Serpentinit

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Serpentinit
kačnik, serpentinovec
Krizotil v serpentinitu, Dobšiná, Slovenské rudohorie, Slovaška
Splošno
Kategorija Matamorfna kamnina

Serpentinit je sivozelena lisasta do črna metamorfna kamnina iz serpentina in piroksenov, nastala iz ultramafičnih magmatskih kamnin.[1]

Kamnino sestavljajo eden ali več mineralov iz skupine serpentinov. Ime izvira iz podobnosti teksture kamnine s kačjo kožo (iz latinskega serpens, kača).[2] Minerali iz te skupine so nastali s serpentinizacijo, hidratacijo in metamorfno transformacijo ultramafičnih kamnin iz Zemljinega plašča. Proces je še posebej pomemben na morskem dnu na robovih tektonskih plošč.

Tvorba in petrologija[uredi | uredi kodo]

Serpentinizacija je geološki nizkotemperaturni metamorfni proces, v katerega sta vključena toplota in voda. V procesu se mafične in ultramafične kamine z majhno vsebnostjo kremena oksidirajo in z vodo hidrolizirajo v serpentinit. Anaerobna oksidacija Fe2+ s protoni vode povzroči nastajanje vodika. Peridotit, vključno z dunitom, se v bližini morskega dna in v visokogorju pretvarja v serpentin, brucit, magnetit in druge minerale, tudi redke, na primer avaruit (Ni3Fe), in celo v samorodno železo. V procesu kamnine absorbirajo velike količine vode, kar poveča njihovo prostornino, zmanjša gostoto in poruši njihovo prvotno zgradbo.[3]

Gostota se zmanjša s 3,3 na 2,7 g/cm3, kar poveča prostornino za 30-40%. Reakcija je zelo eksotermna. Temperatura kamnin se lahko poveča do približno 260 °C.[3] Kamnine postanejo vir toplote za nastanek nevulkanskih hidrotermalnih dimnikov. V kemijskih reakcijah, v katerih nastaja magnetit, nastaja v anaerobnih pogojih, kakršni prevladujejo globoko v Zemljinem plašču, tudi vodik. Karbonati in sulfati se z njim reducirajo, pri čemer nastajata metan in vodikov sulfid. Vodik, metan in vodikov sulfid so viri energije za globokomorske kemotrofne mikroorganizme.[3]

Serpentinitske reakcije[uredi | uredi kodo]

Serpentinit nastaja iz olivina v več reakcijah, od katerih so nekatere komplementarne. Olivin je trdna raztopina med magnezijevim končnim članom forsteritom in železovim končnim članom fajalitom. V serpentinitskih reakcijah 1a in 1b pride do izmenjave kremena med forsteritom in fajalitom, pri čemer nastaja serpentinska skupina mineralov in magnetit. Obe reakciji sta zelo eksotermni.

fajalit3 Fe2SiO4 + voda2 H2Omagnetit2 Fe3O4 + ortosilicijeva kislina3 SiO2 + vodik2 H2

 

 

 

 

(Reakcija 1a)

forsterit3 Mg2SiO4 + ortosilicijeva kislinaSiO2 + 4 H2Oserpentin2 Mg3Si2O5(OH)4

 

 

 

 

(Reakcija 1b)

forsterit2 Mg2SiO4 + voda3 H2OserpentinMg3Si2O5(OH)4 + brucitMg(OH)2

 

 

 

 

(Reakcija 1c)

Reakcija 1c prikazuje hidratacijo olivina, s katero nastajata serpentin in Mg(OH)2 (brucit). Serpentin je stabilen pri visokih pH v prisotnosti brucita kot je na primer stabilen kalcijev silikat hidrat (C-S-H faza), ki nastane skupaj s portlanditom v strjeni pasti portlandskega cementa po hidrataciji belita (Ca2SiO4), umetnega kalcijevega ekvivalenta forsterita.

belit2 Ca2SiO4 + voda4 H2OC-S-H faza3 CaO · 2 SiO2 · 3 H2O + portlanditCa(OH)2

 

 

 

 

(Reakcija 1d)

Reakcija 1d je analogna reakciji 1c, samo da je vanjo namesto forsterita (Mg2SiO4) vključen belit (Ca2SiO4) in poteka med strjevanjem portlandskega cementa.

V reakcijah nastajajo slabo topni produkti (ortosilicijeva kislina, magnezijevi ioni), ki se z difuzijo ali advekcijo (kroženjem vode) izlužijo iz serpentinizirane cone.

Podoben niz reakcij vključuje piroksensko skupino mineralov, čeprav so manj reaktivni. Reakcije so bolj zapletene zaradi dodatnih končnih produktov, ki so posledica bolj širokih sestav piroksena in zmesi piroksen-olivin. Možna produkta sta lojevec in magnezijev klorit skupaj s serpentinskimi minerali antigorit (listasta oblika rombičnega serpentina), lizardit (psevdomorfoza serpentina po enstatitu) in krizotil (vlaknati monoklinski serpentin). Končna mineralogije je odvisna od sestave kamnine in tekočine, temperature in tlaka. Antigorit nastaja z metamorfizmom pri temperaturah, ki lahko presežejo 600 °C. Je temperaturno najbolj obstojen mineral iz serpentinske skupine mineralov. Lizardit in krizotil lahko nastajata pri nizkih temperaturah zelo blizu Zemljine površine. Tekočine, vključene v nastajanja serpentina, so običajno zelo reaktivne in lahko prenašajo kalcij in druge elemente iz okoliških kamnin. Reakcije tekočine s temi kamninami lahko tvorijo metasomatske reakcijske cone, obogatene s kalcijem. Imenujejo se rodingiti.

V prisotnosti ogljikovega dioksida lahko s serpentinizacijo nastaneta magnezit (MgCO3) ali metan (CH4). Domneva se, da lahko pri serpentinizaciji v oceanski skorji nastane tudi nekaj plinastih ogljikovodikov.

olivin(Fe,Mg)2SiO4 + vodan·H2O + ogljikov dioksidCO2serpentinMg3Si2O5(OH)4 + magnetitFe3O4 + metanCH4

 

 

 

 

(Reakcija 2a)

ali v uravnoteženi obliki:

18 Mg2SiO4 + 6 Fe2SiO4 + 26 H2O + CO2 → 12 Mg3Si2O5(OH)4 + 4 Fe3O4 + CH4

 

 

 

 

(Reakcija 2a')

olivin(Fe,Mg)2SiO4 + vodan·H2O + ogljikov dioksidCO2serpentinMg3Si2O5(OH)4 + magnetitFe3O4 + magnezitMgCO3 + kremenSiO2

 

 

 

 

(Reakcija 2b)

Reakcija 2a prevladuje v serpentinitih, siromašnih z magnezijem, ali če ni dovolj ogljikovega dioksida za tvorbo lojevca. Reakcija 2b prevladuje v okoljih, bogatih z magnezijem, in pri nizkih parcialnih tlakih ogljikovega dioksida.

Stopnja, do katere v ultramafičnih kamninah poteče serpentinizacija, je odvisna od začetne sestave kamnine in prisotnosti/odsotnosti tekočin, ki iz procesov odnašajo kalcij, magnezij in druge elemente. Če je v olivinu dovolj fajalita, lahko olivin v zaprtih sistemih z vodo popolnoma metamorfira v serpentin in magnetit. V večini ultramafičnih kamnin, nastalih v Zemljinem plašču, je v olivinu približno 90% forsteritnega končnega člana, zato se takšen olivin v celoti pretvori v serpentin, če se le magnezij izloči iz reakcijske mase.

Serpentinizacija peridotitne mase običajno uniči vse prejšnje teksture, ker so serpentinski minerali mehansko neodporni in prilagodljivi. Nekatere mase serpentinita se kljub temu manj deformirajo, kar kažejo teksture, ki so jih nasledile od peridotita. Takšni serpentiniti se obnašajo kot toge tvorbe.

Tvorba vodika pri anaerobni oksidaciji fajalitovih železovih ionov[uredi | uredi kodo]

V reakciji sodelujejo tri molekule fajalita (Fe2(SiO4)) s skupaj šestimi ioni Fe2+. Štirje ioni oksidirajo v Fe3+, dva pa ostaneta v prvotnem stanju. Če se zanemari ortosilikatne anione, ki ne sodelujejo v redoks reakciji, bi se reakcijo morda lahko zapisalo v naslednji obliki:

4 Fe2+ + 2 H2O → 4 Fe3+ + 2 O2− + 2 H2

 

 

 

 

(Reakcija 3a)

Reakcija je zanimiva, ker se v njej sprošča plinast vodik.

Dva neoksidirana Fe2+ iona se nazadnje vežeta s feri kationi Fe3+ in anioni O2- v magnetit (Fe3O4).

Ker se morajo vzporedno s temi procesi ortosilikatni anioni pretvoriti v kremen (SiO2) in prosto kisikova anione (O2−), je skupno reakcijo anaerobne oksidacije in hidrolize fajalita mogoče zapisati z naslednjo masno bilanco:

fajalit3 Fe2SiO4 + voda2 H2Omagnetit2 Fe3O4 + kremen3 SiO2 + vodik2 H2

 

 

 

 

(Reakcija 3b)

Reakcija spominja na Schikorrjevo reakcijo pri anaerobni oksidaciji fero hidroksida s stiku z vodo:

fero hidroksid3 Fe(OH)2magnetitFe3O4 + voda2 H2O + vodikH2

 

 

 

 

(Reakcija 3c)

Abiotska tvorba metana na Marsu s serpentinizacijo[uredi | uredi kodo]

Sledovi metana v Marsovi atmosferi bi ob predpostavki, da je produkt bakterij, lahko služili kot morebitni dokaz za obstoj življenja na Marsu. Alternativni nebiološki vir metana bi lahko bila serpentinizacija.[4]

Serpentinizacija na Enkeladu[uredi | uredi kodo]

Podatki z vesoljske sonde Cassini-Huygens, pridobljeni v letih 2010-2012, morda potrjujejo hipotezo, da je na Saturnovi luni Enkelad pod zamrnjeno površino ocean tekoče vode. Model kaže, da je voda alkalna (pH 11-12).[5] Visok pH se interpretira kot ključna posledica serpentinizacije hondritske kamnine, v kateri se sprošča vodik. Proces je geotermalen vir energije, ki bi lahko podprl tako abiotsko kot biološko sintezo organskih molekul.[5][6]

Vpliv na poljedelstvo[uredi | uredi kodo]

Plast zemlje nad serpentinitsko podlago je običajno tanka ali je sploh ni. Zemlja, ki vsebuje serpentinit, je siromašna s kalcijem in drugimi glavnimi hranivi za rastline, in bogata z elementi, strupenimi za rastline, kot sta krom in nikelj[7]

Raba[uredi | uredi kodo]

Okrasni kamen v arhitekturi[uredi | uredi kodo]

Serpentiniti z visoko vsebnostjo kalcita so se ob verd antique (brečasta oblika serpentinita) v preteklosti zaradi marmorju podobne kakovosti uporabljali kot okrasni kamen. V Evropi so bili pred odkritjem Amerike glavni viri serpentinita v goratih predelih Piemonta, Italija, in v okolici Larise, Grčija.[8]

Inuitsko orodje, oljenke in skulpture[uredi | uredi kodo]

Inuiti, ljudstvo iz arktičnega dela Evrope in Severne Amerike, uporabljajo za razsvetljavo in kuhanje skledaste oljenke s stenjem, izdelane iz serpentinita, imenovane kulik ali kudlik. Iz serpentinita so izdelovali tudi orodje in skulpture živali za prodajo.

Švicarski podstavki za peči[uredi | uredi kodo]

Škriljevec iz Val d’Anniviers, Švica, različek kloritnega lojevca, ki je spremljal alpski serpentinit, so domačini rezljali in uporabljali za podstavke (nemško Ofenstein) litoželeznih peči.[9]

Nevtronski ščit v jedrskih reaktorjih[uredi | uredi kodo]

Serpentinit vsebuje obilo vode, torej tudi veliko vodikovih ionov, sposobnih upočasniti nevtrone z elastično kolizijo (termalizacija nevtronov). Serpentinit se zato lahko uporabi kot suhi filter znotraj jeklenih plaščev nekaterih izvedb jedrskih reaktorjev. V reaktorjih RBMK se uporablja kot zgornji radiacijski ščit, ki ščiti operaterja pred pobeglimi nevtroni.[10] Serpentinit se lahko dodaja tudi posebnemu betonu za oklepe jedrskih reaktorjev, ker poveča gostoto betona (2,6 g/cm3) in njegovo sposobnost absorbiranja nevtronov.[11][12]

Galerija[uredi | uredi kodo]

Sklici[uredi | uredi kodo]

  1. [1] Geološki terminološki slovar, Znanstvenoraziskovalni center Slovenske akademije znanosti in umetnosti, Ljubljena. Pridobljeno 24. avgusta 2018.
  2. Schoenherr, Allan A. (11. julij 2017): A Natural History of California: Second Edition. Univ of California Press. str. 35–. ISBN 9780520295117. Pridobljeno 6. maja 2017.
  3. 3,0 3,1 3,2 Serpentinization: The heat engine at Lost City and sponge of the oceanic crust.
  4. Life on Mars? American Scientist, marec-april 2006. JSTOR 27858733.
  5. 5,0 5,1 R. Glein, Christopher; Baross, John A.; Waite, Hunter (16. april 2015)ː The pH of Enceladus' ocean, Geochimica et Cosmochimica Acta 162: 202–219.arXiv:1502.01946 . Bibcode: 2015GeCoA.162..202G.
  6. Wall, Mike (7. maj 2015)ː Ocean on Saturn Moon Enceladus May Have Potential Energy Source to Support Life". Space.com. Pridobljeno 8. maja 2015.
  7. CVO Website - Serpentine and serpentinite. Arhivirano 19. oktobra 2011 na Wayback Machine. USGS/NPS Geology in the Parks Website, September 2001. Pridobljeno 27. februarja 2011.
  8. Ashurst, John, Dimes, Francis G.ː Conservation of building and decorative stone. Elsevier Butterworth-Heinemann, 1990, str. 51.
  9. By Thomags Bonneyː Talcose-schist from Canton Valais. Geol. Mag. 1897, N.S., [iv], 4, 110-116) abstract.
  10. Lithuanian Energy Institute (28. maj 2011)ː Design of structures, components, equipments and systems. Ignalina Source Book. Pridobljeno 28. maja 2011.
  11. Aminian, A.; Nematollahi, M.R.; Haddad, K.; Mehdizadeh, S. (3.–8. junij 2007)ː Determination of shielding parameters for different types of concretes by Monte Carlo methods (PDF). ICENES 2007: International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems. Session 12B: Radiation effects. Istanbul, Turkey. p. 7.
  12. Abulfaraj, Waleed H.; Salah M. Kamalː Evaluation of ilmenite serpentine concrete and ordinary concrete as nuclear reactor shielding, Radiation Physics and Chemistry 44 (1–2): 139–148. Bibcode: 1994RaPC...44..139A.doi: 10.1016/0969-806X(94)90120-1. ISSN 0969-806X.