Ferrosilit

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

Ferrosilit
Nadeliger Ferrosilit vom Lake Tarawera in der Region Bay of Plenty, Nordinsel, Neuseeland
Allgemeines und Klassifikation
IMA-Nummer	1988 s.p.
IMA-Symbol	Fs
Andere Namen	Orthoferrosilit, Eulysit, Eulit, Hypersthen, Eisenhypersthen
Chemische Formel	Fe^2+2Si2O6
Mineralklasse (und ggf. Abteilung)	Silikate und Germanate
System-Nummer nach Lapis-Systematik (nach Strunz und Weiß) Strunz (9. Aufl.) Dana	VIII/F.02-020 9.DA.05 65.01.02.02
Kristallographische Daten
Kristallsystem	orthorhombisch
Kristallklasse; Symbol	mmmVorlage:Kristallklasse/Unbekannte Kristallklasse
Raumgruppe	Pbca (Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61
Gitterparameter	a = 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
Formeleinheiten	Z = 8
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte	5 bis 6
Dichte (g/cm^3)	natürlich: 3,84
Spaltbarkeit	{210}, (010), (100)
Bruch; Tenazität	uneben, splittrig
Farbe	natürlich: grün, braun
Strichfarbe	blass graubraun
Transparenz	durchsichtig
Glanz	Glasglanz
Magnetismus	paramagnetisch
Kristalloptik
Brechungsindizes	nα = natürlich: 1,765 synthetisch: 1,772 nβ = natürlich: 1,774 synthetisch: 1,780 nγ = natürlich: 1,786 synthetisch: 1,789
Doppelbrechung	δ = natürlich: 0,020; synthetisch: 0,017
Optischer Charakter	zweiachsig positiv
Achsenwinkel	2V = natürlich: 79°, synthetisch: 58°, 86°
Pleochroismus	natürlich: uneinheitlich schwach (gelblich – schwach grün) bis stark (beige – grüngrau), blass rosa, rosa-gelb, blass blaugrün

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.

Nicht verwechselt werden darf Ferrosilit mit dem Eisenselenid Ferroselit.

Etymologie und Geschichte

Der erste eisenreiche Hypersthen wurde in Vittinki nahe Seinäjoki in Finnland gefunden und 1925 von M. Saxen beschrieben. Den Namen Ferrosilit für das Eisen (Ferro)-Metasilikat (Silit) FeSiO₃ führte Henry Stephens Washington 1932 ein. 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. Auch in der Natur wurden in den folgenden Jahren keine Hypersthene mit mehr als 85 Mol-% Ferrosilit gefunden. 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. Spätere Untersuchungen zeigten, dass es sich bei den Klinoferrosiliten aus Obsidianen um metastabile Bildungen handelt.

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.

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.

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.

In der veralteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz Ferrosilit noch nicht verzeichnet.

Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis nach Stefan Weiß, das sich im Aufbau noch nach dieser alten Form der Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. VIII/F.02-020. In der „Lapis-Systematik“ entspricht dies der Klasse der „Silikate und Germanate“ und dort der Abteilung „Ketten- und Bandsilikate“, wo Ferrosilit zusammen mit Akimotoit, Donpeacorit, Enstatit, Nchwaningit und Protoenstatit die Gruppe der „Orthopyroxene“ mit der System-Nr. VIII/F.02 innerhalb der Pyroxengruppe (F.01 bis F.02) bildet.

Die von der International Mineralogical Association (IMA) zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Ferrosilit ebenfalls in die Abteilung der „Ketten- und Bandsilikate“ ein. Diese ist allerdings weiter unterteilt nach dem Aufbau der Silikatketten sowie der Zugehörigkeit zu größeren Mineralfamilien, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung und seinem Aufbau 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]Fe^2+[M1]Fe^2+[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) 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.

In der Reihe Ferrosilit – Hedenbergit besteht eine große, asymmetrische Mischungslücke und Ferrosilit baut auch bei hohen Temperaturen nicht mehr als ~5 Mol-% Hedenbergit (^[M2]Ca^2+[M1]Fe^2+[T]Si₂O₆) ein, entsprechend der Austauschreaktion

• ^[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.

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.

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.

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

• 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. 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.

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.

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.

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). 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, z. B. Charnockiten, Granuliten und metamorphen, eisenreichen Sedimenten, z. B. Bändererz oder submarine Ablagerungen hydrothermalen Ursprungs sowie in einigen Meteoriten.

Weblinks

Commons: Ferrosilite – Sammlung von Bildern

• Ferrosilit. In: Mineralienatlas Lexikon. Geolitho Stiftung; abgerufen am 18. August 2023 
• IMA Database of Mineral Properties – Ferrosilite. In: rruff.info. RRUFF Project in partnership with the IMA; abgerufen am 18. August 2023 
• Ferrosilite search results. In: rruff.info. Database of Raman spectroscopy, X-ray diffraction and chemistry of minerals (RRUFF); abgerufen am 18. August 2023 
• American-Mineralogist-Crystal-Structure-Database – Ferrosilite. In: rruff.geo.arizona.edu. Abgerufen am 18. August 2023 
• David Barthelmy: Ferrosilite Mineral Data. In: webmineral.com. Abgerufen am 18. August 2023 (englisch). 

Einzelnachweise

1. Malcolm Back, Cristian Biagioni, William D. Birch, Michel Blondieau, Hans-Peter Boja und andere: The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: July 2023. (PDF; 3,8 MB) In: cnmnc.main.jp. IMA/CNMNC, Marco Pasero, Juli 2023, abgerufen am 17. August 2023 (englisch). 
2. Laurence N. Warr: IMA–CNMNC approved mineral symbols. In: Mineralogical Magazine. Band 85, 2021, S. 291–320, doi:10.1180/mgm.2021.43 (englisch, cambridge.org [PDF; 351 kB; abgerufen am 17. August 2023]). 
3. IMA Database of Mineral Properties – Ferrosilite. In: rruff.info. RRUFF Project in partnership with the IMA, abgerufen am 18. August 2023. 
4. Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. Alle Mineralien von A – Z und ihre Eigenschaften. Stand 03/2018. 7., vollkommen neu bearbeitete und ergänzte Auflage. Weise, München 2018, ISBN 978-3-921656-83-9. 
5. 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 17. August 2023]). 
6. 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 18. August 2023]). 
7. Ferrosilite. In: mindat.org. Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 18. August 2023 (englisch). 
8. N. F. M. Henry: Some data on the iron-rich hypersthenes. In: Mineralogical Magazine. Band 24, 1935, S. 221–226 (rruff.info [PDF; 227 kB; abgerufen am 18. August 2023]). 
9. 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. 
10. N. L. Bowen: “Ferrosilite” as a natural mineral. In: American Journal of Science. Band 30, 1935, S. 481–494 (rruff.info [PDF; 831 kB; abgerufen am 18. August 2023]). 
11. N. L. Bowen, 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. 
12. Syun-iti Akimoto, Hideyuki Fujisawa, Takashi Katsura: Synthesis of FeSiO₃ Pyroxene (Ferrosilite) at High Pressures. In: Proceedings of the Japan Academy. Band 40, 1964, S. 272–275 (jstage.jst.go.jp [PDF; 278 kB; abgerufen am 17. August 2023]). 
13. Subcommite on Pyroxenes, CNMMN; Nobuo Morimoto: Nomenclature of Pyroxenes. In: The Canadian Mineralogist. Band 27, 1989, S. 143–156 (rruff.info [PDF; 1,1 MB; abgerufen am 17. August 2023]). 
14. Ernest H. Nickel, Monte C. Nichols: IMA/CNMNC List of Minerals 2009. (PDF; 1,9 MB) In: cnmnc.main.jp. IMA/CNMNC, Januar 2009, abgerufen am 18. August 2023 (englisch). 
15. 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 (deepblue.lib.umich.edu [PDF; 774 kB; abgerufen am 18. August 2023]). 
16. D. H. Lindleyand J. L. Munoz: Subsolidus Relations Along The Join Hedenbergite-Ferrosilite. In: American Journal of Science. 267-A, 1969, S. 295–324 (earth.geology.yale.edu [PDF; 1,6 MB; abgerufen am 17. August 2023]). 
17. 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 18. August 2023]). 
18. 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 18. August 2023]). 
19. Satoshi Sasaki, Yoshio Takeuchi, Kiyoshi Fujino, 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. 
20. 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 17. August 2023]). 
21. 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. Band 221, 2013, S. 15–21, doi:10.1016/j.pepi.2013.06.006 (rruff.info (Article in press) [PDF; 733 kB; abgerufen am 17. August 2023]). 
22. Hans-Peter Weber: Ferrosilite III, the high-temperature polymorph of FeSiO₃. In: Acta Crystallographica. C39, 1983, S. 1–3, doi:10.1107/S010827018300339X (Zusammenfassung bei scripts.iucr.org [abgerufen am 17. August 2023]). 
23. 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 18. August 2023]). 
24. 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. 
25. Kazuo Tsuru, 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 18. August 2023]). 
26. 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. 
27. 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 18. August 2023]). 
28. 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 18. August 2023]). 
29. Fundortliste für Ferrosilit beim Mineralienatlas (deutsch) und bei Mindat (englisch), abgerufen am 17. August 2023.