大洋橄欖巖的蛇紋石化過程：從海底水化到俯沖脫水*

章鈺楨 姜兆霞, 2 李三忠,2 王譽樺,2 于雷,2

1.教育部深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心，中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，海洋地球科學學院， 青島 266100 2.青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，青島 266237

蛇紋巖在洋底廣泛分布，其形成與橄欖巖的水合作用有關(guān)，本質(zhì)上是一種水巖蝕變作用(Mével, 2003; Evansetal., 2013)，主要發(fā)生在裂谷大陸邊緣、洋中脊、轉(zhuǎn)換斷層的深部裂縫、匯聚板塊邊界以及層狀火成巖侵入的深部堆晶層中，尤其是慢速-超慢速擴張洋脊和俯沖帶等地區(qū)(Niu, 2004; Paulicketal., 2006)。蛇紋石化超基性巖首次被發(fā)現(xiàn)于大西洋的Saint Peter島和Paul島上(Renard, 1879; Fryer, 2002)，在洋盆中最早是1947年在大西洋洋中脊上通過拖網(wǎng)獲取(Shand, 1949; Dmitrievetal., 1971)。在隨后的幾十年中，從洋盆中獲取蛇紋石化超鎂鐵質(zhì)巖的數(shù)量急劇增長。但是，與大洋玄武巖相比，已獲取的超鎂鐵質(zhì)(蛇紋石化)巖石仍然較少。并且這些巖石大多來源于因拆離斷層而剝露出來的地幔，即構(gòu)造窗或海底核雜巖地區(qū)。唯一的例外是匯聚板塊外緣，除了海溝深處的地幔露頭外，蛇紋巖還通過泥火山形式出露，將深層巖石和流體帶到表面(Fryer, 2012)。

隨著1963年深?？蒲刑綔y器Alvin號開始進行深海勘探以及1968年深海鉆探項目(DSDP)的實施，海底蛇紋石化過程的研究開始逐步深入(Fryer, 2002)。目前，通過將蛇紋石形成、陸地出露的復雜結(jié)構(gòu)與海底觀測有機結(jié)合，可以清晰地認識這些海底事件與地球深部過程的相關(guān)性(Fryer, 2002)。蛇紋石化過程會顯著影響巖石的物理化學性質(zhì)，對海洋的地球化學平衡產(chǎn)生影響，進而對區(qū)域構(gòu)造過程和海底成礦等產(chǎn)生不可忽視的作用；同時該過程可以產(chǎn)生磁鐵礦，從而記錄當時古地磁場信息，為海底磁異常作出貢獻；另外，該過程能夠產(chǎn)生氫氣，改變局部的氧化還原條件，為解釋地球早期的生命起源提供一定的思路(王先彬等, 2014)。因此，蛇紋石化過程是大洋巖石圈演化過程中的一個重要環(huán)節(jié)。本文將綜合巖石磁學、地球化學、顯微觀測等手段，從蛇紋石化過程、蛇紋石化特征礦物、影響蛇紋石化過程的主要因素以及對地質(zhì)過程的響應(yīng)等方面進行闡述，最后就目前蛇紋石化研究中存在的問題及可能的解決途徑進行展望。

1 蛇紋石化過程發(fā)生的可能位置與機制

研究表明，蛇紋石化過程主要發(fā)生在匯聚板塊邊緣和洋中脊(汪小妹等, 2010)，包括慢速-超慢速擴張洋中脊、拆離斷層和轉(zhuǎn)換斷層、俯沖帶和洋陸轉(zhuǎn)換地區(qū)。不同地質(zhì)環(huán)境下，地球動力學條件和原巖成分不同，因此產(chǎn)生的蛇紋巖性質(zhì)也存在一定的差異?；诖耍珼eschampsetal.(2013)將蛇紋巖劃分為三類：深海蛇紋巖、地幔楔蛇紋巖和俯沖帶蛇紋巖。

1.1 慢速-超慢速擴張洋中脊

全球洋中脊系統(tǒng)中慢速(1～5cm/yr)和超慢速擴張洋中脊(<2cm/yr)占據(jù)了三分之一，是深海蛇紋巖的主要產(chǎn)出區(qū)域(Raneroetal., 2003)，例如，大西洋洋中脊(Dicketal., 2003)。在快速擴張洋中脊(例如，東太平洋海隆)則較少發(fā)生蛇紋石化過程(Iyer, 2007)，因為快速擴張的洋中脊巖漿供給充足，地形隆起凸出，缺乏蛇紋石化作用所需的水巖通道——正斷層。另外，海隆近脊側(cè)溫度偏高，只有遠離脊軸的部位才滿足蛇紋石化作用所需的溫度條件(Iyer, 2007)。Karsonetal.(1987)提出了慢速擴張洋脊上巖漿供給匱乏和伸展作用導致蛇紋石化過程發(fā)生的模型。當巖漿侵入時，巖漿活動控制了脊頂?shù)纳煺梗捎趲r漿的間歇性供應(yīng)，這個體系存在無巖漿活動時期(Macdonald, 1982; Harper, 1984)，此時，慢速擴張洋脊的地殼減薄，隨著整個體系冷卻溫度降低，導致正斷層的形成以及深部巖石圈暴露于海水中，發(fā)生蛇紋石化作用(Iyer, 2007)。Cannatetal.(2006, 2008)在超慢速擴張、難熔的環(huán)境中(例如，西南印度洋海嶺)發(fā)現(xiàn)大量暴露于海底的蛇紋石化橄欖巖，且在洋殼沒有找到火山作用的證據(jù)。如圖1所示，深海蛇紋巖的Ti含量范圍在10×10-6～100×10-6，相比俯沖帶蛇紋巖和地幔楔蛇紋巖，屬于中等含量(Deschampsetal., 2013)。Leeetal.(2003)通過對已有數(shù)據(jù)庫的分析，確定所形成的深海蛇紋巖原巖的氧化還原條件，并提出了V-MgO圖。深海蛇紋巖的原巖fO2(氧逸度)是從FMQ到FMQ-2(鐵橄欖石-磁鐵礦-石英(fayalite-magnetite-quartz，F(xiàn)MQ)是常見的氧緩沖劑之一)，顯示正Eu異常，富U和Pb，稀土元素Yb含量正常的特征，其中鉻尖晶石中，Cr<0.6，XMg>0.4 (Deschampsetal., 2013)。

圖1 不同蛇紋巖的主要地球化學特征(據(jù)Deschamps et al., 2013修改)1.深海蛇紋巖：中等Ti含量(10×10-6～100×10-6)，相對恒定的Yb含量(0.005×10-6～0.05×10-6)，F(xiàn)MQ到FMQ-2，正Eu異常通常明顯，鉻尖晶石(Cr#<0.6，XMg>0.4)，富鈾、富鉛；2.俯沖帶蛇紋巖：高Ti含量(30×10-6～500 ×10-6)，富集Yb含量(0.02×10-6～>1×10-6)，低燒失量，F(xiàn)MQ-1或FMQ-2，鉻尖晶石(Cr#<0.6, XMg>0.4)，存在次生產(chǎn)物富集/再利用的證據(jù)；3.地幔楔蛇紋巖：低至中等Ti含量(5×10-6～30×10-6)，Yb含量低(<0.05×10-6)，高燒失量，F(xiàn)MQ+1至FMQ-1，鉻尖晶石(Cr#>0.6, XMg <0.4)，富Cs、富Rb、富Sr；4. 蛇紋巖釋放的流體：流體活動性元素豐富，B/La、B/Nb、 B/Th、U/Th、Sb/Ce、Sr/Nd具有高值，富11BFig.1 The main geochemical characteristics of different serpentinites present in this environment (abyssal, subducted and mantle wedge) (modified after Deschamps et al., 2013)1. Abyssal serpentinites: medium Ti content (10×10-6～100×10-6), relatively constant Yb content (0.005×10-6～0.05×10-6), FMQ to FMQ-2, positive Eu anomaly generally well-marked, chromian spinels (Cr#<0.6，XMg>0.4), U and Pb rich. 2. Subducted serpentinites: high Ti content (30×10-6～500×10-6), enrich Yb content (0.02×10-6～>1 ×10-6), Low L.O.I. (loss on ignition), FMQ-1 or FMQ-2, chromian spinels (Cr#<0.6, XMg>0.4), strong evidences of secondary enrichment. 3. Mantle wedge serpentinites: low to medium Ti content (5×10-6～30×10-6), low Yb content (<0.05×10-6), high L.O.I., FMQ+1 to FMQ-1, chromian spinels (Cr#>0.6, XMg <0.4), Cs-, Rb-, and Sr-rich. 4. Fluids released from serpentinites: FME (fluid-mobile element) rich, high B/La, B/Nb, B/Th, U/Th, Sb/Ce, Sr/Nd and 11B-rich

1.2 轉(zhuǎn)換斷層

轉(zhuǎn)換斷層也是深海蛇紋巖的產(chǎn)地之一，例如，Hess Deep (Fryer, 2002)。早期研究認為，深海橄欖巖主要是從轉(zhuǎn)換斷層的圍巖中獲取(Bonatti, 1968; Miyashiroetal., 1969)。Bonatti (1968)通過對在大西洋中部(2°S～8°N)的轉(zhuǎn)換斷層中獲取的樣品開展研究，發(fā)現(xiàn)這些巖石包括未變質(zhì)的基巖以及各種變質(zhì)的基性巖和超基性巖。由于當時學者還未認識到蛇紋石化的重要性，將這些變質(zhì)巖確定為與阿爾卑斯造山帶有關(guān)的橄欖巖，并作為大西洋洋殼形成時的殘余物(Bonattietal., 1970)，后來進一步的研究發(fā)現(xiàn)這些變質(zhì)巖類是蛇紋巖。蛇紋石化的橄欖巖在轉(zhuǎn)換斷層的陡坡或沿軸向裂谷壁，甚至在軸向裂谷底出現(xiàn)(Fryer, 2002; Mével, 2003)。這些環(huán)境都有一個共同特點：利于海水滲透到洋殼和上地幔橄欖巖中，并與之發(fā)生蛇紋石化作用。

1.3 被動陸緣的洋陸轉(zhuǎn)換帶

板塊邊緣的俯沖帶和洋陸轉(zhuǎn)換帶(ocean-continent transition，OCT)也是蛇紋石化作用的重要地區(qū)。被動陸緣的洋陸轉(zhuǎn)換帶，形成之初是貧巖漿地區(qū)，例如，紐芬蘭與伊比利亞就是簡單剪切模式下形成的被動陸緣，由大陸地殼、地幔巖和洋底增生楔組成，分布著大量的蛇紋巖(Whitmarshetal., 2000)。被動陸緣的洋陸轉(zhuǎn)換帶分布著大量的拆離斷層，它們是地殼變薄和伸展形成的正斷層，隨著構(gòu)造活動的進行，拆離斷層的位移增加，深部的基性、超基性巖體出露，并可能導致這些巖體形成隆升的穹頂結(jié)構(gòu)，最終形成海洋核雜巖的結(jié)構(gòu)(Maffioneetal., 2014; 李三忠等, 2019)，海洋核雜巖多在慢速和超慢速擴張洋底發(fā)現(xiàn)(例如，大西洋伊比利亞平原和紐芬蘭被動邊緣)(Ildefonse and The IODP Expeditions 304 and 305 Scientists, 2005)。另外，匯聚板塊邊緣出現(xiàn)的板片窗使深部的上地幔橄欖巖充分暴露，也極容易發(fā)生蛇紋石化作用，生成深海蛇紋巖。

1.4 俯沖帶

俯沖帶地區(qū)的蛇紋巖變質(zhì)機制相比其他地方復雜得多，地幔楔蛇紋巖包含在海溝和火山島弧間產(chǎn)出的弧前蛇紋巖和在地幔楔上俯沖地幔產(chǎn)出的蛇紋巖(溫度更高、深度更深)(Deschampsetal., 2013)?；∏暗貛У某练e物、洋殼物質(zhì)和地幔橄欖巖在地幔楔被俯沖板片釋放的流體交代發(fā)生蛇紋石化作用，會影響前弧乃至地幔深部(Fryer, 2002; Iyer, 2007)。弧前蛇紋巖與深海蛇紋巖有交集，但因為弧前蛇紋巖與地幔楔聯(lián)系更密切，所以Deschampsetal.(2013)將它們劃分在一起。俯沖帶蛇紋巖是指被攜帶進俯沖帶的洋源、陸緣物質(zhì)，在地幔楔下的俯沖構(gòu)造帶產(chǎn)出的蛇紋巖。俯沖帶是三類蛇紋巖的富集區(qū)(Deschampsetal., 2013)，它們的地球化學性質(zhì)如圖1所示。俯沖帶蛇紋巖(與俯沖帶相關(guān))大多涉及世界范圍內(nèi)的蛇綠巖帶和增生楔帶。前人對歐洲阿爾卑斯山開展了大量研究，例如法國的Chenaillet蛇綠巖(Chalot-Pratetal., 2003)、法國的Queyras (Lafayetal., 2013)、意大利的Erro-Tobbio地塊(Scambellurietal., 2001)、以及斯洛文尼亞的Bistrica超鎂鐵質(zhì)巖體(De Hoogetal., 2009)、西班牙的Cerro del Almirez超鎂鐵質(zhì)巖體(Marchesietal., 2013)和西班牙的Cabo Ortegal地塊(Pereiraetal., 2008)。此外，喜馬拉雅造山帶周邊地區(qū)也有俯沖帶蛇紋巖出露。如圖1，俯沖帶蛇紋巖的Ti含量(30×10-6～500×10-6)高于深海蛇紋巖和地幔楔蛇紋巖(Deschampsetal., 2013)。俯沖帶蛇紋巖的原巖fO2主要落在FMQ-1、FMQ-2，稀土元素Yb較為富集 (Deschampsetal., 2013)。地幔楔蛇紋巖中流體活動性元素(如Sr、Rb、Cs等)較為富集，地幔楔蛇紋巖的fO2主要落在FMQ+1到FMQ-1(Deschampsetal., 2013)。

蛇紋巖是了解10～200km深度范圍內(nèi)俯沖帶地球動力學的關(guān)鍵，作為主要儲水巖，流變性對深部變形和地震活動有很大的影響(Reynard, 2013)。蛇紋石脫水引起的巖層脆性轉(zhuǎn)變，很有可能是洋殼向地球深部俯沖的動力誘因。雖然蛇紋石的電導率低于研究檢測極限(10-4sm-1)(Guoetal., 2011)，但是可用來探測流體的存在，同時也要考慮鹽度液體的影響(Reynard, 2013)。受蛇紋石滲透性不均一的影響，地幔楔中蛇紋巖釋放的上升流體，并不是垂直運移，而是相對地幔楔的尖端斜向偏轉(zhuǎn)(Scambellurietal., 2004)。此外，Yangetal.(2020)對俯沖帶進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，蛇紋石化程度高、厚蛇紋石化地幔、薄俯沖洋殼，更不容易形成弧巖漿。

2 蛇紋石化過程及其影響因素

2.1 蛇紋石化過程

蛇紋石化是指中、低溫熱液對基性巖和超基性巖交代而產(chǎn)生蛇紋石等礦物的一種水巖蝕變作用(Mével, 2003; Evansetal., 2013)?；詭r(如玄武巖)和超基性巖(如橄欖巖、科馬提巖等)的水熱蝕變，主要是巖石中的橄欖石和斜方輝石蝕變?yōu)樯呒y石，常見蛇紋石化及相關(guān)反應(yīng)如表1，次要礦物有磁鐵礦、水鎂石、滑石等。巖石一般呈黃綠-黑綠色，風化后顏色變淺，為灰白色土狀，有時肉眼可見網(wǎng)脈狀構(gòu)造，呈纖維狀、致密塊狀集合體。透閃石和滑石等礦物也可以在蛇紋石化過程中產(chǎn)生(Früh-Greenetal., 2002; Escartínetal., 2003)。產(chǎn)生透閃石和滑石的原始礦物可能為輝石和橄欖石。輝石的蛇紋石化會導致SiO2流體的富集。流體中SiO2活度的提高導致滑石和透閃石相對于蛇紋石更穩(wěn)定(Allen and Seyfried, 2003)。如果在斷層帶中存在富含二氧化硅的流體，則會交代橄欖巖形成蛇紋石-滑石-透閃石片巖，然而，這種交代作用形成的巖石在體積上占比很小。

蛇紋石化過程中伴隨著化學元素的遷移，并造成其相對含量發(fā)生變化。前人認為主量元素 CaO、 Al2O3、 FeO和MgO等的遷移量很小(Mével, 2003)，蛇紋石化礦物假象保留了其初始礦物的Al、Cr和Ni等元素特征。海水主導的地幔巖石水化作用導致塊狀巖石中的Mg/Si發(fā)生輕微變化(Snow and Dick, 1995; Niu, 2004)，Mg減少的唯一證據(jù)被記錄在低溫變質(zhì)的橄欖巖中，并且可能與粘土礦物的形成有關(guān)。另外，蛇紋石化過程除了增加水，還會消耗Ca (Janecky and Seyfried, 1986)。在高級蝕變作用下文石或方解石的沉淀會增加巖石中的Ca含量。盡管蛇紋巖中主量元素未發(fā)生較大變化(除了較高的H2O)，但蛇紋巖的地球化學性質(zhì)相較于原巖仍發(fā)生了一些變化。蛇紋巖較高的Fe含量主要是繼承自橄欖巖原巖，蝕變的橄欖巖中Fe2O3含量變化量可達5.21%～19.77% (Da Costaetal., 2008)，表明鐵在蛇紋石化過程中十分活躍，主要富集于蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦中。

蛇紋石中也含有一定量的Al2O3。通常，橄欖石中不含Al。但Dungan (1979)認為蛇紋石化的橄欖巖中含有一定含量的Al2O3。由橄欖石蝕變生成的蛇紋石含0.3%～2.5% Al2O3，由斜方輝石蝕變的蛇紋石含1.5%～ 4.7% Al2O3(Dungan, 1979)。在輝石蝕變時，Al從流體相進入蛇紋石晶體結(jié)構(gòu)中。并且，由輝石蝕變生成的蛇紋石中Al2O3的量比由橄欖石蝕變生成的蛇紋石中Al2O3的量高(黃瑞芳等, 2015b)。

其次，元素Ni和Cr在蛇紋石化過程中較為活躍。在橄欖巖中，Ni主要來自于橄欖石。蛇紋石化產(chǎn)生的流體中Ni含量一般較低。Ni可富集在蛇紋石和磁鐵礦中(Golightly and Arancibia, 1979; González-Manceraetal., 2009; Deschampsetal., 2010)。Cr的活動性體現(xiàn)在鉻鐵礦或尖晶石的蝕變中。典型的鉻鐵礦蝕變后形成三層蝕變環(huán)帶：富Fe的鉻鐵礦環(huán)帶、磁鐵礦環(huán)帶和硅酸鹽環(huán)帶(Ulmer, 1974)。與未蝕變的鉻鐵礦相比，富Fe的鉻鐵礦環(huán)帶中Al和Cr含量降低，而Fe含量增加(黃瑞芳等, 2013)。

2.2 蛇紋石化礦物的礦物學特征

蛇紋石化過程的主要產(chǎn)物是蛇紋石化礦物，包括蛇紋石、磁鐵礦、水鎂石等礦物。下面對主要的蛇紋石化特征礦物進行介紹。

2.2.1 蛇紋石

蛇紋石是蛇紋石化作用的主要特征產(chǎn)物。礦物結(jié)構(gòu)由Si-O四面體和Mg-O八面體按照1:1比例層狀分布。四面體位置的Si4+可被Al3+和Fe3+替代，八面體位置的Mg2+可被Fe2+、Fe3+、Cr3+、Al3+、Ni2+和Mn2+替代(O’Hanley, 1996; Evansetal., 2013)。主要包括利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石三種類型。

利蛇紋石結(jié)構(gòu)呈平行層狀，是最主要的蛇紋石礦物(Miyashiroetal., 1971; Moody, 1976; Prichard, 1979; Hébertetal., 1990)(圖2a)，常見于呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的蝕變橄欖石和絹石中，且相對其它兩種類型更富Al、Fe (Uehara and Shirozu, 1984)。絹石是蛇紋石的假象結(jié)構(gòu)的一種，是保留了輝石假象的蛇紋石，并且不利于晶體尺度上的體積增加。纖蛇紋石由傾向于形成圓柱體的卷曲層組成(圖2b)，為卷軸狀，主要出現(xiàn)在脈體中，多呈現(xiàn)平行的生長帶結(jié)構(gòu)。葉蛇紋石由于四面體和八面體的周期性倒轉(zhuǎn)，導致一些八面體位置的缺失而呈波浪狀(圖2c)。八面體中Mg2+和(OH)-相對于Si來說，更易丟失，因此葉蛇紋石富Si貧Mg。

表1 常見蛇紋石化及相關(guān)反應(yīng)

圖2 蛇紋石礦物晶體結(jié)構(gòu)示意圖(據(jù)Evans et al., 2013)(a) 利蛇紋石; (b) 纖蛇紋石; (c) 葉蛇紋石Fig.2 Sketch of crystallographic structures of serpentine minerals (after Evans et al., 2013)(a) lizardite; (b) chrysotile; (c) antigorite

圖3 利蛇紋石、纖蛇紋石和葉蛇紋石的轉(zhuǎn)換關(guān)系及穩(wěn)定域(據(jù)Evans, 2004修改)紫色反應(yīng)線代表穩(wěn)定的反應(yīng)；黑色虛線代表亞穩(wěn)定反應(yīng)Fig.3 The transformation relation and stability domain of 1izardite chrysotile and chrysotile (modified after Evans, 2004)The purple solid line and dotted black line represent the stable reaction and the substable reaction, respectively

圖4 富磁鐵礦(a)和貧磁鐵礦蛇紋巖(b)的背散射圖像對比(據(jù)Klein et al., 2014)Fig.4 Backscatter electron (BSE) images of magnetite Mag-rich and Mag-poor serpentinite (after Klein et al., 2014)

這三類蛇紋石隨著溫度升高，存在“利蛇紋石-纖蛇紋石-葉蛇紋石”的過渡轉(zhuǎn)化關(guān)系，并且有屬于各自的穩(wěn)定域。200℃以下的低溫環(huán)境，利蛇紋石存在，超過200℃能夠轉(zhuǎn)化為纖蛇紋石，300℃以上的高溫環(huán)境，葉蛇紋石存在。因此，根據(jù)蛇紋石族礦物組合，可以初步判斷蛇紋石化發(fā)生的溫度(丁興等, 2016；Evans, 2004；圖3)。但通過蛇紋石類型來判斷蛇紋石化溫度需謹慎，可能只在少數(shù)簡單體系熱力學平衡的情況下有效。另外，原巖的成分也會對蛇紋石的成分產(chǎn)生影響(Molletal., 2007; Deschampsetal., 2010)。角閃石蝕變和橄欖石蝕變后成分有所不同，橄欖石蝕變形成的利蛇紋石具有比前者更高的鎂指數(shù)(Mg#=Mg/(Mg+Fe)×100)。研究發(fā)現(xiàn)，角閃石蝕變形成的利蛇紋石具有富FeO(9.22%～10.02%)、貧MgO(31.28%～32.98%)的特征(汪小妹等, 2009)，而橄欖石蝕變成因的利蛇紋石則具有貧FeO(3.91%～6.01%)、富MgO(35.95%～37.23%)的特征。輝石的蝕變產(chǎn)物和橄欖石的蝕變產(chǎn)物也存在成分差異。輝石蝕變形成的蛇紋石通常富Al (Wicks and Plant, 1979)。Dungan (1979)指出單斜輝石蝕變后形成的蛇紋石中Al2O3含量高達5.7%。由于Ca2+在蛇紋石化過程中被消耗，因此很難用主量元素來區(qū)分斜方輝石和單斜輝石蝕變之后形成的蛇紋石(Deschampsetal., 2013)。Deschampsetal.(2010)提出利用中度不相容元素與稀土元素一起區(qū)分橄欖石、斜方輝石和單斜輝石蝕變后的蛇紋石礦物。

2.2.2 磁鐵礦

研究表明，幾乎所有暴露在陸地和洋底的蛇紋石化橄欖巖中都存在磁鐵礦(Toftetal., 1990; Oufietal., 2002)，磁鐵礦常分布于蛇紋石邊緣(黃瑞芳等, 2013)，但是磁鐵礦含量差異非常大(Oufietal., 2002)。當> 75%的橄欖巖被蛇紋石化時，磁鐵礦的產(chǎn)量通?？焖偕仙?，完全蛇紋石化的橄欖巖磁鐵礦含量高于部分蛇紋石化橄欖巖(Oufietal., 2002)。ODP153航次獲取的富含磁鐵礦的蛇紋巖和173航次(伊比利亞邊緣)獲取的貧磁鐵礦的蛇紋巖的背散射電子圖像(BSE)表明，富含磁鐵礦的蛇紋巖呈網(wǎng)格狀構(gòu)造(圖4a)；而貧磁鐵礦的蛇紋巖網(wǎng)狀中心承載富鐵水鎂石(輕灰色)與蛇紋石共生，磁鐵礦缺乏，基本不含有網(wǎng)格紋理(圖4b)。

但是，磁鐵礦在蛇紋石化作用過程中，并不是一直存在。例如，方輝橄欖巖和純橄巖的蝕變，早期沒有磁鐵礦的出現(xiàn)，但晚期的蛇紋石脈中有磁鐵礦(Bachetal., 2006)。Beardetal.(2009)在天然樣品中發(fā)現(xiàn)了兩類脈體：第一類中的蛇紋石礦物為葉蛇紋石(>350℃)，蝕變程度較低，蛇紋石和水鎂石中的鐵較高(10.88% FeO)，沒有磁鐵礦的結(jié)晶；第二類脈體切割第一類脈體，蛇紋石礦物為利蛇紋石(形成溫度低于葉蛇紋石)，蝕變程度較高，有磁鐵礦的結(jié)晶，蛇紋石含3.12% FeO，這表明磁鐵礦的結(jié)晶與蝕變程度密切相關(guān)。蛇紋石化過程可以分為兩個階段：第一階段主要形成富鐵的蛇紋石和水鎂石，第二階段開始形成磁鐵礦(McCollom and Bach, 2009)。但Malvoisinetal.(2012)和Okamotoetal.(2011)卻認為，蛇紋石化過程的產(chǎn)物(例如，蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦)與蝕變程度無關(guān)，表明橄欖巖蝕變的復雜性。

圖5 橄欖巖和蛇紋巖碳酸鹽化的反應(yīng)途徑(據(jù)Power et al., 2013)Fig.5 Pertinent reaction pathways at high and low temperatures that lead to carbonation of peridotite and serpentinite (after Power et al., 2013)

磁鐵礦的形成與溫度、水巖比等因素關(guān)系密切。Evans (2008, 2010)認為，磁鐵礦的形成基于反應(yīng)平衡的約束和低于300℃的橄欖石中緩慢的Mg-Fe體系的擴散；Kleinetal.(2014)的研究表明蛇紋石化溫度太低時不利于磁鐵礦的生成(圖2b)；而Frostetal.(2013)認為在適合磁鐵礦生成的溫度下，水巖比影響蛇紋石化進程和磁鐵礦生成，磁鐵礦的形成是從早期形成的蛇紋石和水鎂石中獲取了Fe。Seyfriedetal.(2007)通過實驗表明，在200°C和50MPa條件下，部分二輝橄欖巖的蛇紋石化可以產(chǎn)生富Fe的水鎂石、蛇紋石和豐富的H2(aq)(76.7mmol/kg)，而幾乎不形成磁鐵礦。Lafayetal.(2012)在150～200℃進行了熱液實驗，發(fā)現(xiàn)盡管蛇紋石化作用已完成，但是仍然沒有磁鐵礦生成。已有的研究表明，中低溫蛇紋石化實驗中磁鐵礦形成較少，而高溫條件下的蛇紋石化實驗幾乎都產(chǎn)生了磁鐵礦，二者形成了鮮明對比(Malvoisinetal., 2012)。目前對高溫蛇紋石化過程中磁鐵礦的形成過程的研究較為深入，但是對于中低溫蛇紋石化過程仍缺乏深入研究。Toftetal.(1990)認為，蛇紋石化的最初階段生成富鐵蛇紋石和水鎂石(反應(yīng)式(1))，磁鐵礦是在進一步蛇紋石化過程中生成的(反應(yīng)式(12, 13))，在有磁鐵礦形成的同時，蛇紋石中也可以含有少量的三價鐵，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+，水中的氫被還原為氫氣 (反應(yīng)式(11))(Toftetal., 1990; Bachetal., 2004, 2006; Beardetal., 2009; Frostetal., 2013)。McCollom和Bach(2009)通過一系列的熱力學計算，認為Fe2+在低溫時(<200℃)易進入水鎂石中，導致磁鐵礦和氫氣的生成量降低。Frost and Beard (2007)通過熱力學的計算表明磁鐵礦生成時體系中的SiO2含量較低。可見，磁鐵礦的生成可能受多種因素控制，例如，溫度、壓力、氧逸度和水巖比等，相關(guān)的實驗需進一步推進。

2.2.3 水鎂石

水鎂石為鎂質(zhì)端元反應(yīng)的產(chǎn)物(反應(yīng)式(2))，多呈片狀，常與蛇紋石共生。在低溫條件下，Mg2+易被Fe2+取代(Bachetal., 2004; McCollom and Bach, 2009)，從而形成富鐵水鎂石(反應(yīng)式(1))。水鎂石易與水溶性硅繼續(xù)反應(yīng)生成蛇紋石，因此在富硅貧鎂的體系中，水鎂石不能穩(wěn)定存在(反應(yīng)式(14, 15))。

2.2.4 碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物也常作為蛇紋石化作用的產(chǎn)物出現(xiàn)。富SiO2流體交代白云石，在形成蛇紋石的同時，也生成二氧化碳和方解石，為非常規(guī)蛇紋石化；陸地上橄欖石等富Mg礦物被富CO2流體交代，生成菱鎂礦，海底蛇紋石化時形成的碳酸鹽礦物多為白云石和方解石。這些碳酸鹽礦物也可在蛇紋石化之后的蝕變過程中出現(xiàn)，主要是由蛇紋石、水鎂石或滑石進一步與流體中的CO2反應(yīng)生成(圖5)。這一過程消耗CO2而生成碳酸鹽，具有較強的實際應(yīng)用價值，被認為是一種CO2地質(zhì)封存的有效方式，能為減輕全球變暖程度做貢獻。

2.3 影響蛇紋石化過程的主要因素

蛇紋石化過程產(chǎn)生的礦物組合受控于當時的環(huán)境因素，例如，溫度、氧化還原程度、pH值和水巖比。各因素緊密聯(lián)系，相互作用。磁鐵礦的形成以及鐵元素的行為在蛇紋石化過程中尤為重要，因為氧化還原反應(yīng)生成三價鐵并且伴隨著水還原成氫氣，從而將蛇紋石化環(huán)境驅(qū)動到極低的fO2值。

2.3.1 溫度

溫度是限制蛇紋石化過程的關(guān)鍵因素之一，溫度太低會導致蛇紋石化的進程停滯不前，產(chǎn)生不同的蛇紋石化礦物。例如，蛇紋石化初期階段，溫度太低Fe元素不易從蛇紋石或者水鎂石中遷移出去，從而不利于磁鐵礦的生成(Frostetal., 2013)。100～300℃時，橄欖石蛇紋石化產(chǎn)生的H2隨著溫度的升高而增加，當溫度超過350℃時，橄欖石蛇紋石化速率降低，導致生成H2的量驟減(McCollom and Bach, 2009; 黃瑞芳等, 2015a)，但在此溫度下，斜方輝石蛇紋石化產(chǎn)生的H2隨著溫度的增加而增加(McCollom and Bach, 2009)。當溫度超過350℃時，斜方輝石蝕變產(chǎn)生的氫氣高于橄欖石(Allen and Seyfried, 2003)。

蛇紋巖多期網(wǎng)脈的出現(xiàn)表明，蛇紋石化過程是一個多期次疊加的結(jié)果。蛇紋石族礦物穩(wěn)定存在于500℃以下，并且它們都有各自的穩(wěn)定域(O’Hanley, 1996；圖3)。利/纖蛇紋石通常產(chǎn)生于50～300℃的溫度范圍，而葉蛇紋石產(chǎn)生于400～600℃的范圍內(nèi)(Evans, 2010)。因此，低溫狀態(tài)下利/纖蛇紋石為主要的蛇紋石族礦物，而葉蛇紋石則在高溫狀態(tài)居于主導地位。利/纖蛇紋石和葉蛇紋石之間的轉(zhuǎn)變大約發(fā)生在300～400℃的范圍內(nèi)(Lafayetal., 2013)。以發(fā)展的角度來看蛇紋石化過程，洋中脊處橄欖巖的蛇紋石化實質(zhì)是一個退變質(zhì)作用的過程，橄欖巖降溫發(fā)生水巖反應(yīng)，隨著體系內(nèi)溫度的變化而產(chǎn)生不同階段的蛇紋巖相礦物組合。需加以區(qū)分的是俯沖環(huán)境中蛇紋巖發(fā)生的進變質(zhì)作用，不屬于蛇紋石化作用。早期形成的低溫相(例如，纖蛇紋石相、利蛇紋石相)隨著俯沖環(huán)境的變化逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷叵?例如，榴輝巖相、葉蛇紋石相)。葉蛇紋石在溫度達到600～700℃時徹底脫水分解(Ulmer and Trommsdorff, 1995; Wunder and Schreyer, 1997)，在富Al體系下，最終出現(xiàn)橄欖石+斜方輝石+綠泥石的礦物組合，例如西班牙的Cerro del Almirez地塊(Trommsdorffetal., 1998; Debretetal., 2015)。

2.3.2 氧化還原程度

蛇紋石化過程不僅是水巖反應(yīng)，而且還是氧化還原反應(yīng)。蛇紋石化過程中，橄欖石中的Fe2+大部分轉(zhuǎn)換為磁鐵礦中的Fe3+，富含H2的溶體將溶解的CO2轉(zhuǎn)換為還原性碳，比如甲烷、乙烷、丙烷等碳氫化合物氣體(Frost, 1985; Berndtetal., 1996; Charlouetal., 2002; Oufietal., 2002; Bachetal., 2006; Klein and Bach, 2009; McCollom and Bach, 2009; Kleinetal., 2014)。

在形成蛇紋石網(wǎng)脈的過程中，早期還原條件下，蛇紋石化反應(yīng)還產(chǎn)生了磁鐵礦和鐵鎳硫化物(如反應(yīng)式(16))(Frost, 1985)；隨著反應(yīng)的進行，蛇紋石化反應(yīng)所在的流體-巖石系統(tǒng)，會向著更為氧化的條件發(fā)展，產(chǎn)物赤鐵礦的量不斷增加(Bachetal., 2004)；如反應(yīng)式(17)(Frost, 1985)。

6Fe2SiO4(鐵橄欖石)+7H2O=3Fe3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+Fe3O4(磁鐵礦)+H2

(16)

12Fe2SiO4(鐵橄欖石)+15H2O=6Fe3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+3Fe2O3(赤鐵礦)+3H2

(17)

在沒有催化劑參與反應(yīng)的情況下，蛇紋石化過程中CO2被還原為CH4的速度非常慢(Sackett and Chung, 1979)。早期人們推測是金屬Fe或磁鐵礦催化了非生物成因的甲烷生成(Berndtetal., 1996)。后來人們發(fā)現(xiàn)鐵鎳礦(Ni2Fe至Ni3Fe)也可以催化碳還原成甲烷等碳氫化合物，并且氫氣的存在能夠增加鐵鎳礦的催化能力(Klein and Bach, 2009; Foustoukosetal., 2015)。綜上所述，還原條件較為強烈的環(huán)境下，蛇紋石化反應(yīng)的產(chǎn)物會更有利于蛇紋石化過程的推進。Berndtetal.(1996)在實驗中通過使用測得的H2濃度，來監(jiān)測氧化還原程度。晚期礦脈中，赤鐵礦量的增加與熱液溶液中 H2S(aq)和 H2(aq)活性的降低有關(guān)(Bachetal., 2004)。

表2 大西洋不同地區(qū)熱液區(qū)噴口和海水的成分對比(據(jù)Iyer, 2007)

2.3.3 pH值

pH與蛇紋石化反應(yīng)互為耦合關(guān)系，不同pH值會對蛇紋石化反應(yīng)路徑產(chǎn)生影響，蛇紋石化反應(yīng)的進行也會改變蛇紋石化體系的pH條件。理論預測，橄欖巖與海水的相互作用會產(chǎn)生高pH值、低SiO2、高H2含量的熱液(Wetzel and Shock, 2000)。反應(yīng)路徑取決于橄欖巖的礦物組成、礦物的溶解度、水巖比和溶液化學性質(zhì)，溶液化學性質(zhì)中的pH值，影響了蛇紋石化的反應(yīng)路徑，同時pH值還影響著參與反應(yīng)礦物的溶解速率(Allen and Seyfried, 2003)。

pH值高的環(huán)境，在蛇紋石化過程中能夠保證鐵氧化物相的相對穩(wěn)定(Beard and Hopkinson, 2000)。然而實際情況比這復雜(Iyer, 2007)(表2)。自然界中也存在著低pH值的熱液流體(例如，Rainbow 和 Logatchev 地區(qū))(Moody, 1976; Seyfried and Dibble, 1980; Janecky and Seyfried, 1986)。但Rainbow處較低的pH值可能是短暫事件，并且其斜方輝石的SiO2緩沖液在最后耗盡后，蛇紋石化反應(yīng)體系的pH值又再次上升(Charlouetal., 2002)。許多完全蛇紋石化的橄欖巖不含水鎂石和滑石。原因是先參加反應(yīng)的礦物相一旦耗盡，與剩余殘留相的相互作用，將改變流體的性質(zhì)(降低pH 值和提高SiO2的活度)，從而使水鎂石或滑石繼續(xù)反應(yīng)為蛇紋石。另一方面，當高溫條件下斜方輝石逐漸代替橄欖石成為參與蛇紋石化反應(yīng)的主力時，在相對較高的SiO2濃度的蛇紋石化反應(yīng)系統(tǒng)里，溶液釋放出的H+不被中和(例如，與磁鐵礦反應(yīng))，pH值降低(Charlouetal., 2002; Allen and Seyfried, 2003)。

pH值影響參與蛇紋石化反應(yīng)礦物溶解的速率。橄欖巖的水巖模擬實驗表明(Aumento and Loubat, 1971; Seyfried and Dibble, 1980; Allen and Seyfried, 2003)，最初溶液中SiO2增加，而MgO和pH值降低。低pH值有利于Fe、Mn、Zn的溶解。隨后，pH升高，溶解速率降低。

2.3.4 水巖比(W/R)

圖6 正交偏光下不同程度蛇紋石化橄欖巖(據(jù)Maffione et al., 2014)Fig.6 Optical photomicrographs under crossed polars providing an overview of varying serpentinization degrees (after Maffione et al., 2014)

水巖比對蛇紋石化進程有控制作用。Sakaietal.(1990)通過計算，將新鮮橄欖巖轉(zhuǎn)變?yōu)樯呒y巖所需的最低W/R限定為0.13；通常W/R越高，蛇紋巖同位素組成的改變程度越大(Sakaietal., 1990)。對于大西洋洋中脊的蛇紋巖，在400℃下計算出的W/R為0.55～1(Agrinier and Cannat, 1997)。Sakaietal.(1990)根據(jù) Ogasawara-Mariana弧前海山中蛇紋石的H和O同位素組成，判斷至少有兩種水參與了蛇紋石化作用，它們分別是海水和俯沖板片脫出的水。與“正常”非剪切蛇紋巖相比，剪切型蛇紋巖中的δD更低，δ18O含量更高，這表明剪切型蛇紋巖是在深部形成的，可能是通過與俯沖板片脫出的水相互作用，使地幔楔橄欖巖發(fā)生部分蛇紋石化而形成的(Sakaietal., 1990)；如果將超鎂鐵質(zhì)巖體置于較淺的部位，海水會通過孔隙滲透進入，將未反應(yīng)的橄欖巖進一步蛇紋石化，顯示出“正常”的網(wǎng)狀紋理且δD更高(Sakaietal., 1990)。Frostetal.(2013)發(fā)現(xiàn)在水巖比不同的條件下，巖相中形成了不同的脈體：Ⅰ型脈形成于以巖石為主的系統(tǒng)中，其中 FeO、MgO 和 SiO2的活度由橄欖石和斜方輝石的成分決定；II型脈形成于以流體為主的系統(tǒng)中，流體的增加驅(qū)動了蛇紋石化反應(yīng)的進行，水鎂石和蛇紋石反應(yīng)生成磁鐵礦和氫，并且水鎂石和蛇紋石中的鐵被提取出來，產(chǎn)生磁鐵礦。結(jié)果導致體系更具鎂質(zhì)，水鎂石-蛇紋石-磁鐵礦組合的氧逸度升高，因此逐漸降低磁鐵礦形成反應(yīng)速率(Frostetal., 2013)，氫的濃度隨著水巖比的增加而減少(McCollom and Bach, 2009)。

3 衡量蛇紋石化作用程度的方法

衡量蛇紋石化程度(serpentinization degree calculated，Sc)最簡單直接的方法就是巖相觀察，巖石磁學的磁化強度和地球化學的燒矢量(loss on ignition， LOI)等可以作為間接指標。

3.1 巖石微觀結(jié)構(gòu)

蛇紋石化程度不同的橄欖巖其微觀結(jié)構(gòu)上存在明顯的差異。Maffioneetal.(2014)指出在海洋核雜巖中，隨著蛇紋石化程度的升高，橄欖石晶粒顯示出不同程度的重結(jié)晶，并呈糜棱狀。蝕變程度較低的樣品(圖6a，b)蛇紋石化形成了典型的蛇紋石網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。蝕變程度高的樣品(圖6c，d)顯示出較大的橫切狀蛇紋石脈，通常在巖脈中心充填有磁鐵礦顆粒。

Mirdita海洋核雜巖中蛇紋石化橄欖巖的背散射圖像(圖7a，b)顯示，蛇紋石化程度極低(2%)的樣品中，磁鐵礦晶粒主要為(亞)微米級別，偶爾會出現(xiàn)較大的顆粒聚集體(5～10mm)。蛇紋石化程度為中等(10% < Sc < 40%)的樣品中(圖7c，d)，在蛇紋石脈的中心會發(fā)育較大的磁鐵礦晶粒。而高度蛇紋石化的橄欖巖(>40%)中，大顆粒(>50mm)的磁鐵礦晶粒構(gòu)成了寬蛇紋石脈中心的主要部分(圖7e，f)，有的甚至分布在整個巖石中(圖7g，h)。

3.2 磁學指標

超鎂鐵質(zhì)巖的蛇紋石化會導致磁鐵礦的形成，而磁鐵礦在形成過程中會記錄當時地磁場的信息(Lienert and Wasilewski, 1979; Bina and Henry, 1990; Toftetal., 1990; Oufietal., 2002)。因此，超鎂鐵質(zhì)巖石的磁化率(χ)、天然剩磁(natural remanent magnetization, NRM)、中值場(median destructive field, MDF)、磁滯參數(shù)(Mrs，Ms，Hcr，Hc)以及晶粒大小和磁鐵礦的體積分數(shù)(m)與蛇紋石化程度密切相關(guān)。

利用大洋鉆探樣品獲得的數(shù)據(jù)顯示，蛇紋石化橄欖巖中磁鐵礦的磁化率、粒徑大小等磁學性質(zhì)受蛇紋石化程度控制(Oufietal., 2002)。但這種相關(guān)性通常較差，并且只對于蛇紋石化程度高的樣品適用。對于蛇紋石化程度較弱的橄欖石，其磁學性質(zhì)及其在整個蛇紋石化過程中如何演化目前沒有明確定論。

對大洋蛇紋巖磁性的詳細研究揭示了磁鐵礦形成的復雜性，磁化率和磁鐵礦的含量呈正相關(guān)關(guān)系。然而，磁鐵礦含量的增加并不和蛇紋石化的量呈線性關(guān)系(Mével, 2003)。

Miller and Christensen (1997)根據(jù)以下方程式在密度(d)和原始蛇紋石化程度(S)之間建立了線性反相關(guān)關(guān)系：

S=(3.3-d)/0.785

[1]

后來，Oufietal.(2002)根據(jù)新形成的磁鐵礦的量對等式[1]計算出的蛇紋石化程度進行了校正，得到了校正后的蛇紋石化度(serpentinization degree calculated，SC)：

SC={3.3-[(d-5.2×m)/(1-m)]}/0.785

[2]

其中m是磁鐵礦的體積分數(shù)(以%表示)，由下式給出：

m=Ms/92×100

[3]

公式[2]中Ms是樣品的飽和磁化強度，92Am2/kg是純磁鐵礦的飽和磁化強度。

Maffioneetal.(2014)在研究海洋核雜巖的蛇紋石化過程中，綜合利用Mirdita海底核雜巖和洋中脊橄欖巖(mid-ocean ridge-related abyssal peridotite，MAP)的數(shù)據(jù)庫對磁鐵礦的體積分數(shù)(m)的計算公式進行了擬合：

m=0.23×exp (0.03×SC)相關(guān)系數(shù)(R)=0.68

[4]

圖7 Mirdita海洋核雜巖中蛇紋石化橄欖巖的背散射圖像(BSE)(據(jù)Maffione et al., 2014)Fig.7 BSE images of serpentinized peridotites from the Mirdita oceanic core complex (OCC) (after Maffione et al., 2014)

這個擬合結(jié)果與Oufietal.(2002)的結(jié)果具有很好的一致性。圖8顯示，隨著蛇紋石化過程的進行，磁鐵礦的體積分數(shù)m、NRM和χ均呈指數(shù)增長(在60%～70%蛇紋石化之后加速)。而Malvoisinetal.(2012)的水熱實驗模擬結(jié)果顯示磁化率χ隨著蛇紋石化程度的增加呈線性增長趨勢。將該結(jié)果與MAP數(shù)據(jù)庫中觀察到的磁鐵礦產(chǎn)量的顯著變化相結(jié)合，進一步表明熱液系統(tǒng)的物理、化學條件可能直接控制副產(chǎn)物(如磁鐵礦)的含量，但不能直接控制其含量快速增加的時間節(jié)點(例如，在Sc>60%時快速增加)。這種指數(shù)增長歸因于富鐵水鎂石的分解，由二氧化硅活性的增加引起(Bachetal., 2006)，或者整體環(huán)境從巖石為主轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w為主的條件，其中氧化還原程度隨著時間的推移而增加(Frostetal., 2013)。

圖8 蛇紋石化程度對磁鐵礦的體積分數(shù)m (a) 、天然剩磁NRM (b) 、體積磁化率κ(c)的控制作用(據(jù)Maffione et al., 2014修改)Mirdita OCC: Mirdita海底核雜巖；MAP:洋中脊橄欖巖Fig.8 Variation of magnetite volume content m (a), intensity of the natural remanent magnetization (NRM) (b), and magnetic susceptibility κ(c) with the degrees of serpentinization (Sc) for the peridotites from the Mirdita OCC and MAP (modified after Maffione et al., 2014)Mirdita OCC: Mirdita oceanic core complex; MAP: mid-ocean ridge-related abyssal peridotite

圖9 Mirdita OCC樣品的磁滯實驗結(jié)果——FORCs圖(據(jù)Maffione et al., 2014)Fig.9 Results of hysteresis experiments from representative Mirdita OCC samples characterized by increasing (left to right) serpentinization degrees: FORCs diagrams (after Maffione et al., 2014)

為進一步探究磁性礦物的磁疇隨著蛇紋石化程度加深的變化，前人對樣品進行了一系列磁滯實驗分析。Mirdita海洋核雜巖樣品的FORCs圖(First-Order Reversal Curves)(圖9)顯示，隨著SC從6%增加到95%，樣品的磁疇從超順磁(SP)逐漸演化為單疇(SD)、單疇和準單疇(PSD)混合，最后為SD、PSD和多疇(MD)顆粒的混合，展示出磁鐵礦粒徑逐漸增加的趨勢(Maffioneetal., 2014)。

隨著蛇紋石化程度的增加，磁疇的粒徑與穩(wěn)定性之間存在聯(lián)系(Maffioneetal., 2014)。多疇顆粒主要在蛇紋石化程度達到60%之后迅速生長，這是由于體系從巖石為主變?yōu)榱黧w為主的環(huán)境，導致磁鐵礦生產(chǎn)率的快速提高。但流體為主環(huán)境下生成的大量多疇磁鐵礦顆粒的磁性不穩(wěn)定(圖10)。此時磁性不穩(wěn)定的原因與MD顆粒的性質(zhì)有關(guān)，MD顆粒的磁疇壁與自旋磁矩易被改變。MD顆粒與磁鐵礦的體積含量m(%)隨著蛇紋石化程度的加深，而呈現(xiàn)出指數(shù)增加的關(guān)系。

圖10 在蛇紋石化過程中磁鐵礦的體積含量m(%)和磁疇MD含量(%)的變化(據(jù)Maffione et al., 2014修改)Fig.10 The volume content m (%) and magnetic domain MD content (%) of magnetite change during the process of serpentinization (modified after Maffione et al., 2014)

圖11 天然剩磁與磁化率的對數(shù)圖(據(jù)Maffione et al., 2014; Oufi et al., 2002; Kelemen et al., 2004)Fig.11 Log-log plot of NRM and susceptibility of oceanic serpentinized peridotite samples from the Mirdita OCC compared to lines of constant Q (K?nigsberger ratio) calculated for field of 37.2A/m (after Maffione et al., 2014; Oufi et al., 2002; Kelemen et al., 2004)

3.3 地球化學指標

蛇紋石化作用是一種水巖反應(yīng)。蛇紋巖全巖含有15%～16%的水含量(Vilsetal., 2008)。在蛇紋巖中，水含量通常被用作蛇紋石化程度的代表。通過計算樣品高溫加熱前后的質(zhì)量的差異，確定出蛇紋巖樣品的燒失量LOI。然而，蛇紋石化是否會對巖石的整體化學性質(zhì)產(chǎn)生影響，存在許多爭論。O’Hanley (1996)很好地解決了這些圍繞體積問題的爭論，因為蛇紋石的密度(2.5g/cm3)遠低于新鮮橄欖巖(3.3g/cm3)。如果蛇紋石化以恒定的體積發(fā)生，則密度的降低必須伴隨化學元素的損失。相反，如果化學元素保持恒定，則必須增加體積以解決密度降低的問題。但是，在樣本規(guī)模上，廣泛遍布的網(wǎng)脈狀可以解釋體積的增加。目前的普遍共識是主量元素不會因為蛇紋石化作用而發(fā)生較大變化，微量元素可能發(fā)生改變等。

地球化學參數(shù)和磁學參數(shù)結(jié)合的多指標方法，用來衡量蛇紋石化程度值得考慮。Bina and Henry (1990)使用磁鐵礦的體積分數(shù)m與全巖Fe含量的比值。磁鐵礦的體積分數(shù)(如公式[3])即樣品的Ms與純磁鐵礦的體積分數(shù)的比值。全巖Fe含量由主量元素計算得到。Ms與磁性礦物的粒徑無關(guān)，與磁性礦物有關(guān)，因此使用較為廣泛(Bina and Henry, 1990; Oufietal., 2002)。

4 蛇紋石化的地質(zhì)意義

4.1 蛇紋石化作用對海底磁異常的貢獻

蛇紋石化作用所產(chǎn)生的磁性礦物對海底磁異常的貢獻值得人們關(guān)注。Maffioneetal.(2014)總結(jié)(圖11)：蛇紋石化作用初期階段所生的磁鐵礦含量較低，磁疇顆粒以SP、SD、PSD為主，隨著蛇紋石化作用的進一步加深，由巖體轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w為主的體系后，磁性礦物的磁疇以MD為主導，對海底磁異常產(chǎn)生的貢獻逐漸增加。

Q值是指示巖石穩(wěn)定保持剩磁的能力，是巖石記錄的剩磁與現(xiàn)今感應(yīng)磁化強度的比值。Q值的計算公式為 Q=NRM(Am-1)/[κ(SI)×H(Am-1)]，其中H是當?shù)氐卮艌鰪姸?。當Q>1時，說明巖石的剩磁可以作為海底磁異常的來源，而當Q<1時，其對海底磁異常的貢獻較小。圖11所示，大部分蛇紋石化橄欖巖的Q>1，說明其會對海底磁異常做出貢獻。因此，蛇紋石化橄欖巖是海底磁異常的一個重要來源。

4.2 俯沖帶蛇紋石化作用及蛇紋巖脫水對俯沖過程和俯沖帶流體活動的影響

蛇紋石脫水可能會產(chǎn)生高fO2流體，這些流體有助于氧化島弧地幔，流體活動性元素通過弧巖漿能夠顯著改變上覆地幔楔的組成和性質(zhì)?！案_工廠”將水巖反應(yīng)后的產(chǎn)物循環(huán)回地幔(Tatsumi, 2005)，這種循環(huán)機制對全球地球化學循環(huán)以及地球動力學具有重要影響。俯沖過程伴隨著溫壓的改變，俯沖板片發(fā)生變質(zhì)作用，流體逐漸從板片中釋放，并因此觸發(fā)了地幔楔內(nèi)的部分熔融，從而導致弧巖漿作用(Green II, 2007)?；r漿作用是俯沖帶的一個普遍特征，其特征是典型的鈣堿性巖漿作用，并且主要歸因于連續(xù)輸入的流體(Peacock, 1990; Hirschmann, 2006; Groveetal., 2012)。前人為了確定俯沖巖石圈的水分平衡，對脫水的時間進行了研究(Rüpkeetal., 2002)。脫水主要發(fā)生在俯沖深度100～170km，這取決于地熱梯度，并且與關(guān)鍵含水相的穩(wěn)定性有關(guān)，如角閃石(Pawley and Holloway, 1993; Poli and Schmidt, 1995)和蛇紋石(Ulmer and Trommsdorff, 1995; Wunder and Schreyer, 1997)。俯沖的洋底沉積物和熱液改造的玄武巖經(jīng)過變質(zhì)作用，將水分提供于地幔楔前弧，使地幔橄欖巖發(fā)生蛇紋石化(汪品先等, 2018)。在俯沖帶，葉蛇紋石不穩(wěn)定而脫水分解，流體活動性元素就會隨著流體相一同運移上升，進入地幔楔并誘發(fā)部分熔融；這些流體活動性元素進入到島弧巖漿中，參與了俯沖帶的化學循環(huán)(吳凱等, 2020)。為證明這一觀點，前人對微量元素或同位素研究顯示了葉蛇紋石分解過程中釋放的流體成分與弧巖漿存在關(guān)聯(lián)(Scambellurietal., 2004)。

圖12 俯沖過程中蛇紋巖中的鐵氧化還原行為示意圖(據(jù)Alt et al., 2012; Debret et al., 2015修改)方框顯示了蛇紋巖俯沖過程中的鐵氧化還原態(tài)及其氧化還原含鐵礦物的數(shù)量(據(jù)Debret et al., 2013a, b, 2015); 弧巖漿和MORB的Fe3+/FeTotal之比(據(jù)Kelley and Cottrell, 2009). 藍色虛線表示利蛇紋石的不穩(wěn)定性極限(據(jù)Schwartz et al., 2013); 紅色虛線表示蛇紋石的不穩(wěn)定性極限(據(jù)Ulmer and Trommsdorff, 1995)；灰色虛線代表溫度梯度. 蛇紋巖在變質(zhì)過程中產(chǎn)生的流體：向上移動(箭頭)，并可能與地幔楔發(fā)生交代作用Fig.12 Schematic diagram illustrating Fe redox behavior in serpentinites during subduction (modified after Alt et al., 2012; Debret et al., 2015)Boxes show the Fe redox states of serpentinites during subduction and the redox and the amount of Fe3+ bearing minerals (after Debret et al., 2013a, b, 2015). Ratio of Arc Magma to MORB’s Fe3+/FeTotal (after Kelley and Cottrell, 2009). The blue dashed line indicates the instability limit of lizardite (after Schwartz et al., 2013); Red dashed lines indicate the limits of instability of antigorite (after Ulmer and Trommsdorff, 1995); The gray dashed line represents the temperature gradient. Fluids came from serpentinites during metamorphism: upward movement (arrow) and possibly metasomatism with the mantle wedge

蛇紋巖俯沖變質(zhì)過程中，蛇紋巖可能構(gòu)成重要的流體儲集層，同時也是俯沖帶中Fe3+的重要儲層，在氧化還原過程中發(fā)揮著重要作用(圖12)。在以流體為主的系統(tǒng)中，橄欖巖蛇紋石化程度的增加伴隨著蛇紋巖中磁鐵礦含量的增加(Marcaillouetal., 2011; Frostetal., 2013; Kleinetal., 2014)。前人通過測量葉蛇紋石分解過程中所涉及的不同硅酸鹽相(主要是葉蛇紋石和綠泥石)的Fe3+/FeTotal比發(fā)現(xiàn)，葉蛇紋石的Fe3+/FeTotal比利蛇紋石相或纖蛇紋石相低(Debretetal., 2015)。在俯沖過程中，從綠片巖到藍片巖相，利蛇紋石和纖蛇紋石向葉蛇紋石轉(zhuǎn)變，伴隨著蛇紋石中Fe3+/FeTotal的降低以及磁鐵礦的溶解。這些結(jié)果證明了進變質(zhì)過程伴隨著蛇紋石中Fe的還原(Debretetal., 2014)。隨著俯沖作用的繼續(xù)進行，葉蛇紋石脫水，葉蛇紋石更加富含F(xiàn)e3+(Fe3+/FeTotal=0.6～0.75)，與次級橄欖石反應(yīng)重新平衡，磁鐵礦含量減少(1.6%～2.2%)(Debretetal., 2015)，這表明Fe3+優(yōu)先進入蛇紋石而不是橄欖石。葉蛇紋石的分解特征是Fe3+/FeTotal(BR)逐漸降低，富Fe2+相的結(jié)晶和磁鐵礦逐漸消失(Debretetal., 2015)。對富含F(xiàn)e3+的赤鐵礦和鈦鐵礦共生體的觀察表明，富含F(xiàn)e2+的礦物相結(jié)晶釋放出的O2可以促進赤鐵礦的結(jié)晶，并隨后增加俯沖地幔內(nèi)部的氧逸度，因此可以在俯沖帶中產(chǎn)生高度氧化的流體，并有助于地幔楔的氧化(Debretetal., 2015)。

進變質(zhì)作用伴隨著蛇紋巖中鐵的減少和蛇紋巖中fO2的增加。從綠片巖到藍片巖相，利蛇紋石轉(zhuǎn)變?yōu)槿~蛇紋石；到榴輝巖相隨著磁鐵礦和蛇紋石的消失，蛇紋巖的最終礦物組合為綠泥石-橄欖石-斜方輝石(Trommsdorffetal., 1998; Schwartzetal., 2013; Debretetal., 2015)。綠泥石-方輝橄欖巖階段中赤鐵礦的結(jié)晶表明，fO2在變質(zhì)過程中增加。蛇紋巖中Fe3+/FeTotal(BR)的變化受蛇紋石礦物中磁鐵礦含量和Fe3+/FeTotal比值控制，而且它們都在進變質(zhì)作用過程中降低(圖12)。

4.3 蛇紋石化對成礦作用的影響

蛇紋石化作用對成礦過程的影響不容忽視，如斑巖型金礦、硼礦床、石棉礦床、鐵鎳礦、銅鉬礦等。前人在蛇綠巖帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)很多金礦，這些金礦床的產(chǎn)狀與超基性巖密切相關(guān)，并發(fā)生了強烈的蛇紋石化和碳酸鹽化蝕變，并在超基性巖出現(xiàn)了硅化帶。利蛇紋石在向葉蛇紋石轉(zhuǎn)變的過程中，蛇紋石相變導致釋放大量的F、Cl (Debretetal., 2014)。Cl、S等可以與流體中的OH-生成絡(luò)合離子，這些離子能夠?qū)①F重金屬元素從流體中萃取出來(Hack and Mavrogenes, 2006)。中國遼河群硼礦中，蛇紋石主要是葉蛇紋石，其次才是纖蛇紋石和利蛇紋石(趙鴻, 2007)。利蛇紋石主要存在于圍巖中，葉蛇紋石主要分布在礦體邊部。利蛇紋石具有比葉蛇紋石高的B含量(黃作良, 2012)。蛇紋巖富含B，當經(jīng)過利蛇紋石向葉蛇紋石的轉(zhuǎn)變，部分的B被釋放出來，并參與成礦作用。世界上大多數(shù)石棉礦床產(chǎn)于蛇紋石化的富鎂超基性巖中(譚建, 1982)。蛇紋巖中的副礦物鐵鎳合金代表著氧逸度極低的還原環(huán)境，低氧逸度是因為蛇紋石化過程中產(chǎn)生了大量的氫氣。有實驗表明鐵鎳合金對產(chǎn)生甲烷有催化作用(Horita and Berndt, 1999)。河北小寺溝銅鉬礦床蛇紋石化蝕變巖分布于外接觸帶中，該蝕變帶以蛇紋石化透輝石為中心，向兩側(cè)呈帶狀分布，銅礦化集中于黑綠色蛇紋巖和富含黑綠色條帶的蛇紋石化大理巖中(韓秀麗等, 1998)。

4.4 蛇紋石化作用對生物演化的指示

蛇紋石化過程中會產(chǎn)生H2，H2溶解在水中，與無機碳生成甲烷等復雜的有機化合物，該反應(yīng)被稱為費托合成反應(yīng)(Fischer-Tropsch-type synthesis)。在反應(yīng)液與含氧海水混合的地方，會形成很強的氧化還原梯度，并且微生物可以利用動力學上緩慢的碳化合物的還原、氧化或沉淀來獲取代謝能。在該系統(tǒng)中形成溶解氫(H2(aq))的關(guān)鍵是鐵的氧化：2FeO(在原生礦物中)+H2O=Fe2O3(在次生礦物中)+H2(aq)(Kleinetal., 2014)。地球表面早期為海洋，海洋巖石圈的廣布以及通過熱液海水循環(huán)大量釋放來自地球的熱通量，因此早期的蛇紋石化可能更加廣泛。蛇紋巖中普遍存在的鐵鎳礦會催化橄欖巖的水熱系統(tǒng)中非生物成因的甲烷產(chǎn)生(Foustoukosetal., 2015)，這也被認為是早期微生物生命的搖籃，并可能對早期大氣的組成至關(guān)重要(Sleepetal., 2011)。

自從發(fā)現(xiàn)洋中脊系統(tǒng)的熱液噴口存在生命后，人們對地球上生命起源關(guān)注焦點逐漸集中在海洋中。冥古宙鋯石(4.4Ga)的氧同位素所反映的溫度，表明可能在地球早期海洋就已經(jīng)存在(Wildeetal., 2001)。超基性巖蛇紋石化作用，生成非生物成因的烷烴，為化學自養(yǎng)生物群落提供生命所需的能量和初始物質(zhì)，為生命的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件(Russelletal., 2010; 王先彬等, 2014)。大西洋失落之城(Lost City)的白煙囪、熱液生物是由于蛇紋石化低溫熱液作用產(chǎn)生的(汪品先等, 2018)。馬里亞納海溝的蛇紋石化環(huán)境下的泥火山作用，促進了環(huán)境向利于細胞生命生存的條件轉(zhuǎn)變，在附近出現(xiàn)了微生物群落(Fryeretal., 2020)。蛇紋巖上方的海底熱液噴口產(chǎn)生水和離子氫的化學勢梯度，為生命起源提供了非常有吸引力的場所；月球撞擊事件之后，大量早期大氣中的CO2進入地幔中，大氣中的CO2濃度由25bar降到1bar以下，當時海水pH僅為6，而海底蛇紋巖中流動液體的pH卻高達9～11，巨大的酸堿梯度利于生命產(chǎn)生(Sleepetal., 2011)。蛇紋石化作用推動了殼幔之間的交換，循環(huán)利用氧化地殼的Fe3+來交換地幔Fe2+，氧化還原作用重新恢復地殼活力(Hayes and Waldbauer, 2006)。地幔物質(zhì)的蛇紋石化也有可能在其他星球上發(fā)生，這對探索地外生命有著積極意義。美國航天局的Europa Clipper計劃進行多項科學調(diào)查任務(wù)，檢驗蛇紋石化作用對其他星球的生命存在的預測，評估目標星球的宜居性(Buffingtonetal., 2017)。Fryeretal.(2020)認為對于地球或者其他行星的生命演化，最好多考慮熱液作用以外的過程系統(tǒng)引起的蛇紋石化。

5 結(jié)語與展望

蛇紋石化作用是最重要的水巖作用之一，對大洋巖石圈演化具有重要貢獻，廣泛發(fā)生于慢速-超慢速洋脊、轉(zhuǎn)換斷層、構(gòu)造窗、洋陸轉(zhuǎn)換帶和俯沖帶地區(qū)。蛇紋石化過程受溫度、氧化還原程度、pH值、水巖比等的控制。例如，隨著反應(yīng)溫度的增加，蛇紋石礦物從利蛇紋石、纖蛇紋石逐漸轉(zhuǎn)化為葉蛇紋石，而蛇紋石族礦物穩(wěn)定度取決于熱力學和動力學參數(shù)。蛇紋石作為重要的攜水礦物，平均含有13%的H2O，富集流體活動性元素，因此在全球俯沖帶水循環(huán)中起重要作用。在與俯沖有關(guān)的地幔楔接觸時，脫水釋放出的水，誘導地幔楔部分熔融產(chǎn)生弧巖漿，在此過程流體活動性元素與圍巖進行交代作用，條件適宜時即富集成礦。另外，蛇紋石化過程中釋放的氫對地球早期生命起源十分關(guān)鍵，為新陳代謝提供了能量來源。在高溫下也可與CO2結(jié)合，通過費托反應(yīng)合成非生物成因的碳氫化合物和脂肪酸等有機化合物。

磁鐵礦作為蛇紋石化過程的主要礦物組成之一，其含量和性質(zhì)明顯受控于蛇紋石化程度，因此，可以利用蛇紋巖中磁鐵礦的性質(zhì)推斷蛇紋石化程度及形成的地質(zhì)環(huán)境。另外，蛇紋石化過程中產(chǎn)生的磁鐵礦，也可能是海底磁異常的一個磁性來源。因此，磁鐵礦是研究大洋蛇紋石化過程的一個重要的切入點和突破口。

未來蛇紋石化作用還需要從以下方面進行深入研究：

(1)當前蛇紋石化熱力學性質(zhì)還需深入探究。利用礦物組合和蛇紋石礦物的性質(zhì)來推斷大致溫度范圍，不能得到精準溫度；氧同位素δ18O分餾，蛇紋石和磁鐵礦的經(jīng)驗分餾曲線，需要更多的實驗數(shù)據(jù)完善，以此來約束估算溫度的精度。

(2)可以通過巖石的微觀結(jié)構(gòu)和水含量衡量蛇紋石化程度，但是受其他因素的影響，誤差很大。如何利用體系內(nèi)磁鐵礦的含量來量化蛇紋石化程度需要深入探索。

(3)磁鐵礦的形成，對海底磁異常的分布產(chǎn)生一定程度的影響。當前局部海底的磁異常是否與蛇紋石化過程相關(guān)需要深入研究。

(4)蛇紋石的脫水引起的巖層脆性轉(zhuǎn)變，很有可能是洋殼向地球深部俯沖的動力誘因。

(5)目前對蛇紋石化作用中流體遷移過程仍沒有系統(tǒng)厘定，可以對流體的遷移進行建模。例如，洋脊熱液系統(tǒng)與俯沖地區(qū)板塊彎曲、正斷層有關(guān)的熱液循環(huán)。

(6)非生物成因的烷烴物質(zhì)生成，影響生命的機制，蛇紋石作用可以為探索地外生命提供一些線索。