La serpentinización es una hidratación y transformación metamórfica de minerales ferromagnésicos, como el olivino y el piroxeno , en rocas máficas y ultramáficas para producir serpentinita . [1] Los minerales formados por serpentinización incluyen los minerales del grupo de la serpentina ( antigorita , lizardita , crisotilo ), brucita , talco , aleaciones de Ni-Fe y magnetita . [1] [2] La alteración mineral es particularmente importante en el fondo marino en los límites de las placas tectónicas . [3] [4]
La serpentinización es una forma de metamorfismo de baja temperatura (0 a ~600 °C) [5] de minerales ferromagnésicos en rocas máficas y ultramáficas , como la dunita , la harzburgita o la 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 de olivino y piroxeno a minerales del grupo de la serpentina (antigorita, lizardita y crisotilo), brucita ( Mg(OH) 2 ), talco ( Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ) y magnetita ( Fe 3 O 4 ). [2] En las condiciones químicas inusuales que acompañan a la serpentinización, el agua es el agente oxidante y se reduce a hidrógeno, H
2Esto conduce a reacciones adicionales que producen minerales de elementos nativos del grupo del hierro raro , como la awaruita ( Ni
3Fe ) y hierro nativo ; metano y otros compuestos de hidrocarburos ; y sulfuro de hidrógeno . [1] [6]
Durante la serpentinización, grandes cantidades de agua son absorbidas por la roca, 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 concurrente 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 las temperaturas de la roca pueden 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 quimiótrofos de aguas profundas . [12] [9]
La olivina es una solución sólida de forsterita , el miembro terminal de magnesio de (Mg 2+ , Fe 2+ ) 2 SiO 4 , y fayalita , el miembro terminal de hierro , y la forsterita generalmente constituye alrededor del 90% de la olivina en rocas ultramáficas. [13] La serpentina se puede formar a partir de olivina a través de varias reacciones:
La reacción 1a une fuertemente la sílice, reduciendo su actividad química a los valores más bajos observados en 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 tal manera que es difícil de identificar excepto con difracción de rayos X , y se altera fácilmente bajo condiciones de meteorización de la superficie. [16]
Un conjunto similar de reacciones involucra minerales del grupo piroxeno :
La reacción 2a se detiene rápidamente cuando la sílice ya no está disponible y la reacción 2b toma el control. [17] Cuando el olivino es abundante, la actividad de la sílice cae 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 de la del fluido, de la temperatura y de 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 las serpentinas 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 a menudo contienen piroxeno rico en calcio ( diópsido ), 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 de los fluidos con estas rocas puede crear zonas de reacción metasomáticas enriquecidas en calcio y empobrecidas en sílice, llamadas rodingitas . [19]
En la mayoría de las rocas de la corteza, la actividad química del oxígeno no puede caer a valores muy bajos gracias al tampón fayalita-magnetita-cuarzo (FMQ) . [20] La actividad química muy baja 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 el ferroso ( 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 ferrosa, es decir, brucita que contiene Fe(OH) 2 , [23] que luego experimenta la reacción de Schikorr en las condiciones anaeróbicas de serpentinización: [24] [25]
Las condiciones máximas de reducción y la tasa máxima de producción de hidrógeno se dan cuando la temperatura de serpentinización está entre 200 y 315 °C (392 y 599 °F) [26] y cuando los fluidos están subsaturados de carbonato. [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 solo con una producción modesta 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 con 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 se serpentina con liberación de gas hidrógeno. Además, se forman metano e hidrocarburos complejos mediante la reducción del dióxido de carbono. El proceso puede ser catalizado por la 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 CO2 en la serpentinita provoca una alteración distintiva de talco-carbonato . [32] La brucita se convierte rápidamente en magnesita y los minerales de serpentina (excepto la antigorita) se convierten en talco. La presencia de pseudomorfos de los minerales de serpentinita originales muestra que esta alteración tiene lugar 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 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 esquisto verde superior o anfibolita . [2]
Por encima de los 450 °C (842 °F), la antigorita comienza a descomponerse, por lo que 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 se produjo por actividad bacteriana . Se ha propuesto la serpentinización 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 vitales. [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 tiene un océano de agua líquida debajo de su superficie congelada. Un modelo sugiere que el océano de Encélado tiene un pH alcalino de 11-12. [37] Se interpreta que el pH alto 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 ofiolíticos y en intrusiones ultramáficas. [3] [4]
Las condiciones son altamente 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, llevando la roca del manto ultramáfico muy cerca de la superficie donde la fracturación permite que el agua de mar se infiltre en la roca. [11]
La serpentinización en las dorsales oceánicas de expansión lenta puede hacer que la discontinuidad sísmica de Moho se ubique en el frente de serpentinización, en lugar de en la base de la corteza, como lo definen los criterios petrológicos normales. [39] [8] El macizo de Lanzo de los Alpes italianos muestra un frente de serpentinización agudo 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 es enfriada por la placa en subducción a temperaturas en las que la serpentinita es estable, y los fluidos se liberan desde la placa en subducción en grandes cantidades hacia la roca del manto ultramáfica. [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 de serpentinita . Ocasionalmente, los volcanes de lodo hacen erupción xenolitos de harzburgita y (con menos frecuencia) dunita, lo que proporciona pistas sobre la naturaleza del protolito. [42]
Debido a que la serpentinización reduce la densidad de la roca original, la serpentinización puede llevar al levantamiento o exhumación de serpentinitas a la superficie, como ocurrió con la serpentinita expuesta en el Presidio de San Francisco después del 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 hacia 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 alteradas hidrotermalmente y basaltos almohadillados , y una capa de sedimentos de aguas profundas que contienen sílex en cinta de radiolarios . [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 las ondas de corte y a una mayor relación de Poisson . [46] Las mediciones sísmicas confirman que la serpentinización es generalizada en el manto del antearco. [47] La serpentinización puede producir una discontinuidad de Moho invertida , en la que la velocidad sísmica disminuye abruptamente a lo largo del límite entre la corteza y el manto, lo que es lo opuesto al comportamiento habitual. La serpentinita es altamente deformable, lo que crea 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 terremotos de megathrust, ya que impiden la ruptura en el manto del antearco. [46]
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