Форстерит ( Mg2SiO4 ; обычно сокращенно Fo ; также известный как белый оливин) — богатый магнием конечный член ряда твердых растворов оливина . Он изоморфен богатому железом конечному члену, фаялиту . Форстерит кристаллизуется в орторомбической системе ( пространственная группа Pbnm ) с параметрами ячейки a 4,75 Å (0,475 нм ), b 10,20 Å (1,020 нм) и c 5,98 Å (0,598 нм). [ 2]
Форстерит связан с магматическими и метаморфическими породами , а также был обнаружен в метеоритах . В 2005 году он был также обнаружен в кометной пыли, доставленной зондом Stardust . [6] В 2011 году он был обнаружен в виде крошечных кристаллов в пылевых облаках газа вокруг формирующейся звезды. [7]
Известны две полиморфные модификации форстерита: вадслеит (также орторомбический ) и рингвудит (изометрическая, кубическая кристаллическая система ). Оба известны в основном из метеоритов.
Перидот — драгоценный камень , разновидность форстерита-оливина.
Чистый форстерит состоит из магния, кислорода и кремния. Химическая формула - Mg 2 SiO 4 . Форстерит, фаялит (Fe 2 SiO 4 ) и тефроит (Mn 2 SiO 4 ) являются конечными членами ряда твердых растворов оливина; другие элементы, такие как Ni и Ca, заменяют Fe и Mg в оливине, но только в незначительных пропорциях в природных проявлениях. Другие минералы, такие как монтичеллит (CaMgSiO 4 ), необычный богатый кальцием минерал, разделяют структуру оливина, но твердый раствор между оливином и этими другими минералами ограничен. Монтичеллит встречается в контактно-метаморфизованных доломитах. [2]
Богатый форстеритом оливин является наиболее распространенным минералом в мантии на глубине около 400 км (250 миль); пироксены также являются важными минералами в этой верхней части мантии. [8] Хотя чистый форстерит не встречается в магматических породах , дунит часто содержит оливин с содержанием форстерита, по крайней мере, таким же богатым Mg, как Fo 92 (92% форстерита – 8% фаялита); обычный перидотит обычно содержит оливин, по крайней мере, таким же богатым Mg, как Fo 88. [9] Благодаря своей высокой температуре плавления кристаллы оливина являются первыми минералами, осаждающимися из магматического расплава в кумулятивном процессе, часто с ортопироксенами . Богатый форстеритом оливин является распространенным продуктом кристаллизации магмы , полученной из мантии . Оливин в основных и ультраосновных породах обычно богат конечным членом форстерита.
Форстерит также встречается в доломитовом мраморе , который является результатом метаморфизма известняков и доломитов с высоким содержанием магния . [10] Почти чистый форстерит встречается в некоторых метаморфизованных серпентинитах . Богатый фаялитом оливин встречается гораздо реже. Почти чистый фаялит является второстепенным компонентом в некоторых гранитоподобных породах, и он является основным компонентом некоторых метаморфических полосчатых железистых образований .
Форстерит в основном состоит из аниона SiO 4 4− и катиона Mg 2+ в молярном соотношении 1:2. [11] Кремний является центральным атомом в анионе SiO 4 4− . Каждый атом кислорода связан с кремнием одинарной ковалентной связью. Четыре атома кислорода имеют частичный отрицательный заряд из-за ковалентной связи с кремнием. Поэтому атомы кислорода должны находиться далеко друг от друга, чтобы уменьшить силу отталкивания между ними. Лучшая геометрия для уменьшения отталкивания — тетраэдрическая форма. Катионы занимают два разных октаэдрических участка, которые являются M1 и M2, и образуют ионные связи с силикатными анионами. M1 и M2 немного отличаются. Участок M2 больше и более регулярен, чем M1, как показано на рис. 1. Упаковка в структуре форстерита плотная. Пространственная группа этой структуры — Pbnm, а точечная группа — 2/m 2/m 2/m, что соответствует орторомбической кристаллической структуре.
Эта структура форстерита может образовывать полный твердый раствор , заменяя магний железом. [12] Железо может образовывать два разных катиона, которые являются Fe 2+ и Fe 3+ . Ион железа (II) имеет тот же заряд, что и ион магния, и его ионный радиус очень похож на радиус магния. Следовательно, Fe 2+ может заменять ион магния в структуре оливина.
Одним из важных факторов, которые могут увеличить долю форстерита в твердом растворе оливина, является соотношение ионов железа (II) к ионам железа (III) в магме. [13] Поскольку ионы железа (II) окисляются и становятся ионами железа (III), ионы железа (III) не могут образовать оливин из-за их заряда 3+. Возникновение форстерита из-за окисления железа наблюдалось в вулкане Стромболи в Италии. Когда вулкан раскололся, газы и летучие вещества выделились из магматической камеры. Температура кристаллизации магмы увеличилась по мере выхода газов. Поскольку ионы железа (II) окислились в магме Стромболи, мало железа (II) было доступно для образования богатого железом оливина (фаялита). Следовательно, кристаллизующийся оливин был богат Mg, и образовались магматические породы, богатые форстеритом.
При высоком давлении форстерит претерпевает фазовый переход в вадслеит; в условиях, преобладающих в верхней мантии Земли , это превращение произошло бы при давлении около 14–15 ГПа. [14] В экспериментах при высоком давлении превращение может быть отложено, так что форстерит может оставаться метастабильным при давлении почти до 50 ГПа (см. рис.).
Прогрессивный метаморфизм между доломитом и кварцем приводит к образованию форстерита, кальцита и углекислого газа : [15]
Форстерит реагирует с кварцем, образуя ортопироксеновый минерал энстатит по следующей реакции:
Форстерит был впервые описан в 1824 году для месторождения на горе Сомма , Везувий , Италия . Он был назван Арманом Леви в 1824 году в честь английского натуралиста и коллекционера минералов Адолариуса Якоба Форстера . [16] [17]
В настоящее время форстерит изучается как потенциальный биоматериал для имплантатов из-за его превосходных механических свойств. [18]
