蛇紋石化

蛇紋石化是超基性岩中的一種後期自變質產物，或中、低溫熱液對含鎂的岩石進行交代產生含蛇紋石的一種蝕變作用。有關的礦產，主要有石棉、滑石及菱鎂礦、硼鎂礦等。在含鎂碳酸鹽類岩石中的鎂矽卡岩鐵、銅等礦床，也常伴隨蛇紋石化現象。

基本介紹

• 中文名：蛇紋石化
• 外文名：serpentinization
• 學科：礦床地質學
• 屬於：超基性岩中
• 作用：蝕變作用
• 產物：變質產物

概述

蛇紋石化是地球上最重要的水岩作用之一。它的發生對於島弧的形成、地震的產生、海底流體活動乃至生命起源、演化等具有重要的意義。

蛇紋石化是指中、低溫熱液對含鎂岩石交代而產生蛇紋石的一種水岩蝕變作用。

蛇紋岩是洋殼的重要組成部分，因此大規模的蛇紋石化作用主要發生在海底、洋中脊和俯衝帶。海底的蛇紋石化發生於 MORB 和/或深海橄欖岩與海水之間，通常為低溫環境（<100℃），發育有低溫生物群落（圖 1），例如南大西洋 Lost City[23-24]。洋中脊的蛇紋石化是由岩漿驅動的水熱流體交代地幔橄欖岩，常出現在慢速或超慢速的洋中脊中，通常是高溫的(>300ºC)，發育有嗜熱生物群落（圖 1），例如中大西洋洋中脊Rainbow。蛇紋石化作用也會出現在俯衝帶，例如早在 20 世紀六十年代就發現了湯加海溝路側斜坡有蛇紋石化橄欖岩出露，之後又在伊豆-小笠原-馬里亞納前弧發現大量蛇紋石化橄欖岩組成的海底火山山脈。

洋殼或地幔橄欖岩的蛇紋石化會明顯影響岩石的物理性質，例如，岩石體積膨脹，密度變小，地震波速降低，以及岩石強度弱化。這些改變會導致地幔楔或俯衝板片的流變學及地震 行 為 相 應 的 變 化 。 由 於 蛇 紋 石 的 密 度 約 為2.5 g/cm³，而新鮮橄欖岩的密度為 3.3 g/cm³ ，蛇紋石化過程一方面會造成岩石體積增大，從而易形成破碎帶；另一方面，蛇紋石化岩石的密度變得比圍岩小，導致蛇紋石化岩石變得不穩定。Fryer認為馬里亞納弧前的蛇紋石化橄欖岩泥火山就是水化的前弧地幔楔橄欖岩沿著破碎帶擠壓向上噴出海底形成的。此外，蛇紋石化過程會釋放大量的熱量，這些熱量可能為生命起源和演化的化能作用提供了必要的能量，因而被稱之為“熱源發動機”和“生命起源發動機”。這對於海底及俯衝帶等非熱液區的生物群落尤為重要。

下面將對一些典型的蛇紋石化反應進行歸納。 在純水的系統中，典型的蛇紋石化反應通常表達如下：

分類

蛇紋石化作用主要表現為兩種形式：（1）基性岩（如玄武岩）和超基性岩（如橄欖岩、科馬提岩等）的水熱蝕變，主要是岩石中的橄欖石和斜方輝石蝕變為蛇紋石；由含鎂高的矽酸鹽礦物，如橄欖石、斜方輝石等受熱液蝕變分解而成，主要發生在超基性、基性岩中（2）在區域或接觸變質條件下，含 二氧化矽的熱液對含鎂質碳酸鹽的交代，多為熱液交代白雲石而形成蛇紋石。由熱液中帶入二氧化矽等，與圍岩中氧化鎂結合形成蛇紋岩或蛇紋石化大理岩。主要發生在鎂質碳酸鹽類岩石，如白雲岩和白雲質石灰岩中 。

蛇紋石化作用的特徵礦物——蛇紋石

蛇 紋 石 化 作 用 可 以 廣 泛 存 在 於 純 水 、Si O₂-H₂O 體 系 和 CO₂-H₂O 體 系 中 ( 見 反 應 式(1)-(14)) 。 其 標 志 產 物 為 蛇 紋 石 ， 化 學 式 為Mg₃Si₂O₅(OH)₄，由 Si-O 四面體和 Mg-O 八面體按照 1︰1 比例層狀分布。Al³⁺和 Fe³⁺可替代四面體位置的 Si⁴⁺，Fe²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Al³⁺、Ni²⁺和 Mn²⁺可替代八面體位置的 Mg²⁺ ]。蛇紋石存在三種類型，即利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石。利蛇紋石由平的層組成，呈平面狀，是最主要的蛇紋石礦物，常見於呈沙漏和網狀結構的蝕變橄欖石中；纖蛇紋石由傾向於形成圓柱體的捲曲層組成，為捲軸狀，主要出現於脈體中，多呈現平行的生長帶結構；而葉蛇紋石由於四面體和八面體的周期性的倒轉，導致一些八面體位置的缺失而呈波浪狀。在自然樣品中，葉蛇紋石多為片狀的互鎖齒合結構。這三種蛇紋石礦物不僅結構上存在差別，成分上也有差別。比如，利蛇紋石含有更多的 Al、Fe；而葉蛇紋石相對其他兩種蛇紋石，更加富矽貧鎂。此外，蛇紋石的成分也受限於原生礦物的成分。汪小妹等通過蛇紋石化大洋橄欖岩的礦物學研究發現，角閃石蝕變形成的利蛇紋石具有高 Fe O（9.22~10.02 wt%）、低 MgO（31.28~32.98 wt%）的特徵，而橄欖石蝕變成因的利蛇紋石則相對低FeO（ 3.91~6.01 wt%）和高 MgO（ 35.95~37.23 wt%），這導致後者蝕變形成的利蛇紋石具有比前者更高的鎂指數（Mg#）；黃瑞芳等通過實驗模擬也證實了相似的現象，實驗結果顯示，橄欖石蝕變後形成的利蛇紋石富鐵貧鋁，而斜方輝石蝕變形成的利蛇紋石則與之相反。 在熱俯衝帶，蛇紋石族礦物之間的轉換主要受控於溫度。O’Hanley在實驗的基礎上，描繪出了利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石低壓下轉變的穩定及亞穩定反應界線（圖 4）。利蛇紋石存在於 200ºC 以下低溫環境，通過升溫，可轉變為纖蛇紋石。葉蛇紋石穩定存在於 300ºC 以上高溫環境，但在 400ºC 開始脫水，大概在 2GPa 和 700ºC時 完 全 脫 水 ( 圖 3) 。 這 些 穩 定 的 臨 界 線 與Scamnelluri et al.提出的高壓下的轉變在趨勢上基本一致。通過自然樣品中蛇紋石族礦物的組合，可以初步判斷蛇紋石化作用的溫度條件。

蛇紋石化作用的其他產物

蛇紋石化作用除了主要形成蛇紋石以外，根據流體成分以及岩石中其他礦物組成的不同，也會形成其他不同的產物，比如可能出現磁鐵礦、水鎂石、滑石、透閃石、菱鎂礦等碳酸鹽礦物以及氫氣、甲烷、已烷、二氧化碳等氣體成分。

磁鐵礦

磁鐵礦是岩石中鐵質端元反應的產物 (反應式(15))，常呈細小顆粒分布於蛇紋石的邊緣[58]。已有研究認為，磁鐵礦的出現與岩石或礦物蛇紋岩化的程度有關，比如，在蛇紋石化作用不完全的大西洋橄欖岩中，磁鐵礦很少出現，而橄欖石蝕變所形成的蛇紋石則富 Fe；又如，馬里亞納前弧南部蛇紋石化橄欖岩中缺乏磁鐵礦，被認為是蛇紋石化作用還未進行完全。Toft et al.認為，蛇紋石化的最初階段只生成富 Fe 蛇紋石和富Fe 水鎂石(見反應式(1)和(2))，磁鐵礦是在進一步蛇紋石化過程中才生成(反應式(16)和(17))。除此之外，影響磁鐵礦生成量的因素還有溫度、SiO₂的活度和蛇紋石的重結晶以及成分相互置換作用。形成磁鐵礦的同時，鐵質端元的二價鐵被氧化為三價鐵，水中的氫被還原為氫氣 (反應式(15))。在一氧化碳或二氧化碳存在的環境中，由於費-托聚合反應，碳可被還原為甲烷和其他烷烴化合物以 及 不 定 形 的 碳 酸 鹽 相 ( 反 應 式 (18) 和(19))。期間氫氣的氧化和甲烷的生成所產生的能量有利於海洋微生物的生存。

水鎂石

水鎂石是岩石中鎂質端元反應的產物(反應式(4))，多為片狀，常與蛇紋石共生。在低溫條件下，其中的 Mg2+易於被 Fe²⁺取代，從而形成鐵水鎂石(反應式(1)和(2))。由於水鎂石易與富矽流體進一步反應轉變為蛇紋石(反應式(20)和(21))，因此在貧矽富鎂體系中才能穩定存在。Beard et al認為水鎂石-蛇紋石在流體體系中可以起到矽的緩衝劑作用，在 200ºC 緩衝效果位於石英緩衝線下面三個單位；而鐵水鎂石-磁鐵礦則可作為氧緩衝劑，其效果相當於或低於鐵-磁鐵礦的氧緩衝劑。

滑石

滑石一般與斜方輝石的蝕變直接相關 (反應式(4))，常沿裂隙發育，交代斜方輝石礦物而形成假晶結構。滑石和水鎂石相反，在富矽少鎂條件下易於穩定。這是因為滑石可以由蛇紋石與水溶性矽或二氧化碳反應生成(反應式(22)和(23))，因此，在自然樣品中，滑石也可作為蛇紋石化後的次生礦物存在。

透閃石

透閃石的出現與單斜輝石的蝕變有關(反應式(7))，往往需要從單斜輝石的蝕變中獲得鈣，而從橄欖石、斜方輝石等其他礦物的蝕變中獲得鎂。

碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物也常作為蛇紋石化作用的產物出現（圖 5）。一種方式是由於富 Si O2流體交代白雲石，在形成蛇紋石的同時，也生成二氧化碳和方解石(反應式(11)和(12))；另一種方式是橄欖石等富 Mg 礦物被富 CO2流體交代，可生成菱鎂礦(反應式(13)和(14)，圖 1)。另外，菱鎂礦等碳酸鹽礦物也可在蛇紋石化之後的蝕變過程中出現，主要是由蛇紋石、水鎂石或滑石進一步與流體中的CO2反應而生成 (反應式(23)-(25)和圖 2)，這在深海或大洋蛇紋石化的橄欖岩以及造山帶超鎂鐵質岩中比較普遍，多以細脈或碎屑基質形式出現[45][68]。這種通過消耗 CO2而生成碳酸鹽礦物的方式，近年

來引起越來越多的注意，被認為是能減少全球溫室氣體 CO2工業化封存的一種有效方式。

在蛇紋石化過程中也會生成其他的一些副礦物，比如鉻鐵礦主要來自於鋁尖晶石的蝕變，鐵鎳礦、鎳紋石、鎳黃鐵礦、白鐵礦等硫化物和自然銅等自然金屬則來自於原生硫化物的重結晶. 蛇紋石化作用之後的蝕變會生成一些次生礦物，比如上述的滑石和碳酸鹽礦物。另外，比較常見的是綠泥石[47]，可以由蛇紋石與富 Al 流體進一步反應而形成（反應式(26)）。