos a las rocas máficas circundantes . La reacción fluida con estas rocas puede crear zonas de reacción metasomática enriquecidas en calcio y empobrecidas en sílice, llamadas rodingitas . [19]
En la mayoría de las rocas de la corteza terrestre, el amortiguador de fayalita-magnetita-cuarzo (FMQ) evita que la actividad química del oxígeno caiga a valores muy bajos . [20] La muy baja actividad química de la sílice durante la serpentinización elimina este tampón, lo que permite que la serpentinización produzca condiciones altamente reductoras . [14] En estas condiciones, el agua es capaz de oxidar metales ferrosos ( Fe2+
) iones en fayalita. El proceso es de interés porque genera gas hidrógeno: [1] [21] [22]
Sin embargo, los estudios de serpentinitas sugieren que los minerales de hierro se convierten primero en brucita ferroana, es decir, brucita que contiene Fe (OH) 2 , [23] que luego sufre la reacción de Schikorr en las condiciones anaeróbicas de serpentinización: [24] [25]
Las condiciones reductoras máximas y la tasa máxima de producción de hidrógeno ocurren cuando la temperatura de serpentinización está entre 200 y 315 °C (392 y 599 °F) [26] y cuando los fluidos están subsaturados con carbonatos. [1] Si la roca ultramáfica original (el protolito ) es peridotita, que es rica en olivino, se produce una cantidad considerable de magnetita e hidrógeno. Cuando el protolito es piroxenita, que contiene más piroxeno que olivino, se produce talco rico en hierro sin magnetita y con sólo una modesta producción de hidrógeno. La infiltración de fluidos que contienen sílice durante la serpentinización puede suprimir tanto la formación de brucita como la posterior producción de hidrógeno. [27]
La cromita presente en el protolito se transformará en magnetita rica en cromo a temperaturas de serpentinización más bajas. A temperaturas más altas, se transformará en cromita rica en hierro (ferrit-cromita). [28] Durante la serpentinización, la roca se enriquece en cloro , boro , flúor y azufre. El azufre se reducirá a sulfuro de hidrógeno y minerales de sulfuro, aunque se incorporan cantidades significativas a los minerales de serpentina, y algunos pueden reoxidarse más tarde a minerales de sulfato como la anhidrita . [29] Los sulfuros producidos incluyen sulfuros ricos en níquel, como la mackinawita . [30]
Los experimentos de laboratorio han confirmado que a una temperatura de 300 °C (572 °F) y una presión de 500 bares, el olivino serpentiniza con liberación de gas hidrógeno. Además, mediante la reducción del dióxido de carbono se forman metano e hidrocarburos complejos. El proceso puede ser catalizado por magnetita formada durante la serpentinización. [6] Una vía de reacción es: [24]
La lagardita y el crisotilo son estables a bajas temperaturas y presiones, mientras que la antigorita es estable a temperaturas y presiones más altas. [31] Su presencia en una serpentinita indica que la serpentinización tuvo lugar a una presión y temperatura inusualmente altas o que la roca experimentó un metamorfismo de mayor grado después de que se completó la serpentinización. [2]
La infiltración de fluidos que contienen CO 2 en la serpentinita provoca una alteración distintiva del carbonato de talco . [32] La brucita se convierte rápidamente en magnesita y los minerales de serpentina (distintos de la antigorita) se convierten en talco. La presencia de pseudomorfos de los minerales de serpentinita originales muestra que esta alteración se produce después de la serpentinización. [2]
La serpentinita puede contener clorita (un mineral filosilicato ), tremolita (Ca 2 (Mg 5,0-4,5 Fe 2+ 0,0-0,5 ) Si 8 O 22 (OH) 2 ), y olivino metamórfico y diópsido (piroxeno rico en calcio). Esto indica que la serpentinita ha estado sujeta a un metamorfismo más intenso, alcanzando las facies metamórficas superiores de esquisto verde o anfibolita . [2]
Por encima de aproximadamente 450 °C (842 °F), la antigorita comienza a descomponerse. Por tanto, la serpentinita no existe en facies metamórficas superiores. [12]
Se ha planteado la hipótesis de que la presencia de trazas de metano en la atmósfera de Marte es 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. [33] [34] En 2022 se informó que el examen microscópico del meteorito ALH 84001 , que vino de Marte, muestra que, de hecho, la materia orgánica que contiene se formó por serpentinización, no por procesos de vida. [35] [36]
Utilizando datos de los sobrevuelos de la sonda Cassini obtenidos entre 2010 y 2012, los científicos pudieron confirmar que la luna Encélado de Saturno probablemente tenga un océano de agua líquida debajo de su superficie congelada. Un modelo sugiere que el océano de Encelado tiene un pH alcalino de 11 a 12. [37] Se interpreta que el alto pH es una consecuencia clave de la serpentinización de la roca condrítica , que conduce a la generación de H
2, una fuente geoquímica de energía que puede sustentar la síntesis tanto abiótica como biológica de moléculas orgánicas. [37] [38]
La serpentinización ocurre en las dorsales oceánicas , en el manto del antearco de las zonas de subducción , en paquetes de ofiolitas y en intrusiones ultramáficas. [3] [4]
Las condiciones son muy favorables para la serpentinización en las dorsales oceánicas de expansión lenta a ultralenta. [8] Aquí la tasa de extensión de la corteza es alta en comparación con el volumen de magmatismo, lo que acerca la roca del manto ultramáfico a la superficie, donde la fracturación permite que el agua de mar se infiltre en la roca. [11]
La serpentinización en las dorsales oceánicas de lenta expansión puede causar que la discontinuidad sísmica de Moho se coloque en el frente de serpentinización, en lugar de en la base de la corteza como se define por los criterios petrológicos normales. [39] [8] El macizo de Lanzo de los Alpes italianos muestra un frente de serpentinización pronunciado que puede ser un Moho sísmico relicto. [40]
La serpentinización es un fenómeno importante en las zonas de subducción que tiene un fuerte control sobre el ciclo del agua y la geodinámica de una zona de subducción. [41] Aquí la roca del manto se enfría mediante la losa en subducción a temperaturas en las que la serpentinita es estable, y los fluidos se liberan desde la losa en subducción en grandes cantidades hacia la roca del manto ultramáfico. [41] La evidencia directa de que se está produciendo serpentinización en el arco de islas de las Islas Marianas la proporciona la actividad de los volcanes de lodo serpentinita . Los volcanes de lodo hacen erupción ocasionalmente xenolitos de harzburgita y (menos comúnmente) de dunita, lo que da pistas sobre la naturaleza del protolito. [42]
Debido a que la serpentinización reduce la densidad de la roca original, la serpentinización 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. [43]
La roca ultramáfica serpentinizada se encuentra en muchas ofiolitas . Las ofiolitas son fragmentos de litosfera oceánica que han sido empujados a los continentes, un proceso llamado obducción . [44] Por lo general, consisten en una capa de harzburgita serpentinizada (a veces llamada peridotita alpina en escritos más antiguos), una capa de diabasas y basaltos tipo almohada alterados hidrotermalmente , y una capa de sedimentos de aguas profundas que contienen pedernal de cinta radiolaria . [45]
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 conducirá a una menor velocidad de onda de corte y a un mayor índice de Poisson . [46] Las mediciones sísmicas confirman que la serpentinización es omnipresente en el manto del antearco. [47] 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 lo 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. [46]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )