Forsterita

La forsterita (Mg₂SiO₄ _; comúnmente abreviada como Fo ; también conocida como olivino blanco) es el miembro extremo rico en magnesio de _la serie de soluciones sólidas de olivino . Es isomorfa con el miembro extremo rico en hierro, la fayalita . La forsterita cristaliza en el sistema ortorrómbico ( grupo espacial Pbnm ) con parámetros de celda a = 4,75 Å (0,475 nm ), b = 10,20 Å (1,020 nm) y c = 5,98 Å (0,598 nm). ^{[ 2 ]}  

La forsterita se asocia con rocas ígneas y metamórficas y también se ha encontrado en meteoritos . En 2005, también se encontró en el polvo cometario traído por la sonda Stardust . ^{[ 6 ]} En 2011, se observó como pequeños cristales en las nubes de gas polvoriento alrededor de una estrella en formación. ^{[ 7 ]}

Se conocen dos polimorfos de forsterita: wadsleyita (también ortorrómbica ) y ringwoodita (isométrica, con sistema cristalino cúbico ). Ambos se conocen principalmente a partir de meteoritos.

El peridoto es la variedad de piedra preciosa de la olivina forsterita.

_{La forsterita pura} está compuesta de magnesio, oxígeno y silicio. Su fórmula química es Mg₂SiO₄ _. La forsterita, la fayalita (Fe₂SiO₄ ₎ y la tefroita (Mn₂SiO₄ ₎ son los miembros extremos de la serie de solución sólida del olivino; otros elementos como _el Ni y el Ca sustituyen al Fe y al Mg en el olivino, pero solo en proporciones menores en yacimientos naturales. Otros minerales , como la monticelita (CaMgSiO₄ ₎ , un mineral poco común rico en calcio, comparten la estructura del olivino, pero la solución sólida entre el olivino y estos otros minerales es limitada. La monticelita se encuentra en dolomitas metamorfizadas por contacto . ^{[ 2 ]}

El olivino rico en forsterita es el mineral más abundante en el manto por encima de una profundidad de unos 400 km (250 mi) ; los piroxenos también son minerales importantes en esta parte superior del manto. ^{[ 8 ]} Aunque la forsterita pura no se encuentra en rocas ígneas , la dunita a menudo contiene olivino con contenidos de forsterita al menos tan ricos en Mg como Fo ₉₂ (92% forsterita – 8% fayalita); la peridotita común contiene olivino típicamente al menos tan rico en Mg como Fo _88. ^{[ 9} ] Debido a su alto punto de fusión, los cristales de olivino son los primeros minerales en precipitar de un fundido magmático en un proceso ^de acumulación , a menudo con ortopiroxenos. El olivino rico en forsterita es un producto de cristalización común del magma derivado del manto . El olivino en rocas máficas y ultramáficas típicamente es rico en el miembro extremo forsterita.  

La forsterita también se encuentra en el mármol dolomítico que resulta del metamorfismo de calizas y dolomitas con alto contenido de magnesio . ^{[ 10 ]} La forsterita casi pura se encuentra en algunas serpentinitas metamorfizadas . El olivino rico en fayalita es mucho menos común. La fayalita casi pura es un componente menor en algunas rocas similares al granito , y es un componente mayor en algunas formaciones metamórficas de hierro bandeado .

La forsterita se compone principalmente del anión SiO₄⁴⁻ _y el catión Mg²⁺ ^en una proporción molar de 1:2. ^{[ 11 ] El} silicio es el átomo central en el ^anión _SiO₄⁴⁻ . Cada átomo de oxígeno está unido al silicio por un enlace covalente simple. Los cuatro átomos de oxígeno tienen una carga negativa parcial debido al enlace covalente con el silicio. Por lo tanto, los átomos de oxígeno deben mantenerse alejados entre sí para reducir la fuerza repulsiva entre ellos. La mejor geometría para reducir la repulsión es una forma tetraédrica. Los cationes ocupan dos sitios octaédricos diferentes, M1 y M2, y forman enlaces iónicos con los aniones silicato. M1 y M2 son ligeramente diferentes. El sitio M2 es más grande y más regular que M1, como se muestra en la Fig. 1. El empaquetamiento en la estructura de la forsterita es denso. El grupo espacial de esta estructura es Pbnm y el grupo puntual es 2/m 2/m 2/m, que es una estructura cristalina ortorrómbica. 

Esta estructura de forsterita puede formar una solución sólida completa al reemplazar el magnesio por hierro. ^{[ 12 ]} El hierro puede formar dos cationes diferentes: Fe ²⁺ y Fe ³⁺ . El ion hierro(II) tiene la misma carga que el ion magnesio y un radio iónico muy similar. Por consiguiente, el Fe ²⁺ puede reemplazar al ion magnesio en la estructura de la olivina.

Uno de los factores importantes que puede aumentar la proporción de forsterita en la solución sólida de olivino es la relación de iones hierro(II) a iones hierro(III) en el magma. ^{[ 13 ]} A medida que los iones hierro(II) se oxidan y se convierten en iones hierro(III), los iones hierro(III) no pueden formar olivino debido a su carga 3+. La presencia de forsterita debido a la oxidación del hierro se observó en el volcán Stromboli en Italia. A medida que el volcán se fracturaba, los gases y volátiles escapaban de la cámara magmática. La temperatura de cristalización del magma aumentó a medida que escapaban los gases. Debido a que los iones hierro(II) se oxidaron en el magma de Stromboli, había poco hierro(II) disponible para formar olivino rico en Fe (fayalita). Por lo tanto, el olivino que cristalizó era rico en Mg, y se formaron rocas ígneas ricas en forsterita.

A alta presión, la forsterita experimenta una transición de fase a wadsleyita; bajo las condiciones que prevalecen en el manto superior de la Tierra , esta transformación ocurriría a presiones de aproximadamente 14–15  GPa. ^{[ 14 ]} En experimentos a alta presión, la transformación puede retrasarse de modo que la forsterita pueda permanecer metaestable a presiones de hasta casi 50  GPa (ver figura).

El metamorfismo progresivo entre la dolomita y el cuarzo reacciona para formar forsterita, calcita y dióxido de carbono : ^{[ 15 ]}

${\displaystyle {\ce {2CaMg(CO3)2 + SiO2 -> Mg2SiO4 + 2CaCO3 + 2CO2}}}$

La forsterita reacciona con el cuarzo para formar el mineral ortopiroxeno enstatita en la siguiente reacción:

${\displaystyle {\ce {Mg2SiO4 + SiO2 -> 2MgSiO3}}}$

La forsterita fue descrita por primera vez en 1824 a partir de un yacimiento en el monte Somma , Vesubio , Italia . Fue nombrada por Armand Lévy en 1824 en honor al naturalista y coleccionista de minerales inglés Adolarius Jacob Forster . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

La forsterita se está estudiando actualmente como un biomaterial potencial para implantes debido a sus propiedades mecánicas superiores. ^{[ 18 ]}