Serpentinite - Serpentinite
Serpentinita é uma rocha composta por um ou mais minerais do grupo serpentino , cujo nome se origina da semelhança da textura da rocha com a da pele de uma cobra. Os minerais deste grupo, ricos em magnésio e água, verde claro a escuro, aparência gordurosa e sensação escorregadia, são formados pela serpentinização , uma hidratação e transformação metamórfica da rocha ultramáfica do manto terrestre . A alteração mineral é particularmente importante no fundo do mar nos limites das placas tectônicas .
Formação e petrologia
A serpentinização é uma forma de metamorfismo de baixa temperatura de rochas ultramáficas , como dunito , harzburgito ou lherzolito . Estas são rochas com baixo teor de sílica e compostas principalmente por olivina , piroxênio e cromita . A serpentinização é impulsionada em grande parte pela hidratação e oxidação de olivina e piroxena em minerais serpentinos , brucita e magnetita . Nas condições químicas incomuns que acompanham a serpentinização, a água é o agente oxidante, sendo ela própria reduzida a hidrogênio, H
2. Isso leva a outras reações que produzem minerais do elemento nativo do grupo do ferro raro , como awaruita ( Ni
3Fe ) e ferro nativo ; metano e outros compostos de hidrocarbonetos ; e sulfeto de hidrogênio .
Durante a serpentinização, grandes quantidades de água são absorvidas pela rocha, aumentando o volume, reduzindo a densidade e destruindo a estrutura original. As mudanças de densidade de 3,3 a 2,5 g / cm 3 (0,119-0,090 lb / cu em) com um aumento de volume concomitante da ordem de 30-40%. A reação é altamente exotérmica e as temperaturas da rocha podem ser aumentadas em cerca de 260 ° C (500 ° F), fornecendo uma fonte de energia para a formação de fontes hidrotérmicas não vulcânicas . O hidrogênio, o metano e o sulfeto de hidrogênio produzidos durante a serpentinização são liberados nessas aberturas e fornecem fontes de energia para os microrganismos quimiotróficos do fundo do mar .
A composição mineral final da serpentinita é geralmente dominada por lagarto , crisotila e magnetita. Brucita e antigorita estão menos comumente presentes. Lizardita, crisotila e antigorita são minerais serpentinos. Minerais acessórios, presentes em pequenas quantidades, incluem awaruita, outros minerais de metal nativos e minerais de sulfeto .
Formação de minerais serpentinos
A olivina é uma solução sólida de forsterita , o elemento final de magnésio , e fayalita , o elemento final de ferro , com a forsterita tipicamente constituindo cerca de 90% da olivina nas rochas ultramáficas. A serpentinita pode se formar a partir da olivina por meio de várias reações:
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+ + 4 H
2O →( Reação 1a )
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+ → +
( Reação 1b )
A reação 1a liga fortemente a sílica, reduzindo sua atividade química aos valores mais baixos observados em rochas comuns da crosta terrestre . A serpentinização continua por meio da hidratação da olivina para produzir a serpentina e a brucita (Reação 1b). A mistura de brucita e serpentina formada pela Reação 1b tem a menor atividade de sílica na serpentinita, de forma que a fase de brucita é muito importante no entendimento da serpentinização. No entanto, a brucita é freqüentemente misturada com a serpentina de tal forma que é difícil de identificar, exceto com difração de raios-X , e é facilmente alterada sob condições de intemperismo da superfície.
Um conjunto semelhante de reações envolve minerais do grupo piroxênio :
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+ + H
2O →( Reação 2a )
-
+ 3 H
2O → +( Reação 2b )
A Reação 2a rapidamente para quando a sílica se torna indisponível e a Reação 2b assume o controle. Quando a olivina é abundante, a atividade da sílica cai o suficiente para que o talco comece a reagir com a olivina:
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+ + →
( Reação 3 )
Esta reação requer temperaturas mais altas do que aquelas nas quais a brucita se forma.
A mineralogia final depende da composição da rocha e do fluido, da temperatura e da pressão. A antigorita se forma em reações a temperaturas que podem exceder 600 ° C (1.112 ° F) durante o metamorfismo, e é o mineral do grupo serpentina estável nas temperaturas mais altas. Lagarto e crisotila podem se formar em baixas temperaturas muito perto da superfície da Terra.
Repartição de diopsídio e formação de rodingitas
As rochas ultramáficas geralmente contêm piroxênio rico em cálcio ( diopsídio ), que se decompõe de acordo com a reação
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+ 6 H+
→ + 3 Ca2+
+ H
2O +( Reação 4 )
Isso aumenta o pH , geralmente para valores muito altos, e o conteúdo de cálcio dos fluidos envolvidos na serpentinização. Esses fluidos são altamente reativos e podem transportar cálcio e outros elementos para as rochas máficas circundantes . A reação do fluido com essas rochas pode criar zonas de reação metassomática enriquecidas em cálcio e empobrecidas em sílica, chamadas rodingitas .
Formação de magnetita e hidrogênio
Na maioria das rochas da crosta terrestre, a atividade química do oxigênio é impedida de cair para valores muito baixos pelo tampão de fayalita-magnetita-quartzo (FMQ) . A atividade química muito baixa da sílica durante a serpentinização elimina esse tampão, permitindo que a serpentinização produza condições altamente redutoras . Nessas condições, a água é capaz de oxidar ferrosos ( Fe2+
) íons na fayalita. O processo é interessante porque gera gás hidrogênio:
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+ → + +
( Reação 5 )
No entanto, estudos de serpentinitos sugerem que os minerais de ferro são primeiro convertidos em brucita ferroana, Fe (OH)
2, que então sofre a reação de Schikorr nas condições anaeróbias de serpentinização:
-
→ + +
( Reação 6 )
As condições de redução máxima e a taxa máxima de produção de hidrogênio ocorrem quando a temperatura de serpentinização está entre 200 e 315 ° C (392 e 599 ° F). Se a rocha ultramáfica original (o protólito ) for peridotito, que é rico em olivina, considerável magnetita e hidrogênio são produzidos. Quando o protólito é piroxenita, que contém mais piroxênio do que olivina, o talco rico em ferro é produzido sem magnetita e apenas uma modesta produção de hidrogênio. A infiltração de fluidos contendo sílica durante a serpentinização pode suprimir a formação de brucita e a produção subsequente de hidrogênio.
A cromita presente no protólito será alterada para magnetita rica em cromo em temperaturas de serpentinização mais baixas. Em temperaturas mais altas, ele será alterado para cromita rica em ferro (ferrit-cromita). Durante a serpentinização, a rocha é enriquecida em cloro , boro , flúor e enxofre. O enxofre será reduzido a sulfeto de hidrogênio e minerais de sulfeto, embora quantidades significativas sejam incorporadas aos minerais de serpentina e alguns possam ser reoxidados posteriormente a minerais de sulfato, como a anidrita . Os sulfetos produzidos incluem sulfetos ricos em níquel, como mackinawite .
Metano e outros hidrocarbonetos
Experimentos de laboratório confirmaram que a uma temperatura de 300 ° C (572 ° F) e pressão de 500 bar, a olivina serpentina com liberação de gás hidrogênio. Além disso, o metano e os hidrocarbonetos complexos são formados por meio da redução do dióxido de carbono. O processo pode ser catalisado pela magnetita formada durante a serpentinização. Uma via de reação é:
-
+ + 26 H
2O + CO
2 → + +( Reação 7 )
Metamorfismo em alta pressão e temperatura
A lagartoita e a crisotila são estáveis em baixas temperaturas e pressões, enquanto a antigorita é estável em altas temperaturas e pressões. Sua presença em um serpentinito indica que a serpentinização ocorreu em pressão e temperatura excepcionalmente altas ou que a rocha experimentou um metamorfismo de alto grau após a serpentinização estar completa.
A infiltração de fluidos portadores de CO2 no serpentinito causa uma alteração distinta do carbonato de talco . A brucita se converte rapidamente em magnesita e os minerais de serpentina (exceto antigorita) são convertidos em talco. A presença de pseudomorfos dos minerais serpentinitos originais mostra que essa alteração ocorre após a serpentinização.
A serpentinita pode conter clorita , tremolita e olivina metamórfica e diopsídio. Isso indica que o serpentinito foi sujeito a metamorfismo mais intenso, atingindo a fácies metamórfica superior do xisto verde ou anfibolito .
Acima de cerca de 450 ° C (842 ° F), a antigorita começa a se decompor. Assim, o serpentinito não existe em fácies metamórficas superiores.
Produção extraterrestre de metano por serpentinização
A presença de traços de metano na atmosfera de Marte foi considerada uma possível evidência de vida em Marte se o metano fosse produzido por atividade bacteriana . A serpentinização foi proposta como uma fonte não biológica alternativa para os traços de metano observados.
Usando dados dos voos da sonda Cassini obtidos em 2010-12, os cientistas foram capazes de confirmar que a lua de Saturno, Enceladus, provavelmente tem um oceano de água líquida sob sua superfície congelada. Um modelo sugere que o oceano em Enceladus tem um pH alcalino de 11-12. O alto pH é interpretado como uma consequência fundamental da serpentinização da rocha condrítica , que leva à geração de H
2, uma fonte geoquímica de energia que pode suportar a síntese abiótica e biológica de moléculas orgânicas.
Ocorrência
O serpentinito pode ser formado onde quer que a rocha ultramáfica seja infiltrada por fluidos pobres em dióxido de carbono. Isto ocorre em dorsais oceânicas e na forearc manto de zonas de subducção .
As condições são altamente favoráveis para a serpentinização em dorsais meso-oceânicas de espalhamento lento a ultraslow. Aqui, a taxa de extensão da crosta terrestre é alta em comparação com o volume do magmatismo, trazendo a rocha ultramáfica do manto para muito perto da superfície, onde a fratura permite que a água do mar se infiltre na rocha.
A rocha ultramáfica serpentinizada é encontrada em muitos ofiolitos . Ofiolites são fragmentos da litosfera oceânica que foram lançados nos continentes, um processo chamado obdução . Eles consistem tipicamente numa camada de harzburgito serpentinizado (por vezes chamado alpina peridotite em escritos mais velhas), uma camada de hidrotermicamente alterados diabásios e basaltos descanso , e uma camada de sedimentos de águas profundas que contêm fita radiolarian silex .
A serpentinização é quase total no manto anterior das zonas de subducção. Aqui, a rocha do manto é resfriada pela laje de subducção a temperaturas a que o serpentinito é estável, e os fluidos são liberados da laje de subducção em grandes quantidades na rocha do manto ultramáfico. A evidência direta de que a serpentinização está ocorrendo no arco da ilha das Ilhas Marianas é fornecida pela atividade de vulcões de lama serpentinita . Os xenólitos de harzburgito e (menos comumente) dunito são ocasionalmente erupcionados pelos vulcões de lama, dando pistas sobre a natureza do protólito.
Como a serpentinização aumenta o volume e diminui a densidade da rocha original, a serpentinização pode levar ao soerguimento que cria faixas costeiras acima dos antebraços do manto. Uma elevação adicional pode trazer o serpentinito à superfície quando cessa a subducção, como ocorreu com o serpentinito exposto no Presídio de São Francisco .
Estudos de ondas sísmicas podem detectar a presença de grandes corpos de serpentinito na crosta e manto superior, uma vez que a serpentinização diminui as velocidades das ondas sísmicas. Isso é particularmente verdadeiro para ondas S, devido ao alto valor do coeficiente de Poisson para serpentinitos. As medições sísmicas confirmam que a serpentinização é generalizada no manto do antebraço. A serpentização pode produzir uma descontinuidade de Moho invertida , na qual a velocidade sísmica diminui abruptamente através da fronteira crosta-manto, o que é o oposto do comportamento usual. O serpentinito é altamente deformável, criando uma zona asseísmica no antebraço, e a presença de serpentinito pode limitar a profundidade máxima dos terremotos megatrust . A serpentinização em dorsais meso-oceânicas de propagação lenta pode fazer com que a descontinuidade sísmica de Moho seja colocada na frente de serpentinização, ao invés da base da crosta, conforme definido por critérios petrológicos normais. O Maciço Lanzo dos Alpes italianos mostra uma frente de serpentinização acentuada que pode ser uma relíquia do Moho sísmico.
Notáveis ocorrências de serpentinito são encontradas em Thetford Mines , Quebec ; Lago Valhalla , Nova Jersey ; Condado de Gila, Arizona ; Complexo de lagartos , Lizard Point, Cornwall; e em localidades na Grécia, Itália e outras partes da Europa. Os ofiolitos notáveis contendo serpentinita incluem o Ofiolita Semail de Omã, o Ofiolita Troodos de Chipre , os ofiolitos da Terra Nova e o Cinturão Ofiolítico Principal da Nova Guiné .
Fontes hidrotermais e vulcões de lama
A formação do serpentinito é altamente exotérmica, liberando até 40 quilojoules (9,6 kcal) por mol de água reagindo com a rocha. Isso corresponde a uma liberação de cerca de 660 MJ / m 3 e pode elevar a temperatura da rocha em cerca de 260 ° C (500 ° F), fornecendo uma fonte de energia para a formação de fontes hidrotermais não vulcânicas. O hidrogênio, o metano e o sulfeto de hidrogênio produzidos durante a serpentinização são liberados nessas aberturas e fornecem fontes de energia para os microrganismos quimiotróficos do fundo do mar .
As fontes hidrotermais do fundo do mar localizadas em serpentinito perto do eixo das dorsais meso-oceânicas geralmente se assemelham a fumantes negros localizados no basalto, mas emitem moléculas de hidrocarbonetos complexas. O campo Rainbow da Cadeia Meso-Atlântica é um exemplo dessas fontes hidrotermais. A serpentinização por si só não pode fornecer o suprimento de calor para essas aberturas, que devem ser acionadas principalmente pelo magmatismo. No entanto, o Campo Hidrotérmico de Lost City , localizado fora do eixo da Cadeia Meso-Atlântica, pode ser impulsionado apenas pelo calor da serpentinização. Suas aberturas são diferentes dos fumantes pretos, emitindo fluidos relativamente frios (40 a 75 ° C (104 a 167 ° F)) que são altamente alcalinos, com alto teor de magnésio e baixo teor de sulfeto de hidrogênio. As aberturas constroem chaminés muito grandes, de até 60 metros (200 pés) de altura, compostas por minerais carbonáticos e brucita. Exuberantes comunidades microbianas estão associadas às aberturas. Embora as aberturas em si não sejam compostas de serpentinito, elas estão hospedadas em serpentinito que se estima ter se formado a uma temperatura de cerca de 200 ° C (392 ° F). Os depósitos de sepiolita nas dorsais meso-oceânicas podem ter se formado por meio da atividade hidrotérmica conduzida por serpentinita. No entanto, os geólogos continuam a debater se a serpentinização por si só pode explicar o fluxo de calor do campo de Cidade Perdida.
O antebraço da zona de subducção das Marianas hospeda grandes vulcões de lama serpentinita, que em erupção lama serpentinita que sobe através de falhas do manto subjacente do antebraço serpentinizado. O estudo desses vulcões de lama fornece informações sobre os processos de subducção, e os fluidos de alto pH emitidos nos vulcões sustentam uma comunidade microbiana.
As aberturas térmicas serpentinitas são candidatas ao ambiente em que se originou a vida na Terra. A maioria das reações químicas necessárias para sintetizar acetil-CoA , essenciais para as vias bioquímicas básicas da vida, ocorrem durante a serpentinização. Os aglomerados de sulfeto de metal que ativam muitas enzimas se assemelham a minerais de sulfeto formados durante a serpentinização.
Ecologia
A cobertura do solo sobre o leito rochoso serpentinito tende a ser fina ou ausente. Solo com serpentina é pobre em cálcio e outros nutrientes importantes para as plantas, mas rico em elementos tóxicos para as plantas, como cromo e níquel. Algumas espécies de plantas, como Clarkia franciscana e certas espécies de manzanita , são adaptadas para viver em afloramentos serpentinitos. No entanto, como os afloramentos de serpentinitos são poucos e isolados, suas comunidades de plantas são ilhas ecológicas e essas espécies distintas costumam estar altamente ameaçadas de extinção. Por outro lado, as comunidades de plantas adaptadas a viver nos afloramentos serpentinos da Nova Caledônia resistem ao deslocamento por espécies introduzidas que são mal adaptadas a esse ambiente.
Além da Nova Caledônia e do Presídio de São Francisco , ecossistemas de serpentinita são encontrados na State Line Serpentine Barrens da Pensilvânia e em Maryland.
Usos
Pedra decorativa na arquitetura e na arte
Os minerais do grupo serpentina têm uma dureza de Mohs de 2,5 a 3,5, então a serpentinita é facilmente esculpida. Graus de serpentinita superiores na calcita, junto com a antiguidade verd ( forma de brecha de serpentinita), têm sido historicamente usados como pedras decorativas por suas qualidades de mármore. O College Hall da Universidade da Pensilvânia , por exemplo, é construído em serpentina. Fontes populares na Europa antes do contato com as Américas foram a região montanhosa do Piemonte na Itália e Larissa, na Grécia . Os serpentinitas são usados de várias maneiras nas artes e ofícios. Por exemplo, a rocha foi revirada em Zöblitz, na Saxônia, por várias centenas de anos.
Escultura de ferramentas de pedra, lamparina a óleo conhecida como Qulliq e escultura Inuit
Os inuítes e outros povos indígenas das áreas árticas e menos das áreas do sul usaram o qulliq serpentinite em forma de tigela esculpida ou lâmpada kudlik com pavio, para queimar óleo ou gordura para aquecer, acender e cozinhar. Os Inuit fabricavam ferramentas e, mais recentemente, esculturas de animais para o comércio.
Morsa serpentina magnética
Ancião Inuit cuidando do Qulliq, uma lâmpada de óleo cerimonial feita de serpentinita.
Pedra de forno suíça
Uma variedade de xisto de talco clorito associado ao serpentinito alpino é encontrada em Val d'Anniviers , Suíça e era usada para fazer "pedras de forno" ( alemão : Ofenstein ), uma base de pedra esculpida sob um fogão de ferro fundido.
Escudo de nêutrons em reatores nucleares
A serpentinita possui uma quantidade significativa de água ligada , portanto, contém abundantes átomos de hidrogênio capazes de desacelerar os nêutrons por colisão elástica ( processo de termalização dos nêutrons ). Por causa disso, a serpentinita pode ser usada como enchimento seco dentro de jaquetas de aço em alguns projetos de reatores nucleares . Por exemplo, na série RBMK , como em Chernobyl , foi usado para blindagem de radiação superior para proteger os operadores de escapar de nêutrons. A serpentina também pode ser adicionada como agregado ao concreto especial usado na blindagem do reator nuclear para aumentar a densidade do concreto (2,6 g / cm 3 (0,094 lb / cu in)) e sua seção transversal de captura de nêutrons .
Sequestro de CO2
Por absorver prontamente o dióxido de carbono, a serpentinita pode ser útil para sequestrar o dióxido de carbono atmosférico . Para acelerar a reação, o serpentinito pode ser reagido com dióxido de carbono a temperatura elevada em reatores de carbonatação. O dióxido de carbono também pode reagir com resíduos de minas alcalinos de depósitos de serpentina, ou o dióxido de carbono pode ser injetado diretamente em formações subterrâneas de serpentinito. A serpentinita também pode ser usada como fonte de magnésio em conjunto com células eletrolíticas para depuração de CO2.
Referências culturais
É a rocha do estado da Califórnia , EUA e a Legislatura da Califórnia especificou que serpentina era "a rocha oficial do estado e o emblema litológico". Em 2010, foi apresentado um projeto de lei que teria removido o status especial da serpentina como rocha do estado, devido ao potencial de conter amianto crisotila. O projeto encontrou resistência de alguns geólogos da Califórnia, que observaram que o crisotila presente não é perigoso, a menos que seja mobilizado no ar como poeira.
Veja também
- Nephrite - variedade de jade
- Pedra - sabão - rocha metamórfica com talco
- Ciclo do hidrogênio - troca de hidrogênio entre o mundo vivo e o mundo não vivo
Referências
links externos
- [1] O campo hidrotérmico de Lost City, dorsal Mid-Atlantic : serpentinização, a força motriz do sistema.
- H 2 fluidos de ricas em serpentinização: implicações Geoquímicas e bióticos : Proceedings of the National Academy of Sciences .