Serpentin hóa là một quá trình biến chất địa chất nhiệt độ thấp liên quan đến nhiệt và nước mà trong đó các đá siêu mafic và mafic có hàm lượng silica thấp bị ôxy hóa (ôxy hóa kỵ khí của Fe2+ bởi các proton của nước dẫn đến sự hình thành H2) và bị thủy phân bởi nước thành serpentinit. Peridotit, bao gồm dunit, ở tại và gần đáy đại dương và trong các đai núi được biến đổi thành serpentin, brucit, magnetit, và các khoáng vật khác - hiếm hơn là awaruit (Ni3Fe), và thậm chí là sắt tự sinh. Trong quá trình này, một lượng lớn nước được hấp thụ vào trong đá làm tăng thể tích và phá hủy cấu trúc đá.[1]

Tỷ trọng của đá dao động từ 3,3 đến 2,7 g/cm3 với sự gia tăng thể tích đồng thời lên 30-40%. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt và nhiệt độ của đá có thể tăng lên khoảng 260 °C (500 °F),[1] cung cấp một nguồn năng lượng cho việc hình thành các mạch nhiệt dịch không liên quan đến núi lửa. Các phản ứng hóa học hình thành magnetit tạo ra khí hydro trong điều kiện kỵ khí nằm sâu trong manti, rất xa với khí quyển Trái Đất. Cacbonat và sulfat cũng lần lược bị khử bởi hydro và tạo thành metan và hydro sulfua. Hydro, metan, và hydro sulfua cung cấp các nguồn năng lượng cho các sinh vật dưỡng hóa năng (chemotroph) ở biển sâu.[1]

Các phản ứng serpentinit

Serpentin được hình thành từ olivin qua nhiều phản ứng. Olivin là một dung dịch rắn giữa forsterit gốc magie và fayalit gốc sắt. Các phản ứng serpentinit 1a và 1b bên dưới trao đổi silica giữa forsterit và fayalit để tạo thành các khoáng vật nhóm serpentin và magnetit. Đây là các phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

Phản ứng 1a:
Fayalit + nước → magnetit + dung dịch silica + hydro

3Fe2SiO4 + 2H2O → 2Fe3O4 + 3SiO2 + 2H2

Phản ứng 1b:
Forsterit + dung dịch silica → serpentin

3Mg2SiO4 + SiO2 + 4H2O → 2Mg3Si2O5(OH)4

Phản ứng 1c:
Forsterit + nước → serpentin + brucit

2Mg2SiO4 + 3H2O → Mg3Si2O5(OH)4 + Mg(OH)2

Phản ứng 1c thể hiện sự hydrat hóa olivin bởi nước chỉ để tạo ra serpentin và Mg(OH)2 (brucit). Serpentin bền ở pH cao với sự có mặt của brucit giống như canxi silicat hydrat, các pha (C-S-H) được hình thành cùng với portlandit (Ca(OH)2) trong xi-măng Portland được làm cứng sau khi hydrat hóa belit (Ca2SiO4), canxi nhân tạo tương đương với forsterit.

Phản ứng một chiều của 1c với sự hydrat hóa belit trong xi-măng Portland ban đầu:
Belit + nước → pha C-S-H + portlandit

2 Ca2SiO4 + 4 H2O → 3 CaO · 2 SiO2 · 3 H2O + Ca(OH)2

Sau phản ứng, các sản phẩm phản ứng có độ hòa tan kém (dung dịch silica hoặc các ion magie được hòa tan) có thể được vật chuyển trong dung dịch ra khỏi khu vực serpentin hóa bởi sự khuếch tán.

Khi có mặt của cacbon dioxit sự serpentin hóa có thể tạo thành hoặc là magnesit (MgCO3) hoặc tạo ra metan (CH4). Người ta cho rằng một số khí hydrocarbon có thể được tạo ra từ các phản ứng serpentinit trong vỏ đại dương.

Phản ứng 2a:

Olivin + nước + axit cacbonic → serpentin + magnetit + metan ( F e , M g ) 2 S i O 4 + n H 2 O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {(Fe,Mg)_{2}SiO_{4}+nH_{2}O+CO_{2}} } → M g 3 S i 2 O 5 ( O H ) 4 + F e 3 O 4 + C H 4 {\displaystyle \mathrm {Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+Fe_{3}O_{4}+CH_{4}} }

hoặc, ở dạng cân bằng:

18 M g 2 S i O 4 + 6 F e 2 S i O 4 + 26 H 2 O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {18Mg_{2}SiO_{4}+6Fe_{2}SiO_{4}+26H_{2}O+CO_{2}} } → 12 M g 3 S i 2 O 5 ( O H ) 4 + 4 F e 3 O 4 + C H 4 {\displaystyle \mathrm {12Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+4Fe_{3}O_{4}+CH_{4}} }

Phản ứng 2b:

Olivin + nước + axit cacbonic → serpentin + magnetit + magnesit + silica ( F e , M g ) 2 S i O 4 + n H 2 O + C O 2 {\displaystyle \mathrm {(Fe,Mg)_{2}SiO_{4}+nH_{2}O+CO_{2}} } → M g 3 S i 2 O 5 ( O H ) 4 + F e 3 O 4 + M g C O 3 + S i O 2 {\displaystyle \mathrm {Mg_{3}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+Fe_{3}O_{4}+MgCO_{3}+SiO_{2}} }

Phản ứng 2a chiếm chủ yếu nếu serpentinit nghèo Mg hoặc nếu không đủ cacbon dioxit để tạo thành talc. Phản ứng 2b xảy ra nếu thành phần có nhiều magie và áp suất riêng phần của cacbon dioxit thấp.