Ferrosilit

Ferrosilit
Ferrosilite-111338.jpg
(c) Leon Hupperichs, CC BY-SA 3.0
Nadeliger Ferrosilit vom Lake Tarawera in der Region Bay of Plenty, Nordinsel, Neuseeland
Allgemeines und Klassifikation
Andere Namen

Orthoferrosilit, Eulysit, Eulit, Hypersthen, Eisenhypersthen

Chemische FormelFe2+2Si2O6[1]
Mineralklasse
(und ggf. Abteilung)		Silikate und Germanate
System-Nr. nach Strunz
und nach Dana		9.DA.05[2] (8. Auflage: 8/F.02-20[2])
65.1.2.2[2]
Kristallographische Daten
Kristallsystemorthorhombisch
Kristallklasse; SymbolmmmVorlage:Kristallklasse/Unbekannte Kristallklasse
RaumgruppePbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61
Gitterparametera = natürlich: 18,42; synthetisch: 18,417(2) Å; b = natürlich: 9,050; synthetisch: 9,078(1) Å; c = natürlich: 5,241; synthetisch: 5,2366(4) Å
α = 90°; β = 90°; γ = 90°[3][4]
FormeleinheitenZ = 8[3][4]
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte5-6[2]
Dichte (g/cm3)natürlich: 3,84[5]
Spaltbarkeit{210}, (010), (100)[5]
Bruch; Tenazitätuneben, splittrig[2]
Farbenatürlich: grün, braun[5]
Strichfarbeblass graubraun[2]
Transparenztransparent[2]
GlanzGlasglanz[2]
Radioaktivität-
Magnetismusparamagnetisch[5]
Kristalloptik
Brechungsindizesnα = natürlich: 1,765[3] synthetisch: 1,772[6][3]
nβ = natürlich: 1,774[3] synthetisch: 1,780[6][3]
nγ = natürlich: 1,786[3] synthetisch: 1,789[6][3]
Doppelbrechungδ = natürlich: 0,020[3]; synthetisch: 0,017[6][3]
Optischer Charakterzweiachsig positiv[5]
Achsenwinkel2V = natürlich: 79°[3], synthetisch: 58°[6], 86°[3]
Pleochroismusnatürlich: uneinheitlich schwach (gelblich – schwach grün) bis stark (beige – grüngrau)[5], blass rosa, rosa-gelb, blass blaugrün[3]

Das Mineral Ferrosilit ist ein seltenes Kettensilikat aus der Pyroxengruppe mit der idealisierten chemischen Zusammensetzung Fe2+2Si2O6.

Ferrosilit kristallisiert mit orthorhombischer Symmetrie und bildet braune bis grüne, meist unregelmäßig körnige, seltener prismatische, langtafelige bis nadelige Kristalle von wenigen Millimetern Größe.

Gebildet wird Ferrosilit unter Bedingungen der unteren Erdkruste (~30 km Tiefe) und findet sich weltweit in basischen Magmatiten und Metamorphiten mit einem hohen Eisen:Magnesium- Verhältnis, z. B. Charnockiten und metamorphen Eisenerzen.

Etymologie und Geschichte

Der erste eisenreiche Hypersthen wurde in Vittinki nahe Seinäjoki in Finnland gefunden und 1925 von M. Saxen beschrieben.[5] Den Namen Ferrosilit für das Eisen (Ferro)-Metasilikat (Silit) FeSiO3 führte Henry Stephens Washington 1932 ein.[7] Im gleichen Jahr publizierten Norman L. Bowen und John Frank Schairer ihre Untersuchung der FeO-SiO2-Verbindungen bei Umgebungsdruck und zeigten, dass Ferrosilit bei den untersuchten Bedingungen keine stabile Verbindung ist.[8] Auch in der Natur wurden in den folgenden Jahren keine Hypersthene mit mehr als 85 Mol-% Ferrosilit gefunden.[5] Schließlich war es Bowen selbst, der Ende 1935 einen monoklinen Pyroxen mit den optischen Eigenschaften von reinem Ferrosilit in einem Obsidian vom Naivashasee in Kenia identifizierte und Klinoferrosilit nannte.[7] Spätere Untersuchungen zeigten, dass es sich bei den Klinoferrosiliten aus Obsidianen um metastabile Bildungen handelt.[3]

Erst im Jahr 1964 konnten Arbeitsgruppen in Japan und am Geophysical Laboratory der Carnegie Institution of Washington, dessen Gründung von Henry Stephens Washington mit initiiert worden war, experimentell belegen, dass Ferrosilit bei hohem Druck ein stabiles Mineral ist.[9][6]

Die erste vollständige Beschreibung eines natürlichen, orthorhombischen Ferrosilits mit nahezu Endgliedzusammensetzung aus einem Pyroxen-Gneis des Mount Marcy Gebiets in den Adirondack Mountains publizierten Howard W. Jaffe und Mitarbeiter im Jahr 1978.[3]

Klassifikation

In der strukturellen Klassifikation der International Mineralogical Association (IMA) gehört Ferrosilit zusammen mit Enstatit, Protoenstatit, Klinoenstatit, Klinoferrosilit und Pigeonit zu den Magnesium-Eisen-Proxenen (Mg-Fe-Pyroxene) in der Pyroxengruppe.[10]

In der mittlerweile veralteten, aber noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Ferrosilit zur Mineralklasse der „Silikate und Germanate“ und dort zur Abteilung der „Kettensilikate und Bandsilikate (Inosilikate)“, wo er zusammen mit Donpeacorit, Enstatit und Nchwaningit die eigenständige Untergruppe der „Orthopyroxene“ innerhalb der Pyroxengruppe bildete.

Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) verwendete 9. Auflage der Strunz'schen Mineralsystematik ordnet den Ferrosilit ebenfalls in die Klasse der „Silikate und Germanate“ und dort in die Abteilung der „Ketten- und Bandsilikate (Inosilikate)“ ein. Diese Abteilung ist weiter unterteilt nach dem Aufbau der Silikatketten sowie der Zugehörigkeit zu größeren Mineralfamilien, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung und seines Aufbaus in der Unterabteilung „Ketten- und Bandsilikate mit 2-periodischen Einfachketten Si2O6; Pyroxen-Familie“ zu finden ist, wo es zusammen mit Akimotoit, Donpeacorit und Enstatit die „Orthopyroxene – Enstatitgruppe“ mit der System-Nr. 9.DA.05 bildet.

Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Ferrosilit in die Klasse der „Silikate und Germanate“ und dort in die Abteilung der „Kettensilikatminerale“ ein. Hier ist er zusammen mit Enstatit und Donpeacorit in der Gruppe der „Orthopyroxene“ mit der System-Nr. 65.01.02 innerhalb der Unterabteilung „Kettensilikate: Einfache unverzweigte Ketten, W=1 mit Ketten P=2“ zu finden.

Chemismus

Ferrosilit hat die idealisierte Zusammensetzung [M2]Fe2+[M1]Fe2+[T]Si2O6 ist das Eisen-Analog von Enstatit ([M2]Mg[M1]Mg[T]Si2O6), wobei [M2], [M1] und [T] die Positionen in der Pyroxenstruktur sind.

Ferrosilit bildet eine lückenlose Mischungsreihe mit Enstatit entsprechend der Austauschreaktion

  • [M1,2]Fe2+ = [M1,2]Mg2+ (Enstatit).

Als Ferrosilit werden alle Enstatit-Ferrosilit-Mischkristalle mit mehr als 50 % Fe2+ auf den Oktaederpositionen M1 und M2 bezeichnet, wobei die eisenreichen Verbindungen dieser Mischungsreihe nur bei hohen Druck (> ~10 kBar[11]) stabil sind. Die eigenständigen Namen für die dazwischen liegenden Zusammensetzungen, Ferrohypersthen (50-70 Mol-% Ferrosilit), Eulit (70-90 Mol-% Ferrosilit), Orthoferrosilit (90-100 Mol-% Ferrosilit), wurden 1989 verworfen.[10]

In der Reihe Ferrosilit – Hedenbergit besteht eine große, asymmetrische Mischungslücke und Ferrosilit baut auch bei hohen Temperaturen nicht mehr als ~5 Mol-% Hedenbergit ([M2]Ca2+[M1]Fe2+[T]Si2O6) ein, entsprechend der Austauschreaktion[12]

  • [M2]Fe2+ = [M2]Ca2+ (Hedenbergit).

Hedenbergit andererseits weist eine weitergehende Mischbarkeit mit Ferrosilit auf, die von 20 Mol-% bei 800 °C, 20 kBar bis 80 Mol-% Ferrosilit bei ~1000 °C reicht.[12]

Kristallstruktur

Ferrosilit kristallisiert mit orthorhombischer Symmetrie in der Raumgruppe Pbca (Raumgruppen-Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61 mit 8 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Das synthetische Endglied hat die Gitterparameter a = 18,417(2) Å, b =9,078(1)Å und c = 5,2366(4)Å.[4]

Die Struktur ist die von Orthopyroxen. Silizium (Si4+) besetzt die zwei symmetrisch unterschiedlichen, tetraedrisch von 4 Sauerstoffionen umgebenen T-Positionen, die jeweils zu symmetrisch unterschiedlichen Einfachketten verknüpft sind. Eisen (Fe2+) besetzt die oktaedrisch von 6 Sauerstoffen umgebenen M1- und M2-Positionen.[13][14][4]

Die Metall-Sauerstoff-Bindungen weisen einen deutlichen kovalenten Anteil auf und die röntgenographisch bestimmte Ladung der Kationen ist geringer, als die ideale Ionenladung:[15]

  • Si: +2,25
  • Fe: +1,12

Modifikationen

Die Verbindung FeSiO3 ist polymorph und kann mit verschiedenen Strukturtypen und Symmetrien vorkommen.

Pyroxene

Ferrosilit bezeichnet FeSiO3 mit Pyroxenstruktur und orthorhombischer Symmetrie in der Raumgruppe Pbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61 und ist bei hohem Druck zwischen ~1 GPa und ~4-7 GPa und Temperaturen oberhalb von 800 °C stabil.[16] Einbau von Magnesium oder Mangan erweitert den Stabilitätsbereich zu niedrigerem Druck und höheren Temperaturen.

Bei Raumtemperatur und sehr hohen Drucken wandelt sich Ferrosilit (α-Orthopyroxen) erst metastabil in monoklinen β-Orthopyroxen (~10 GPa), dann in orthorhombischen γ-Orthopyroxen (~12 GPa) um.[17]

Unterhalb von 800 °C wandelt sich Ferrosilit in Klinoferrosilit mit monokliner Symmetrie in der Raumgruppe P21/c (Nr. 14)Vorlage:Raumgruppe/14 und der Struktur des Pyroxens Pigeonit um. Bei sehr hohem Druck von ~1,8 GPa bei 20 °C bzw. 4-5 GPa bei 800 °C ändert sich die Symmetrie und Klinoferrosilit liegt in der Struktur von Augit mit der Raumgruppe C2/c (Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15 vor. Auch orthorhombischer Ferrosilit wandelt sich bei Temperaturen oberhalb von ~800-1200 °C und Drucken über ~4-7 GPa in diese Struktur um.[16]

Pyroxenoide

Bei Temperaturen über 1000 °C liegt FeSiO3 als triklines Einfachkettensilikat mit der Periodizität 9 vor (Ferrosilit III). Synthetisiert wurde es bei 2 GPa und 1250 °C.[18]

Das unverzweigte siebener Einfachkettensilikat Pyroxferroit hat ebenfalls die nominelle Zusammensetzung FeSiO3, enthält aber immer auch geringe Mengen Mangan und Calcium.

Bildung und Fundorte

Ferrosilit (Hypersthen)

Reiner Ferrosilit ist bei mittlerem bis hohem Druck stabil und baut sich unterhalb von ~10 kBar ab zu Fayalit (Fe2SiO4) und Quarz (SiO2).[11] Einbau von Magnesium oder Mangan vergrößert den Stabilitätsbereich von Ferrosilit zu höheren Temperaturen bzw. niedrigeren Drucken.

Ferrosilit kristallisiert unter den Bedingungen der unteren Erdkruste in ~30 km Tiefe und findet sich weltweit in basischen Magmatiten[5][19], z. B. Charnockiten,[20][3] Granuliten[19] und metamorphen, eisenreichen Sedimenten[5][21], z. B. Bändererz[22][23] oder submarine Ablagerungen hydrothermalen Ursprungs[24] sowie in einigen Meteoriten.[25]

Weblinks

Commons: Ferrosilite – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ IMA Database of Mineral Properties – Ferrosilite. In: rruff.info. RRUFF Project in partnership with the IMA, abgerufen am 30. März 2019.
  2. ↑ a b c d e f g h Ferrosilite. In: mindat.org. Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 7. April 2019 (englisch).
  3. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o Howard W. Jaffe, Peter Robinson and Robert T. Tracy: Orthoferrosilite and other iron-rich pyroxenes in microperthite gneiss of the Mount Marcy area, Adirondack Mountains. In: American Mineralogist. Band 63, 1978, S. 1116–1136 (minsocam.org [PDF; 2,3 MB; abgerufen am 26. April 2019]).
  4. ↑ a b c Shigeho Sueno, Maryellen Cameron, C. T. Prewitt: Orthoferrosilite: High-temperature crystal chemistry. In: American Mineralogist. Band 61, 1976, S. 38–53 (rruff.info [PDF; 1,6 MB; abgerufen am 31. März 2019]).
  5. ↑ a b c d e f g h i j N. F. M. Henry: Some data on the iron-rich hypersthenes. In: Mineralogical Magazine. Band 24, 1935, S. 221–226 (rruff.info [PDF; 226 kB; abgerufen am 31. März 2019]).
  6. ↑ a b c d e f D. H. Lindsley, B. T. C. Davis, I. D. Macgregor: Ferrosilite (FeSiO3): Synthesis at High Pressures and Temperatures. In: Science. Band 144, 1964, S. 73–74, doi:10.1126/science.144.3614.73.
  7. ↑ a b N. L. Bowen: “Ferrosilite” as a natural mineral. In: American Journal of Science. Band 30, 1935, S. 481–494 (rruff.info [PDF; 830 kB; abgerufen am 31. März 2019]).
  8. ↑ N. L. Bowen and J. F. Schairer: The system, FeO-SiO2. In: American Journal of Science. Band 24, 1932, S. 177–213, doi:10.2475/ajs.s5-24.141.177.
  9. ↑ Syun-iti AKIMOTO, Hideyuki FUJISAWA and Takashi KATSURA: Synthesis of FeSiO3 Pyroxene (Ferrosilite) at High Pressures. In: Proceedings of the Japan Academy. Band 40, 1964, S. 272–275 (jst.go.jp [PDF; 278 kB; abgerufen am 26. April 2019]).
  10. ↑ a b Subcommite on Pyroxenes, CNMMN; Nobuo Morimoto: Nomenclature of Pyroxenes. In: The Canadian Mineralogist. Band 27, 1989, S. 143–156 (mineralogicalassociation.ca [PDF; 1,6 MB; abgerufen am 30. März 2019]).
  11. ↑ a b Steven R. Bohlen, Eric J. Essene, A. L. Boettcher: REINVESTIGATION AND APPLICATION OF OLIVINE-QUARTZ-ORTHOPYROXENE BAROMETRY. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 47, 1980, S. 1–10 (umich.edu [PDF; 774 kB; abgerufen am 26. April 2019]).
  12. ↑ a b D. H. Lindleyand J. L. Munoz: Subsolidus Relations Along The Join Hedenbergite-Ferrosilite. In: American Journal of Science. 267-A, 1969, S. 295–324 (yale.edu [PDF; 1,6 MB; abgerufen am 26. April 2019]).
  13. ↑ Charles W. Burnham, Yoshikazu Ohashi, Stefan S. Hafner, David Virgo: Cation distribution and atomic thermal vibrations in an iron-rich orthopyroxene. In: American Mineralogist. Band 56, 1971, S. 850–876 (rruff.info [PDF; 1,9 MB; abgerufen am 31. März 2019]).
  14. ↑ Joseph R. Smyth: An Orthopyroxene Structure Up to 850°C. In: American Mineralogist. Band 58, 1973, S. 636–648 (rruff.info [PDF; 1,4 MB; abgerufen am 26. April 2019]).
  15. ↑ Satoshi Sasaki, Yoshio Takeuchi, Kiyoshi Fujino and Syun-iti Akimoto: Electron-density distributions of three Orthopyroxenes, Mg2Si2O6, Co2Si2O6 and Fe2Si2O6. In: Zeitschrift für Kristallographie. Band 158, 1982, S. 279–297, doi:10.1524/zkri.1982.158.12.279.
  16. ↑ a b D. A. Hugh-Jones, A. B. Woodland, R. J. Angel: The structure of high-pressure C2/c ferrosilite and crystal chemistry of high-pressure C2/c pyroxene. In: American Mineralogist. Band 79, 1994, S. 1032–1041 (minsocam.org [PDF; 1,3 MB; abgerufen am 28. April 2019]).
  17. ↑ Przemyslaw Dera, Gregory J. Finkelstein, Thomas S. Duffy, Robert T. Downs, Yue Meng, Vitali Prakapenka, Sergey Tkachev: Metastable high-pressure transformations of orthoferrosilite Fs82. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. in press, 2013, S. 1–7 (rruff.info [PDF; 733 kB; abgerufen am 28. April 2019]).
  18. ↑ Hans-Peter Weber: Ferrosilite III, the high-temperature polymorph of FeSiO3. In: Acta Crystallographica. C39, 1983, S. 1–3, doi:10.1107/S010827018300339X (iucr.org).
  19. ↑ a b R. A. Howie: CELL PARAMETERS OF ORTHOPYROXENES. In: MINERALOGICAL SOCIETY OF AMERICA, SPECIAL PAPER. Band 1, 1963, S. 213–222 (rruff.info [PDF; 8,0 MB; abgerufen am 30. April 2019]).
  20. ↑ Dag Eigil Ormaasen: Petrology of the Hopen mangerite-charnockite intrusion, Lofoten, north Norway. In: Lithos. Band 10, 1977, S. 291–310, doi:10.1016/0024-4937(77)90004-4.
  21. ↑ Kazuo Tsuru and N. F. M. Henry: An iron-rich optically-positive hypersthene from Manchuria. In: Mineralogical Magazine. Band 24, 1937, S. 527–528 (rruff.info [PDF; 81 kB; abgerufen am 30. April 2019]).
  22. ↑ Cornelis Klein, Jr.: Mineralogy and Petrology of the Metamorphosed Wabush Iron Formation, Southwestern Labrador. In: Journal of Petrology. Band 7, 1966, S. 246–305, doi:10.1093/petrology/7.2.246.
  23. ↑ Cornelis Klein: Regional metamorphism of Proterozoic iron-formation, Labrador Trough, Canada. In: American Mineralogist. Band 63, 1978, S. 898–912 (minsocam.org [PDF; 1,8 MB; abgerufen am 30. April 2019]).
  24. ↑ Franco Mancini, Reijo Alviola, Brian Marshall, Hisao Satoh, Heikki Papunen: The manganese silicate rocks of the early Proterozoic Vittinki group, southwestern Finland: Metamorphic grade and genetic interpretations. In: The Canadian Mineralogist. Band 38, 2000, S. 1103–1124 (rruff.info [PDF; 6,2 MB; abgerufen am 30. April 2019]).
  25. ↑ Fundortliste für Ferrosilit beim Mineralienatlas und bei Mindat

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Hypersthene - USGS Mineral Specimens 657.jpg
Hypersthen (mit Stift als Maßstab)
Mineralsammlung der Brigham Young Universität, Fakultät Geologie, Provo, Utah - Kein BYU index