フォルステライト

フォルステライト（Mg ₂ SiO ₄ ; 一般的にFoと略記される; 白色オリビンとも呼ばれる）は、オリビン固溶体系列のマグネシウムに富む端成分である。鉄に富む端成分であるファヤライトと同形である。フォルステライトは斜方晶系（空間群Pbnm）で結晶化し、格子定数はa 4.75 Å (0.475 nm )、b 10.20 Å (1.020 nm)、c 5.98 Å (0.598 nm) である。^{[ 2 ]}  

フォルステライトは火成岩や変成岩と関連があり、隕石からも発見されている。2005年には、スターダスト探査機が持ち帰った彗星の塵からも発見された。^{[ 6 ]} 2011年には、形成中の星の周りのガスの塵の雲の中に小さな結晶として観測された。^{[ 7 ]}

フォルステライトには、ワズレイアイト（斜方晶系）とリングウッダイト（等軸晶系、立方晶系）という2つの多形が知られている。どちらも主に隕石から発見されている。

ペリドットは、フォルステライト橄欖石の宝石種である。

純粋なフォルステライトはマグネシウム、酸素、ケイ素から構成されています。化学式は Mg ₂ SiO ₄です。フォルステライト、ファヤライト(Fe ₂ SiO ₄ )、テフロイト(Mn ₂ SiO ₄ ) は、オリビン固溶体系列の端成分です。Ni や Ca などの他の元素はオリビン中の Fe や Mg を置換しますが、天然ではごくわずかな割合でしか置換されません。モンティセライト(CaMgSiO ₄ ) のような珍しいカルシウムに富む鉱物もオリビンの構造を共有していますが、オリビンとこれらの他の鉱物との固溶体は限られています。モンティセライトは接触変成したドロマイト中に見られます。^{[ 2 ]}

フォルステライトに富むカンラン石は、約400 km (250 mi)より深いマントルで最も豊富な鉱物です。輝石もこの上部マントルで重要な鉱物です。^{[ 8 ]}純粋なフォルステライトは火成岩 には存在しませんが、ダナイトには、少なくともFo ₉₂ (フォルステライト 92% – ファヤライト 8%) と同じくらい Mg に富むフォルステライト含有量のカンラン石が含まれていることがよくあります。一般的なペリドタイトには、通常、少なくともFo ₈₈と同じくらい Mg に富むカンラン石が含まれています。^{[ 9 ]} 融点が高いため、カンラン石の結晶は、累積プロセスでマグマ溶融物から最初に沈殿する鉱物であり、斜方輝石とともに沈殿することがよくあります。フォルステライトに富むカンラン石は、マントル由来のマグマの一般的な結晶化生成物です。苦鉄質岩および超苦鉄質岩中のカンラン石は、通常、フォルステライト端成分に富んでいます。  

フォルステライトは、高マグネシウム石灰岩やドロマイトの変成作用によって生じるドロマイト質大理石にも含まれています。^{[ 10 ]} ほぼ純粋なフォルステライトは、一部の変成蛇紋岩に含まれています。ファヤライトに富むカンラン石ははるかにまれです。ほぼ純粋なファヤライトは、一部の花崗岩のような岩石の微量成分であり、一部の変成縞状鉄鉱層の主要成分です。

フォルステライトは主に陰イオンSiO ₄ ⁴⁻と陽イオンMg ²⁺が1:2のモル比で構成されている。^{[ 11 ]}シリコンはSiO ₄ ⁴⁻陰イオンの中心原子である。各酸素原子は単一の共有結合でシリコンに結合している。4つの酸素原子はシリコンとの共有結合により部分的に負電荷を帯びている。そのため、酸素原子間の反発力を減らすために、酸素原子は互いに離れている必要がある。反発力を減らすための最適な形状は四面体形状である。陽イオンはM1とM2という2つの異なる八面体サイトを占め、ケイ酸陰イオンとイオン結合を形成する。M1とM2はわずかに異なる。図 1に示すように、M2サイトはM1よりも大きく、より規則的である。フォルステライト構造の充填は密である。この構造の空間群はPbnmであり、点群は2/m 2/m 2/mで、斜方晶系結晶構造である。

このフォルステライトの構造は、マグネシウムを鉄で置換することにより、完全な固溶体を形成することができます。 ^{[ 12 ]鉄は、Fe 2+}と Fe ³⁺という 2 種類の陽イオンを形成できます。鉄(II) イオンはマグネシウムイオンと同じ電荷を持ち、マグネシウムと非常によく似たイオン半径を持っています。したがって、Fe ^{2+ は}オリビン構造中のマグネシウムイオンを置換することができます。

オリビン固溶体中のフォルステライトの割合を増加させる重要な要因の 1 つは、マグマ中の鉄 (II) イオンと鉄 (III) イオンの比率です。^{[ 13 ]}鉄 (II) イオンが酸化されて鉄 (III) イオンになると、鉄 (III) イオンは 3+ の電荷を持つため、オリビンを形成できません。鉄の酸化によるフォルステライトの発生は、イタリアのストロンボリ火山で観察されました。火山が破砕すると、ガスと揮発性物質がマグマ溜まりから放出されました。ガスが放出されるにつれて、マグマの結晶化温度が上昇しました。ストロンボリ火山のマグマでは鉄 (II) イオンが酸化されていたため、鉄に富むオリビン (ファヤライト) を形成するために利用できる鉄 (II) は少なかったです。したがって、結晶化したオリビンは Mg に富み、フォルステライトに富む火成岩が形成されました。

高圧下では、フォルステライトはワズレイアイトに相転移します。地球の上部マントルで一般的な条件下では、この変化は約 14～15 GPa の圧力で起こります 。^{[ 14 ]}高圧実験では、フォルステライトが 50  GPa 近くまでの圧力で準安定状態を維持できるように、変化が遅れる可能性があります (図を参照)。

ドロマイトと石英の間の漸進的な変成作用は、フォルステライト、方解石、二酸化炭素を形成する反応を引き起こします。^{[ 15 ]}

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

フォルステライトは石英と反応して、以下の反応式に従って斜方輝石鉱物であるエンスタタイトを生成する。

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

フォルステライトは、 1824年にイタリアのベスビオ山のソンマ山で発見された鉱物として初めて記載されました。1824年にアルマン・レヴィによって、イギリスの博物学者で鉱物収集家のアドラーリウス・ジェイコブ・フォルスターにちなんで命名されました。^{[ 16 ] [ 17 ]}

フォルステライトは、その優れた機械的特性から、インプラント用の生体材料として現在研究されている。 ^{[ 18 ]}