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蛇紋岩化作用とは、苦鉄質岩や超苦鉄質岩に含まれるオリビンや輝石などの鉄マグネシウム鉱物が水和して変成し、蛇紋岩を形成することである。[1]蛇紋岩化作用によって形成される鉱物には、蛇紋岩グループ鉱物（アンチゴライト、リザーダイト、クリソタイル）、ブルーサイト、タルク、Ni-Fe合金、磁鉄鉱などがある。[1] [2]鉱物の変質は、特にプレート境界の海底で重要である。[3] [4]
形成と岩石学
蛇紋岩化作用は、ダナイト、ハルツバージャイト、レルゾライトなどの苦鉄質岩や超苦鉄質岩に含まれる鉄マグネシウム鉱物の低温（0～600℃）[5] 変成作用の一種です。これらはシリカ含有量が少なく、主にオリビン（（Mg 2+、Fe 2+）2 SiO 4）、輝石（XY（Si、Al）2 O 6）、およびクロム鉄鉱（およそFeCr 2 O 4 ）で構成される岩石です。蛇紋岩化は主にオリビンと輝石の水和と酸化によって促進され、蛇紋岩グループ鉱物（アンチゴライト、リザーダイト、クリソタイル）、ブルーサイト（Mg（OH）2）、タルク（Mg 3 Si 4 O 10（OH）2）、および磁鉄鉱（Fe 3 O 4）になります。[2]蛇紋岩化に伴う異常な化学条件下では、水が酸化剤となり、それ自体が水素Hに還元される。
2これにより、さらに反応が進み、アワルイテ（Ni）などの希少な鉄族 天然元素鉱物が生成されます。
3Fe )と天然鉄、メタンと他の炭化水素化合物、硫化水素などが含まれる。[1] [6]
蛇紋岩化の過程では、大量の水が岩石に吸収され、体積が増加し、密度が低下し、元の構造が破壊されます。[7]密度は3.3～2.5 g/cm 3 (0.119～0.090 lb/cu in) に変化し、同時に体積が30～40%程度増加します。[8]この反応は発熱反応が強く、岩石と反応する水1モルあたり最大40キロジュール (9.6 kcal) の熱エネルギーを放出し、岩石の温度は約260 °C (500 °F) 上昇します。 [ 9] [10]これは、非火山性の熱水噴出孔の形成にエネルギー源となります。[11]蛇紋岩化の過程で生成される水素、メタン、硫化水素は、これらの噴出孔で放出され、深海の化学栄養 微生物のエネルギー源となります。[12] [9]
蛇紋石鉱物の形成
オリビンは、 (Mg 2+、Fe 2+ ) 2 SiO 4のマグネシウム端成分であるフォルステライトと鉄端成分であるファイアライトの固溶体であり、フォルステライトは通常、超塩基性岩中のオリビンの約90％を占めます。[13] 蛇紋石は、いくつかの反応を経てオリビン から形成されます。
反応 1a はシリカを強く結合し、その化学活性を地殻の一般的な岩石で見られる最低値まで下げます。[14]その後、オリビンの水和によって蛇紋岩化が進み、蛇紋石とブルーサイトが生成されます (反応 1b)。[15]反応 1b で形成されるブルーサイトと蛇紋岩の混合物は、蛇紋岩の中で最もシリカ活性が低いため、蛇紋岩化を理解する上でブルーサイト相が非常に重要です。[14]ただし、ブルーサイトは蛇紋岩と混ざっていることが多く、 X 線回折以外では識別が困難であり、表面の風化条件下では簡単に変化します。[16]
同様の一連の反応は輝石グループの鉱物にも起こります。
反応2aはシリカが利用できなくなるとすぐに停止し、反応2bが引き継ぐ。[17]オリビンが豊富になると、シリカの活性が低下し、タルクがオリビンと反応し始める。
この反応にはブルーサイトが形成される温度よりも高い温度が必要である。[16]
最終的な鉱物学は、岩石と流体の組成、温度、圧力の両方に依存します。アンチゴライトは、変成作用中に600℃（1,112℉）を超える温度で反応して形成され、最高温度で安定する蛇紋岩グループの鉱物です。リザーダイトとクリソタイルは、地球の表面に非常に近い低温で形成されます。[18]
透輝石の分解とロディンジャイトの形成
超塩基性岩にはカルシウムを豊富に含む輝石（透輝石）が含まれることが多く、これは次の反応に従って分解されます。
これにより、蛇紋岩化に関与する流体のpHとカルシウム含有量の両方が上昇し、非常に高い値になることがよくあります。これらの流体は反応性が高く、カルシウムやその他の元素を周囲の塩基性岩に運ぶ可能性があります。これらの岩石との流体反応により、カルシウムに富みシリカが枯渇したロディンジャイトと呼ばれる交代反応帯が形成される可能性があります。[19]
磁鉄鉱と水素の形成
ほとんどの地殻岩石では、酸素の化学活性は、鉄鉱石-磁鉄鉱-石英（FMQ）緩衝層によって非常に低い値まで低下するのを防いでいます。[20]蛇紋岩化中のシリカの化学活性が非常に低いため、この緩衝層がなくなり、蛇紋岩化によって高度に還元された状態が生まれます。[14]これらの条件下では、水は鉄（Fe2歳以上
）イオンをファイアライト中に生成する。このプロセスは水素ガスを生成するため興味深い：[1] [21] [22]
しかし、蛇紋岩の研究では、鉄鉱物はまず鉄ブルーサイト、つまりFe(OH) 2を含むブルーサイトに変換され、[23]その後、蛇紋岩化の嫌気性条件下でシコール反応を起こすことが示唆されています。[24] [25]
還元条件が最大になり、水素の生成速度が最大になるのは、蛇紋岩化の温度が200～315℃（392～599℉）[26]で、流体が炭酸塩不飽和の場合です[1] 。元の超塩基性岩（原岩）がかんらん石に富むペリドタイトである場合、かなりの量の磁鉄鉱と水素が生成されます。原岩がかんらん石よりも輝石を多く含む輝石岩である場合、鉄分を多く含むタルクが生成され、磁鉄鉱は生成されず、水素の生成はわずかです。蛇紋岩化中にシリカを含む流体が浸透すると、ブルーサイトの形成とそれに続く水素の生成の両方が抑制されます。[27]
原岩中に存在するクロム鉄鉱は、低い蛇紋岩化温度ではクロムを多く含む磁鉄鉱に変化します。高温では、鉄を多く含むクロム鉄鉱（フェリットクロム鉄鉱）に変化します。[28]蛇紋岩化の過程で、岩石は塩素、ホウ素、フッ素、硫黄に富みます。硫黄は還元されて硫化水素と硫化鉱物になりますが、かなりの量が蛇紋岩鉱物に取り込まれ、後に無水石膏などの硫酸塩鉱物に再酸化されることもあります。[29]生成される硫化物には、マキナワイトなどのニッケルを多く含む硫化物が含まれます。[30]
メタンおよびその他の炭化水素
実験室実験では、300℃（572℉）の温度と500バールの圧力でオリビンが蛇紋岩化し、水素ガスを放出することが確認されている。さらに、二酸化炭素の還元によりメタンと複合炭化水素が形成される。このプロセスは、蛇紋岩化中に形成される磁鉄鉱によって触媒される可能性がある。[6]反応経路の1つは次の通りである。[24]
高圧高温下での変成作用
リザーダイトとクリソタイルは低温・低圧で安定しているが、アンチゴライトは高温・高圧で安定している。[31]蛇紋岩中にアンチゴライトが存在することは、異常に高い圧力と温度で蛇紋岩化が起こったか、蛇紋岩化が完了した後に岩石がより高度な変成作用を受けたことを示している。[2]
二酸化炭素を含む流体が蛇紋岩に浸透すると、特徴的なタルク炭酸塩変質が起こります。[32]ブルーサイトは急速にマグネサイトに変換され、蛇紋岩鉱物（アンチゴライト以外）はタルクに変換されます。元の蛇紋岩鉱物の仮像が存在することから、この変質は蛇紋岩化後に起こることがわかります。[2]
蛇紋岩には緑泥石（フィロケイ酸塩鉱物）、透閃石（Ca 2 (Mg 5.0-4.5 Fe 2+ 0.0-0.5 )Si 8 O 22 (OH) 2）、変成オリビンおよび透輝石（カルシウムに富む輝石）が含まれることがあります。これは、蛇紋岩がより激しい変成作用を受け、上部緑色片岩または両閃岩 変成相に達したことを示しています。[2]
約450℃（842℉）を超えると、アンチゴライトは分解し始める。したがって、蛇紋岩は高次変成相には存在しない。[12]
蛇紋岩化による地球外メタン生成
火星の大気中に微量のメタンは存在するが、これはバクテリアの活動によってメタンが生成されたとすれば、火星に生命が存在する証拠となる可能性があると仮説が立てられている。観測されたメタンの痕跡の非生物的起源としては、蛇紋岩化が提案されている。[33] [34 ] 2022年には、火星から来たALH 84001隕石の顕微鏡検査で、そこに含まれる有機物は生命活動ではなく、蛇紋岩化によって形成されたことが示されたと報告された。[35] [36]
2010年から2012年にかけて得られたカッシーニ探査機のフライバイデータを使用して、科学者は土星の衛星エンケラドゥスの凍った表面の下に液体の水の海がある可能性が高いことを確認することができました。モデルは、エンケラドゥスの海のpHが11〜12のアルカリ性であると示唆しています。[37]高いpHは、コンドライト岩の蛇紋岩化の主な結果であると解釈されており、 Hの生成につながります。
2、有機分子の非生物的および生物学的合成をサポートできる地球化学的エネルギー源である。[37] [38]
形成環境
蛇紋岩化は、中央海嶺、沈み込み帯の前弧マントル、オフィオライト塊、超塩基性岩の貫入岩で発生します。[3] [4]
中央海嶺
ゆっくりと拡大する海嶺から超ゆっくりと拡大する海嶺では、蛇紋岩化に非常に適した条件が整っています。[8]ここでは、地殻の伸張速度がマグマ活動の量に比べて高く、超苦鉄質マントル岩が地表に非常に近くなり、そこでの亀裂により海水が岩石に浸透します。[11]
ゆっくりと拡大する海嶺での蛇紋岩化により、地震性モホ面不連続面が、通常の岩石学的基準で定義される地殻の底ではなく、蛇紋岩化前線に位置する可能性がある。[39] [8]イタリアアルプスのランツォ山塊には、残存する地震性モホ面である可能性のある鋭い蛇紋岩化前線が見られる。[40]
沈み込み帯
前弧マントル
蛇紋岩化は沈み込み帯における重要な現象であり、沈み込み帯の水循環と地球力学を強く制御している。[41]ここでは、マントル岩は沈み込むスラブによって蛇紋岩が安定する温度まで冷却され、大量の流体が沈み込むスラブから超塩基性マントル岩に放出される。[41]マリアナ諸島 島弧で蛇紋岩化が起こっているという直接的な証拠は、蛇紋岩泥火山の活動によって提供される。ハルツバージャイトと（よりまれに）ダナイトの捕獲岩が泥火山によって時折噴出され、原岩の性質に関する手がかりを与える。[42]
蛇紋岩化により元の岩石の密度が低下するため、サンフランシスコのプレシディオで露出した蛇紋岩が沈み込みの停止後に起こったように、蛇紋岩化により蛇紋岩が地表に隆起または露出する可能性がある。[43]
蛇紋岩化した超塩基性岩は多くのオフィオライトに見られる。オフィオライトは海洋リソスフェアの破片が大陸に押し付けられたもので、オブダクションと呼ばれるプロセスを経ている。[44]通常、蛇紋岩化したハルツバージャイト（古い文献ではアルプスかんらん岩と呼ばれることもある）の層、熱水変質した輝緑岩と枕状玄武岩の層、放散虫リボンチャートを含む深海堆積物の層から構成される。[45]
意味合い
地震の深さの制限
地震波研究では、地殻と上部マントルに大きな蛇紋岩の存在を検出することができます。これは、蛇紋岩化がせん断波速度に大きな影響を与えるためです。蛇紋岩化の程度が高いほど、せん断波速度が低下し、ポアソン比が高くなります。[46]地震測定により、蛇紋岩化が前弧マントルに広く見られることが確認されています。[47]蛇紋岩化により、逆モホ不連続面が発生する可能性があります。逆モホ不連続面では、地震波速度が地殻マントル境界で急激に低下しますが、これは通常の動作とは逆です。蛇紋岩は変形しやすいため、前弧に無地震帯を形成し、そこでは蛇紋岩が安定したプレート速度で滑ります。蛇紋岩の存在により、巨大地震が前弧マントルへの破壊を妨げるため、最大深度が制限される可能性があります。[46]
参照
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、蛇紋岩に関連するメディアがあります。
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