Serpentinisierung

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Serpentinisierung ist ein Alterationsprozess silikatarmer ultramafischer Gesteine, bei welchem unter Wasserzufuhr aus Olivin und Pyroxen OH-haltige Serpentinminerale gebildet werden. Dieser Prozess kann im Zuge der Ozeanbodenmetamorphose oder bei orogener Regionalmetamorphose[1], sowohl unter hohen (>400°C) als auch niedrigen Temperaturen (<100°C) stattfinden[2]. Daher ist Serpentinisierung an einer Vielzahl von Orten zu beobachten, vor allem dort wo es durch tektonische Prozesse zur Hebung und Freilegung von Mantelgesteinen kommt.

Dies findet beispielsweise häufig an Ozeanischen Rücken mit niedriger Spreizungsrate statt. Durch starke Abschiebungen und asymmetrische Extension entstehen ozeanische Kernkomplexe, welche aus domartig gehobenen Gesteinen der unteren Kruste und des oberen Mantels bestehen[2]. Diese ultramafischen Peridotite werden hier mit den für die Serpentinisierung nötigen Wassermengen durchsetzt. Da die Dichte des Gesteins bei dieser Umwandlung ab und das Volumen zu nimmt, kann es zur Bildung weiterer Risse in den Peridotiten kommen, wodurch weiterer Wassereintritt in bisher unbeeinflusste Bereiche des Gesteins ermöglicht wird[3].

Die Serpentinisierung kann allgemein als stark exotherme Reaktion von Olivin und Pyroxen mit Wasser zu Serpentin und, in Abhängigkeit der P-/T-Bedingungen und Ausgangszusammensetzung, Magnetit, Brucit, Talk und Tremolit beschrieben werden. Serpentinisierung umfasst einen komplexen Ablauf verschiedener Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen. Vereinfacht und beispielhaft gelten die folgenden drei Reaktionen[2]:

  1. Mg2SiO4 (Forsterit) + 3 H2O → Mg3Si2O5(OH)4 (Serpentin) + Mg(OH)2 (Brucit)
  2. 3 Fe2SiO4 (Fayalit) + 2 H2O → 2 Fe3O4 (Magnetit) + 3 SiO2 (aq) + 2H2 (aq)
  3. 6 CaMgSi2O6 (Diopsid) + 6 MgSiO3 (Enstatit) + 5 Mg2++9 H2O → 3 Mg3Si2O5(OH)4 (Serpentin) + Mg3Si4O10(OH)2 (Talk) + Ca2Mg5Si8O22(OH)2 (Tremolit)+ 4 Ca2+ + 2 H+


Die Umwandlung beginnt mit der Bildung von dünnen Chrysotiladern entlang von Korngrenzen und Rissen im Olivin. Dadurch entsteht eine Maschenstruktur, die häufig auch noch nach vollständiger Serpentinisierung erkennbar bleibt. Bereits in diesem frühen Stadium beginnt Magnetit sehr feinkörnig auszufallen. Anschließend bilden sich die Maschenfüllungen aus Lizardit und weiterem Chrysotil. Antigorit bildet sich erst bei erhöhten Temperaturen, meist unter Stressbedingungen, wobei die Maschenstruktur verloren geht. Nach dem Olivin werden Orthopyroxene von der Umwandlung erfasst. Diese werden zunächst auch von Adern durchzogen. Anschließend wird der gesamte Kristall von pseudomorphen Lizardit Aggregaten ersetzt. Klinopyroxene werden meist erst später und im geringeren Maße von der Serpentinisierung erfasst[4].

Als Folge der Serpentinisierung wird das zirkulierende Fluid besonders bei niedrigen Temperaturen stark alkalisch (meist pH >10) und H2-haltig. Das H2 reduziert Kohlenstoff und ermöglicht eine abiotische Synthese organischer Verbindungen[5]. Das gelöste Ca2+ reagiert unter diesen pH-Bedingungen mit Carbonaten, wodurch es zu Kalkausfällungen (CaCO3) kommt. Diese lagern sich als Kluftfüllungen im Ausgangsgestein ab, bilden Travertine oder Weiße Raucher[3]. Die bekannteste Formation solcher Schlote ist das Lost City Hydrothermalfeld. Durch die Entstehung von Methan und weiterer organischer Verbindungen ist die Serpentinisierung besonders im Hinblick auf die Frage nach dem Ursprung und Erhalt des Lebens in der Lithosphäre der Erde, aber auch für die Astrobiologie von großem Interesse[5].


Referenzen

  1. Vinx, R. (2015): Gesteinsbestimmung im Gelände, Springer Verlag Berlin, 468 S.
  2. 2,0 2,1 2,2 Schwarzenbach, E. (2011): Serpentinization, fluids and life: comparing carbon and sulfur cycles in modern and ancient environments, ETH Zurich, 220 S.
  3. 3,0 3,1 Schrenk, M. O., Brazelton, W. J., Lang, S.Q. (2013): Serpentinization, Carbon, and Deep Life, Reviews in Mineralogy and Geochemistry, Vol. 75, 575-606 S.
  4. Wimmenauer, W. (1985): Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine, Ferdinand Enke Verlag, 382 S.
  5. 5,0 5,1 Holm, N. G. et al. (2015): Serpentinization and the Formation of H2 and CH4 on Celestial Bodies (Planets, Moons, Comets), Astrobiology, Volume 15, Number 7, 587-600 S.
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Dieser Artikel wurde erstellt von:
Timon Pfaff, Andrea Schmid