Экспериментальные работы Боуэна и Таттла подтверждают это основное положение. Они показали, что содержащий воду магнезиальный оливиновый расплав, охлажденный до 1000ºС, будет представлять собой скопление оливиновых кристаллов, промежутки между которыми будут заполнены парами воды. Эта масса будет охлаждаться без каких-либо химических изменений до температуры около 400ºС, когда оливин начнет замещаться серпентином и бруситом, причем это замещение будет продолжаться до тех пор, пока будет существовать свободная вода. Температура, при которой может начаться серпентинизация, заметно ниже в том случае, когда оливин содержит железо, и в случае богатого железом оливина температура, возможно, настолько низка, что серпентинизация этого минерала в глубинных условиях, по-видимому, невозможна. Серпентинит может образоваться при 500ºС либо путем воздействия чистой воды на оливиново-энстатитовые смеси, либо из одного оливина, если водный раствор обогащен СО2 и, таким образом, способен удалить оксид магния из системы. Выше температуры 500ºС оливин нельзя превратить в серпентинит. В присутствии водных растворов, способных привносить SiO2 или выносить MgO, оливин при высоких температурах испытывает другие изменения:
1) между 500 и 625ºС – оливин→тальк;
2) между 625 и 800ºС – оливин→энстатит→тальк;
3) выше 800ºС – оливин→энстатит.
Прежде чем пересмотреть различные гипотезы серпентинизации в свете этих данных, следует рассмотреть предполагаемые объемные взаимоотношения. Серпентинизация оливина при простой добавке воды, SiO2 и CO2 без выноса оксида магния должна вызвать значительное увеличение объема, как это иллюстрируется классическими уравнениями:
2Mg2SiO4 + H2O + CO2 → H4Mg3Si2O9 + MgCO3
оливин привнос серпентин магнезит
280 г, 88 см3 276 г, 110 см3 84 г, 28 см3
и
3Mg2SiO4 + 4H2O + SiO2 → 2H4Mg3Si2O9
оливин привнос серпентин
420 г, 131 см3 552 г, 220 см 3.
Однако наблюдаемые под микроскопом структуры и полевые взаимоотношения недеформированных серпентинитов ясно показывают, что серпентинизация обычно сопровождается очень небольшим увеличением объема или же увеличение объема не происходит совершенно. Поэтому вышеприведенные уравнения не могут отражать истинный ход серпентинизации дунитов. Более вероятна реакция, в которой оливин замещается таким же объемом серпентинита, а избыток MgO и SiO2 выносится в раствор. Это приближенно может быть выражено следующим уравнением:
5Mg2SiO4 + 4H2O → 2H4Mg3Si2O9 + 4MgO + SiO2
оливин привнос серпентин выносится в растворе
700 г, 219 см3 72 г 552 г, 220 см3 160 г 160 г.
Чтобы такая реакция произошла, суммарная концентрация MgOSiO2 в водном растворе, который удаляется из системы, не должна превышать некоторого предельного объема. Поэтому большое количество воды останется свободным. Так, если 700 г. оливина будет превращено в серпентин в результате химического воздействия равного веса воды, то 72 г. воды должны остаться в серпентините, а остающиеся 628 г. должны вынести из системы 160 г. MgO и 60 г. SiO2. Кроме того, если из ультрамафической породы при температурах 200 или 300ºС будут непрерывно удаляться растворы, настолько обогащенные оксидами магния и кремния, то должен произойти магнезиальный метасоматоз окружающих пород. Подобные явления отмечаются редко, хотя известны многочисленные примеры региональной силификации в серпентинитовых поясах. Таким образом, неизбежно напрашивается вывод, что серпентинизация перидотитов путем равнообъемного замещения требует больших количеств свободной воды. Хесс, выдвинувший гипотезу «серпентинитовой магмы», избежал этого затруднения. Он предположил, что в начале происходит предварительная кристаллизация оливина, а затем уже последующая реакция между оливином и почти равным объемом остаточного водного кремнекислого раствора с образованием серпентинита:
3Mg2SiO4 + H4SiO4 + 2H2O → 2H4Mg3Si2O9
оливин 61 см3 ± 36 см3 ± серпентин
131 см3 220 см3.
Однако, как уже отмечалось, гипотеза Хесса должна быть отвергнута как несовместимая с имеющимися экспериментальными данными.
Учитывая все вышеизложенное о процессе серпентинизации, а также различные представления о природе и происхождении перидотитовой магмы, правомерно существование двух альтернативных гипотез.
1. Перидотитовые магмы представляют собой водные магнезиальные расплавы, возможно приближающиеся по составу к серпентиниту. Серпентинизация является либо позднемагматическим, либо вторичным (автометасоматическим) процессом – реакцией между еще нагретым оливином и водными расплавами или растворами, образовавшимися из кристаллизующейся магмы. Этой точки зрения придерживались Лодочников, Хесс и др. Однако она выглядит совершенно несостоятельной в свете экспериментальных данных, полученных Боуэном и Таттлом.
2. Перидотитовые «магмы» состоят в основном из оливиновых и пироксеновых кристаллов, промежутки между которыми заполнены магматической жидкостью или парами воды. Серпентинизация почти соответствует равнообъемному замещению и происходит, по-видимому, при температурах от 200 до 400ºС. Необходимая для этой реакции вода, вместе с растворенными в ней SiO2 и СО2, может быть получена из различных источников:
А. В случае слабой серпентинизации небольшое количество участвующей в реакции воды может иметь магматическое происхождение и серпентинизация может представлять собой автометасоматический процесс. На этом способе образования особенно настаивал Бенсон, и он широко поддерживался многими авторами как хорошо объясняющий серпентинизацию. Однако Боуэн и Таттл показали, что автометасоматоз перидотитов должен скорее вызвать сложную серию замещений, как-то: превращение энстатита в тальк при высокой температуре и изменение оливина в серпентин и брусит при температурах ниже 400ºС. То, что и оливин и энстатит очень широко замещаются серпентином (при этом энстатит более устойчив), свидетельствует о том, что автометасоматоз встречается гораздо реже, чем это представлялось до сих пор. Там, где тальк образует псевдоморфозы по энстатиту, автометасоматоз более вероятен.
Б. Серпентинизация, в некоторых случаях, может быть обусловлена действием внешней посторонней магматической воды, поступившей, например, из близрасположенных интрузивных гранитов. Однако известны многочисленные случаи (например, серпентиниты Калифорнии и крупные тела перидотитовых серпентинитов юга Новой Зеландии), когда граниты, более молодые, чем ультрамафические интрузии, не были источником магматической воды.
В. Главная масса большого количества воды (и растворенных СО2, SiO2 и др.), необходимого для полной серпентинизации крупных ультрамафических тел, могла быть получена из окружающих, насыщенных водой геосинклинальных осадков или из газов и растворов, двигающихся в стороны и кверху от сходных пород, испытывающих на глубине, ниже ультрамафических тел, уплотнение, цементацию и метаморфизм, либо даже из двигающегося кверху потока ювенильной воды, не связанного ни с каким магматическим источником. Ультрамафические интрузии, медленно внедряющиеся вдоль зон главных дислокаций в геосинклинальных толщах, должны быть легко доступны для таких растворов, двигающихся кверху вдоль тех же ослабленных зон. Растворы сходного происхождения могут играть значительную роль при превращении базальтовых пород в спилиты при натриевом метасоматозе, а также при образовании глаукофановых сланцев. Возможно, в этой связи важно учесть относительно высокое содержание хлора и бора в некоторых серпентинитах, а также отмечаемую способность турмалина, аксинита и других борсодержащих минералов образовывать обогащенные участки в серпентинитовых породах. Хлор и бор присутствуют в малых количествах в несерпентинизированных перидотитах, но их довольно много в морской воде.
В настоящее время в качестве рабочей гипотезы можно принять двойственную концепцию внедрения перидотитовой «магмы» в значительной степени в кристаллическом состоянии с одновременной или последующей серпентинизацией слагающих ее минералов (оливина и энстатита) в результате воздействия водных растворов или паров, происходящих или из окружающих геосинклинальных осадков или из интрузивных тел кислой магмы. Однако эта гипотеза, подобно любой другой гипотезе, может быть подвергнута различным изменениям и уточнениям и даже может быть совсем отброшена, если она окажется несовместимой с фактами, еще не известными в настоящее время.
Экспериментальные данные Б. Майсена и А. Бёттчера (1979) свидетельствуют о значительно более низких температурах образования ультраосновных водонасыщенных расплавов, чем это предполагалось ранее. Эти температуры (около 1300ºС) при высоком геотермическом градиенте и высоких содержаниях H2O в слабо дифференцированной мантии на ранних стадиях развития Земли были вполне достижимы при генерации ультраосновных магм, служивших источниками коматитовых лав (некоторые коматиты содержат 10 вес. % воды). При добавлении CO2 в систему перидотит-вода происходит снижение температуры плавления. В интервале давлений 15–30 кбар смещение составляет около 20ºС.
Вероятно, различное положение границ плавления перидотита в зависимости от состава флюида, а также химизма исходного вещества может объяснить различную глубину положения зоны зарождения мантийных расплавов. Кроме того, было установлено, что граница появления граната, в значительной степени зависящая от состава перидотитов, растянута на значительный интервал (примерно 10 кбар). Это позволяет предполагать горизонтальную минералогическую неоднородность и различия плотности в мантии.