蛇紋石化可以產(chǎn)生氫氣，并可進(jìn)一步通過費(fèi)托類反應(yīng)合成甲烷。這些氫氣和甲烷可以被化能合成微生物所利用，以此支持非光合作用體系下生物群落的生存。類地天體如火星、土衛(wèi)二和木衛(wèi)二等星球上也存在或者可能存在蛇紋石化，并可能孕育蛇紋石化熱液相關(guān)的宜居環(huán)境。蛇紋石化時氫氣是由鐵的氧化導(dǎo)致水被還原所產(chǎn)生的，和不同價(jià)態(tài)鐵在蝕變礦物間的分配相關(guān)。雖然地球和類地天體上參與蛇紋石化的流體如海水和俯沖帶流體等普遍含有一定含量的氯，前人研究一般認(rèn)為氯在蛇紋石化時是一個微不足道的組分，多作為微量元素進(jìn)入含水礦物，很少形成獨(dú)立氯化物，對蛇紋石化過程和相關(guān)鐵的分配及氫氣產(chǎn)生影響較小。
針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石學(xué)學(xué)科組張龍副研究員、王強(qiáng)研究員及其合作者近期在西太平洋新喀里多尼亞蛇綠巖的不同超基性巖中發(fā)現(xiàn)了橄欖石中流體包裹體內(nèi)原位蛇紋石化時形成的新型羥基氯化物kuliginite（圖1）。Kuliginite以俄羅斯地質(zhì)學(xué)家Sergey Semenovich Kuligin的名字命名，其理想化學(xué)式為Fe3Mg(OH)6Cl2，因此其中文名建議為庫利金礦。庫利金礦于幾年前發(fā)現(xiàn)于俄羅斯Udachnaya金伯利巖，和其它氯化物、碳酸鹽和硫酸鹽共存于金伯利巖孔洞中，被認(rèn)為是后期鹽鹵水交代金伯利巖的產(chǎn)物。本次研究通過激光拉曼、電子衍射和元素分析等手段確認(rèn)新喀里多尼亞超基性巖流體包裹體內(nèi)廣泛存在庫利金礦（圖2），是該礦物在其發(fā)現(xiàn)地外的首次報(bào)道。這表明庫利金礦并不是一個僅局限于Udachnaya金伯利巖的特殊礦物，而可能在地球和類地天體富氯環(huán)境下的一些蛇紋石化過程中形成。
圖1 新喀里多尼亞不同超基性巖中橄欖石內(nèi)流體包裹體拉曼面掃圖。流體包裹體原位蛇紋石化形成了蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦、庫利金礦、氫氣和甲烷等。
根據(jù)現(xiàn)有資料，初步推測庫利金礦可能在流體氯含量達(dá)到3.5–6.3 wt.%且溫度低于280°C時，由富鎂橄欖石在相對封閉體系下蛇紋石化形成。在地球上，弧前蛇紋石化時由于俯沖帶流體較高的鹽度最有可能形成庫利金礦；洋底和陸地上的蛇紋石化需要相關(guān)流體顯著提高氯含量后才能形成庫利金礦。而火星、土衛(wèi)二和木衛(wèi)二等類地天體上的流體是高度富氯的鹽鹵水，因而這些天體上的蛇紋石化如果存在，可能更利于庫利金礦或相關(guān)羥基氯化物的形成。庫利金礦十分富鐵（~57%FeO），蛇紋石化時其少量形成就會顯著影響鐵的分配；而且由于庫利金礦中的鐵多為二價(jià)鐵，其形成時可以發(fā)生氧化的鐵含量減少，進(jìn)而氫氣的產(chǎn)生和進(jìn)一步甲烷的合成都會受到抑制。但是，在開放體系水巖比升高時庫利金礦可以進(jìn)一步氧化，該過程可以伴隨新階段的氫氣產(chǎn)生和甲烷合成。
圖2 （a）新喀里多尼亞超基性巖中庫利金礦和Udachnaya標(biāo)準(zhǔn)庫利金礦拉曼譜對比圖；（b）新喀里多尼亞超基性巖中庫利金礦選區(qū)衍射圖；（c）新喀里多尼亞超基性巖中流體包裹體元素面掃圖。礦物縮寫為：Ctl-纖蛇紋石，Brc-水鎂石，Klg-庫利金礦，Mag-磁鐵礦，Ol-橄欖石，Pn-鎳黃鐵礦。
綜上，本研究表明蛇紋石化形成庫利金礦等羥基氯化物時鐵的分配與氧化過程和傳統(tǒng)默認(rèn)的純水體系可能存在著較大差異，在評估富氯環(huán)境蛇紋石化氫氣和甲烷產(chǎn)生過程時需要考慮氯的影響。相關(guān)研究成果近期正式發(fā)表于《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上。該研究獲得了中科院先導(dǎo)專項(xiàng)以及國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助；相關(guān)研究樣品是在IGCP-649項(xiàng)目第四次研討會和野外考察期間獲得。
論文信息：Zhang L. (張龍), Wang Q. (王強(qiáng)), Mikhailenko D., Ding X. (丁興), Li W.-C (李萬才), Xian H. (鮮海洋), 2022. Hydroxychloride-bearing fluid inclusions in ultramafic rocks from New Caledonia: Implications for serpentinization in saline environments on Earth and beyond. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 127, e2022JB024508.
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