吴魏伟｜李金华等：海底地幔岩如何“变磁”？

论文信息：吴魏伟, 刘延, 邢琳, 张朝群, 朱珂磊, 刘传周, Andrew P. Roberts, Alessio Sanfilippo, 潘永信, 李金华*. Dual magnetite formation pathways in abyssal serpentinites from the Mid-Atlantic Ridge[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2026, 131: e2026JB033865. DOI: 10.1029/2026JB033865.

海水沿断层进入大洋岩石圈地幔，使橄榄石、斜方辉石等矿物与水反应，形成蛇纹石和磁铁矿，这一过程称为蛇纹石化。它不仅改变岩石的密度和磁性，还可能释放氢气，为深海微生物提供能量。然而，地幔岩中的磁铁矿究竟如何形成，不同原生矿物是否留下不同的磁记录，仍有待厘清。

中国科学院地质与地球物理研究所李金华团队及合作者研究了大西洋中脊7-8° N的深海方辉橄榄岩，发现磁铁矿有两条与原生矿物有关的形成路径：橄榄石蚀变时，纳米磁铁矿在蛇纹石基质中出现并聚集长大；斜方辉石蚀变时，原有的镁铝尖晶石片晶逐步转变为含铬磁铁矿。这两类颗粒的形态、排列方式和磁学表现不同。

原岩矿物组成塑造慢速扩张洋中脊蛇纹石化地幔岩的磁记录

一、地幔岩遇水后为什么会“变磁”

在慢速扩张洋中脊，断层可使地幔橄榄岩出露海底，也为海水进入岩体提供通道。橄榄石、斜方辉石等矿物与水反应，发生蛇纹石化。反应中，部分二价铁被氧化为三价铁，形成磁铁矿等新矿物；水中的氢则可能被还原，形成分子氢（H2），可为深海微生物提供能量。而新生磁铁矿可以获得化学剩磁，使蛇纹岩成为海底磁异常的潜在来源。

以往研究主要关注橄榄石蚀变形成的磁铁矿，对斜方辉石及其中尖晶石片晶的作用认识不足。如果不同原生矿物通过不同路径形成磁性颗粒，即使蛇纹石化程度相近，岩石的磁性也可能不同。因此，关键问题是：橄榄石和斜方辉石各自如何形成磁铁矿，它们又如何共同塑造蛇纹岩的磁记录？

二、深海地幔岩串联宏观磁性与纳米结构

研究团队选取大西洋中脊赤道段Doldrums和Vernadsky转换断层区域的七块深海方辉橄榄岩。样品覆盖中等、强烈和完全蛇纹石化状态。岩相观察和拉曼分析显示，橄榄石域发育蛇纹石网状结构，磁铁矿多见于网脉；斜方辉石则形成以蛇纹石为主、伴少量绿泥石的绢石假晶（图1，图2）。

团队进一步结合矿物化学分析、扫描电子显微镜观察、聚焦离子束微区制样、透射电子显微镜纳米尺度表征和岩石磁学分析，将颗粒的生长位置、晶体结构和化学组成与整块岩石的磁响应对应起来。这样既能直观看到“磁性从哪里来”，也能检验微观差异是否足以解释宏观信号。

图1 采样区与蛇纹石化程度。大西洋中脊7-8°N的Doldrums和Vernadsky转换断层附近采样位置、代表性方辉橄榄岩，以及由岩石密度约束的蛇纹石化程度

图2 两类原生矿物的蚀变结构。 橄榄石域出现蛇纹石网状结构和磁铁矿；斜方辉石域形成绢石假晶，其中有定向排列的磁性颗粒。右侧为相关矿物的拉曼光谱

三、路径一：橄榄石域中的纳米成核与聚集

橄榄石蚀变后形成利蛇纹石网状结构，磁铁矿多分布在网脉内或边缘。它们形态各异，既有细小颗粒，也有树枝状结构、不规则团簇和较粗的集合体。扫描电镜显示，这些磁铁矿与橄榄石蛇纹石化密切相关，却并非简单地沿残余橄榄石边界直接生长（图3）。

透射电子显微镜观察发现在较大磁铁矿颗粒周围的利蛇纹石基质中存在纳米磁铁矿；残余橄榄石与磁铁矿之间也常隔着利蛇纹石。部分较大集合体还保留孔隙，其中可见蛇纹石（图4）。这些不同尺度的结构支持这样一种生长过程：磁铁矿先在蛇纹石基质中成核，再通过颗粒聚集和粗化形成更大的集合体。岩石磁学结果进一步支撑上述解释：从中等到强烈蛇纹石化，饱和磁化强度升高，指示磁铁矿总体含量增加；同时，剩磁比的降低及一阶反转曲线的涡旋态特征的增强，反映磁铁矿颗粒逐渐粗化（图4，图5）。

图3 两类磁性颗粒的空间分布。 扫描电镜显示，橄榄石域的磁铁矿多呈不规则集合体，斜方辉石假晶内的磁性颗粒则沿原有结构定向排列；黄线标示聚焦离子束切片位置

图4 两条路径的纳米尺度证据。 透射电镜在利蛇纹石基质中识别纳米磁铁矿，并显示斜方辉石域中镁铝尖晶石向富铁铬铁矿转变的晶体结构和成分证据

图5 不同蛇纹石化程度大西洋中脊深海橄榄岩的岩石磁学特征

图6 大西洋中脊深海橄榄岩磁滞参数随蛇纹石化程度的变化。随蛇纹石化增强，饱和磁化强度、剩磁比及矫顽力呈非单调变化；灰色符号为文献中的Kane断裂带对比数据

四、路径二：斜方辉石域中的尖晶石改造

斜方辉石域中的磁性矿物经历了另一条形成路径。斜方辉石蚀变后形成绢石假晶，主要由蛇纹石组成，并含少量绿泥石。绢石内部仍可见原先从斜方辉石中出溶、定向排列的镁铝尖晶石片晶。随着蛇纹石化过程推进，片晶中的镁、铝减少，铁、铬相对富集，逐步出现富铁铬铁矿和含铬磁铁矿；反应更充分的局部区域，其成分进一步向磁铁矿靠近。

透射电子显微镜分析为这一改造过程提供了关键证据。部分颗粒仍保留富铬的内部区域，边缘已转变为含铬磁铁矿，形成明显的成分分带（图7）。在反应程度更高的区域，铬含量进一步降低，矿物组成更加接近理想化学计量磁铁矿，其中部分含铬磁铁矿的n值约0.13。这些结果表明，原有尖晶石片晶是新磁性矿物形成的重要前体，含铬磁铁矿并非在绢石假晶中重新成核，而是通过原有尖晶石的持续改造和成分演化逐步形成。

值得注意的是，新形成的含铬磁铁矿基本继承了原有尖晶石片晶的定向排列特征，与橄榄石域中不规则、树枝状或团簇状磁铁矿形成鲜明对比。因此，两条形成路径不仅对应不同的矿物反应过程，也产生了不同的形态和空间排列特征。斜方辉石域中伴生的滑石和透闪石指示其可能经历了相对较高温度的蚀变阶段，但这一矿物转变过程的具体温度条件及时间序列仍有待进一步约束。

图7 含铬磁铁矿的形成与排列。 元素分布、原子分辨成像及能谱显示，部分尖晶石颗粒形成富铬核心和含铬磁铁矿边缘；颗粒保留定向片晶组构

五、两条路径如何改变整块岩石的磁性

两条不同的磁铁矿形成路径所产生的微观差异，也进一步反映在宏观岩石磁学特征中（图8）。蛇纹石化过程中，磁性矿物组合呈现明显的阶段性演化：中等至强烈蛇纹石化阶段主要受橄榄石域磁铁矿持续形成与粗化影响；进入完全蛇纹石化阶段后，高矫顽力、单磁畴的组分显著增强。结合斜方辉石域中尖晶石向富铁铬铁矿和含铬磁铁矿转变的显微证据，表明斜方辉石相关蚀变在蛇纹石化后期的贡献明显增加。

等温剩磁获得曲线分解进一步显示，完全蛇纹石化样品中的高矫顽力组分占总饱和等温剩磁的72%–79%，与定向含铬磁铁矿的出现相对应。需要指出的是，该比例反映的是剩磁信号贡献，并不等同于含铬磁铁矿的实际含量。低温磁学结果显示，Verwey转变温度由~120K降至101-105 K，指示磁铁矿可能发生阳离子置换和/或部分氧化；而热磁曲线在约580 ℃附近的主要变化表明，磁铁矿仍是控制岩石热磁响应的主要磁性矿物。

总体而言，中等至强烈蛇纹石化样品主要表现为涡旋态磁铁矿，而完全蛇纹石化样品中高矫顽力、更加接近单磁畴行为的组分明显增强，斜方辉石域形成的含铬磁铁矿可能是其重要来源。需要强调的是，这一认识来自不同蛇纹石化程度样品之间的对比，并不意味着橄榄石与斜方辉石的蚀变存在严格的先后时间顺序。

图8 大西洋中脊深海橄榄岩的一阶反转曲线图及等温剩磁获得曲线分解结果

六、原岩矿物组成：两条路径塑造蛇纹岩磁性

综合显微观察、矿物成分和岩石磁学结果，研究发现蛇纹石化形成磁铁矿并非只有一条路径。橄榄石蚀变时，纳米磁铁矿在蛇纹石基质中出现，随后聚集、粗化，形成成分接近理想Fe3O4的不规则集合体，其磁学特征以涡旋态为主。斜方辉石蚀变时，假晶中原有的镁铝尖晶石片晶逐步转变为富铁铬铁矿和含铬磁铁矿；新生磁性颗粒保留片晶的定向排列，并贡献更高矫顽力、更接近单磁畴行为的磁学特征。

两类颗粒可以共存于同一蛇纹岩体。因此，仅知道岩石“蛇纹石化了多少”，还不足以解释其磁性；哪些原生矿物参与反应、铁进入了哪些新矿物，以及反应所处的温度和流体条件，同样重要。对该研究样品而言，原岩矿物组成是控制磁性矿物类型与组构的重要因素。

图9 蛇纹石化过程中磁性矿物形成双路径概念模型。橄榄石域通过蛇纹石基质中的磁铁矿成核、聚集和粗化形成颗粒；斜方辉石域通过尖晶石改造形成定向的含铬磁铁矿

七、从海底磁异常到行星磁记录：科学意义

在慢速和超慢速扩张洋中脊，地幔橄榄岩可沿拆离断层和转换断层出露海底，并与海水反应。蛇纹石化形成的磁铁矿能够保存剩磁，因而可能影响海底磁异常。Oufi等对深海橄榄岩的研究表明，当蛇纹石化程度超过约75%时，部分岩石可具有足以显著贡献海底磁异常的剩磁。该研究进一步发现，除橄榄石外，斜方辉石域中原有尖晶石的改造也能形成定向排列的含铬磁铁矿，为认识蛇纹岩的磁性来源提供了新的矿物学证据。

这一发现将原岩矿物组成、蛇纹石化反应、磁性颗粒的形成及整体岩石磁学特征联系起来。解释慢速扩张洋中脊的磁异常，或利用蛇纹岩古地磁记录重建水岩反应历史时，既要考虑岩石蚀变到什么程度，也要辨认哪些原生矿物参与了反应、形成了什么样的磁性矿物。

这一机制也为研究火星磁记录提供了可检验的思路。火星早期具备液态水、热源以及橄榄石和斜方辉石等反应物；如果类似的尖晶石改造曾经发生，且新生磁性颗粒在古磁场中形成并保存了剩磁，就可能对局部地壳磁异常有所贡献。这一推测仍需矿物学证据及剩磁形成时间等约束。

蛇纹石化还可能释放氢气，为深部微生物生态系统提供能量。该研究没有测定氢气，因此不能由发现的磁铁矿推算产氢量。未来若能在同一水岩反应体系中结合矿物铁价态、铁的质量平衡及流体H2浓度和通量，便可检验不同原岩矿物的反应路径如何共同影响磁记录与氢循环。