Olivin, Mineral Paling Melimpah dalam Mantel Bumi: Karakteristik dan Asal Pembentukannya

Informasi Olivin secara Umum

Olivin merupakan salah satu kelompok mineral penting pembentuk batuan. Olivin kaya magnesium terbentuk secara melimpah pada batuan mafik rendah silika dan batuan ultramafik. Mineral ini dipercaya sebagai mineral penyusun paling banyak pada mantel Bumi bagian atas. Olivin juga dapat terbentuk pada batuan metamorfik bertemperatur tinggi, lunar basalt (batu bulan) dan beberapa meteorit. Nama olivin berasal dari warna uniknya, yakni antara kuning-hijau hingga hijau gelap dari seri olivin berkomposisi magnesium-besi. 

Forsterit adalah mineral yang paling umum dalam kelompok olivin. Kristal ini diberi nama Forsterit untuk berdasarkan seorang naturalis asal Jerman, Johann Forster. Forsterit biasanya ditemukan berasosiasi dengan batuan beku dan metamorfik, bahkan juga dalam beberapa meteorit (mindat.org)

 

Pada dasarnya nama olivin digunakan bagi anggota seri solid-cair (solid-solution series) fosterit-fayalit. Sebagai tambahan pada anggota akhir (end-members) magnesium dan besi ferous ini, kelompok ini juga terdiri dari manganese (terfroit), kalsium-mangan (glaucochroite), kalsium-magnesium (monticellite), and kalsium-besi (kirschsteinite) kelompok akhir (perhatikan tabel di bawah). Olivin forsterit yang memiliki kualitas sebagai batu permata dikenal dengan nama peridot. Dikarenakan titik lelehnya yang tinggi dan resisten terhadap reagen kimiawi, olivin magnesium berperan penting sebagai material produksi, seperti pelapis pada tungku dan tempat pembakaran bagi komponen lain yang akan dipanaskan serta diproses secara kimia.

Tabel ini menjabarkan beberapa komposisi fisik dari anggota kelompok olivin (britannica.com)

Komposisi Kimia

Sebagian besar komposisi olivin dapat direpresentasikan dalam sistem Ca₂SiO₄-Mg₂SiO₄-Fe₂SiO₄. Olivin yang jumlahnya paling melimpah terbentuk dalam sistem mulai dari forsterit (Mg₂SiO₄) hingga fayalit (Fe₂SiO₄). Kebanyakan olivin yang terbentuk secara alami berkomposisi intermediet pada dua anggota akhir ini serta memiliki susunan kimia secara umum (Mg, Fe)₂SiO₄. Anggota dari seri monticellite (CaMgSiO₄) hingga kirschsteinite (CaFeSiO₄) biasanya sangat jarang ditemukan. Elemen-elemen minor seperti aluminium, nikel, krom dan boron juga dapat bersubtitusi dalam olivin.

Nama forsterit terbatas digunakan bagi spesimen yang memiliki tidak lebih dari 10% unsur besi yang menggantikan unsur magnesium; fayalit (nama ini berasal dari Pulau Fayal di Azores, dimana mineral ini dipercaya terbentuk pada salah satu gunung api setempat, namun sebetulnya ada kemungkinan berasal dari slag yang terbawa ke pulau itu melalui pemberat kapal/ship’s balast) juga terbatas digunakan bagi spesimen yang memiliki tidak lebih dari 10% magnesium yang menggantikan unsur besi. Komposisi intermediet pada seri anggota akhir ini diidentifikasi dengan Fo_xFa_y, yang merupakan ekspresi dari presentase molar dari setiap senyawa. Sebagai contoh, Fo₇₀Fa₃₀ menunjukkan komposisi suatu olivin yang terdiri dari 70% forsterit. Notasi tersebut kemudian disederhanakan menjadi Fo₇₀.

Kontinuitas dalam seri forsterit-fayalit telah diverifikasi secara eksperimental. Pada olivin kaya magnesium akhir dari seri solid-cair, kristal alami dapat mengandung kalsium, nikel dan kromium dalam jumlah yang kecil; anggota kaya besi yang dekat dengan anggota akhir lainnya dari seri tersebut dapat mengandung sejumlah kecil unsur mangan dan kalsium. Terlepas dari sifat besi ferrous-nya, struktur kristalin olivin juga mampu mengakomodasi sejumlah kecil unsur besi ferric; dendrite (kristal berstruktur cabang-cabang kecil) magnetit atau kromit ditemukan berorientasi searah dengan beberapa arah kristalografi dalam olivin-olivin tersebut. Kondisi ini kemungkinan dipengaruhi oleh eksolusi (exsolution). Kehadiran oksida ferric dengan jumlah yang relatif besar dalam analisis olivin, bagaimanapun juga, secara jelas mengindikasikan baik tingkat oksidasi yang lebih lanjut atau inklusi mekanis dari co-precipitating magnetite selama proses kristalisasi dari magma.

Sebagai tambahan pada seri forsterit-fayalit, seri komplit solid-cair lainnya berada di antara beragam jenis mineral-mineral olivin. Fayalit bersifat mudah larut dalam semua proporsi dengan tefroit berwarna abu-abu, silikat mangan murni (Mn₂SiO₄); mineral intermediet pada seri olivin adalah knebelit (FeMnSiO₄). Tefroit dan knebelit berasal dari endapan bijih mangan dan besi hasil metamorfosis batuan sedimen kaya mangan, serta dapat juga berasal dari slag.

Struktur Kristal

Semua jenis olivin terkristalisasi dalam bentuk ortorombik. Mineral ini tergolong sebagai neosilikat, yang berarti memiliki tetrahedron SiO₄ terisolir yang terikat satu sama lain hanya dengan ikatan ionik dari interstitial cations. Struktur olivin dapat terlihat sebagai suatu jaringan oksigen yang terbungkus rapat, dengan ion-ion silikon menempati beberapa lubang-lubang tetrahedral serta cation kalsium, besi ferrous dan magnesium menempati lubang-lubang oktahedral. Lapisan-lapisan tersebut terdiri dari oktahedron yang terkait silang oleh tetrahedron SiO₄ yang independen. Terdapat dua sisi oktahedral nonekuivalen secara simetris, M1 dan M2. Dalam olivin magnesium-besi tidak terdapat preferensi sisi M1 atau M2 untuk magnesium atau besi ferrik. Namun dalam olivin kalsik seperti monticellite, kalsium secara khusus memasuki sisi M2 dan magnesium menempati sisi M1.

Sebagian dari struktur olivin ideal yang diproyeksikan tegak lurus terhadap sumbu a menunjukkan posisi M1 dan M2 sisi oktahedral (britannica.com)

Karakteristik Mineralogi

A. Komposisi fisik

Specific gravity dan kekerasan olivin dijabarkan seperti pada tabel sebelumnya. Paling tidak terdapat dua belahan, yakni kecendrungan untuk terbelah di sepanjang arah kristalografi yang diinginkan (tegak lurus terhadap sumbu a dan b dalam kasus ini), keduanya berkembang dengan baik dalam variasi olivin yang kaya besi. Forsterit yang terkandung dalam beberapa batuan ultra mafik tertentu dapat memperlihatkan struktur bergaris (banded) ketika diamati dalam sayatan tipis menggunakan mikroskop polarisasi; dalam beberapa dunit (suatu jenis batuan yang komposisinya hampir tersusun atas olivin seluruhnya), sebagai contoh, olivin cenderung berorientasi sehingga bidang belahannya yang tegak lurus terhadap sumbu sumbu b sejajar dengan struktur berlaminasi mikroskopik batuannya. Butiran-butiran individual olivin pada batuan tersebut biasanya terlihat seperti garis-garis berorientasi dengan sudut mencapai 10^o antar garis. Pola tersebut, tidak diragukan lagi merupakan hasil dari incipient mechanical deformation, pola tersebut juga dapat diamati dalam nodul-nodul olivin pada beberapa batuan basalt.

Jika diamati secara kasat mata, forsterit murni terlihat tidak berwarna, namun jika kandungan oksida besinya meningkat, maka mineral ini akan nampak berwarna kuning-hijau, hijau gelap dan coklat hingga hitam. Pada sayatan tipis di bawah mikroskop, fayalit murni berwarna kuning pucat. Tefroit murni berwarna abu-abu, begitu pula dengan montiselit memiliki warna abu-abu atau tidak berwarna. 

Beberapa variasi dari properti optis yang teramati pada kristal olivin alami kemungkinan merupakan hasil dari pergantian unsur dalam jumlah kecil namun bervariasi dari magnesium dan besi oleh kalsium dan mangan; serta silikon yang tergantikan oleh titanium, kromium dan besi ferik.

B. Karakter kristal dan bentuknya

Olivin dengan kandungan utama magnesium-besi sangat umum terbentuk dalam wujud kompak atau masa butiran. Kecuali bagi olivin dalam wujud fenokris yang berbentuk sangat baik (kristal tunggal) ditemukan tertanam dalam batuan basalt dengan matriks butiran yang halus. Kristal olivin yang terbentuk secara terpisah (sendiri) relatif langka ditemukan. Fenokris olivin dalam batuan basalt dicirikan dengan sayatan melintang bersisi enam atau delapan. Morfologi fayalit cenderung sederhana. Montiselit dan tefroit biasanya menunjukkan muka kristal piramidal yang menonjol. Kenampakan twinning (kembaran) sangat jarang terlihat. Ketika twinning terbentuk, trillings (pertumbuhan internal tiga butir) dapat terjadi, dan pada montiselit, bentuk bintang berujung enam tercatat ditemukan di Pegunungan Highwood, Montana, AS.

C. Cara determinasi

·   Bentuk: bagian enam sisi membulat pada (001), bagian persegi panjang pada (010), enam atau delapan sisi bagian memanjang pada c dalam bagian (100). Kristal olivin memiliki bentuk alami berupa granular atau berbutir

·   Warna: tidak berwarna atau hijau pucat hingga kuning seiring meningkatnya kandungan besi

·   Kilap: glassy ; Pecahan: konkoidal

·   Relief: tinggi

·   Warna interference: kuat, warna orde III

·   Belahan: sedikit lemah pada (010) dan (110)

 Asal dan Pembentukan

A. Batuan beku

Olivin paling umum ditemukan pada batuan beku mafik dan ultramafik seperti peridotit, dunit, gabro dan basalt. Olivin forsteritik yang memiliki 88% hingga 92% forsterit merupakan fase dominan dari dunit dan biasanya juga ditemukan dalam peridotit. Gabro dan basalt secara tipikal mengandung forsteritik hingga olivin berkomposisi intermediet dengan rentang 50% hingga 80% forsterit. Olivin biasanya berasosiasi dengan plagioklas kalsik, piroksin kaya magnesium dan oksida besi-titanium seperti magnetit dan ilmenit. Asosiasi mineralogi ini didiagnosa berdasarkan proses kristalisasi pada temperatur relatif tinggi dari berbagai jenis batuan mafik.

Dunit merupakan batuan beku plutonik berkomposisi ultramafik. Warna hijau pada batu ini disebabkan karena kandungan olivin yang menyusun hampir seluruh komposisi fisiknya (stringfixer.com)

Forsterit dan protoenstatite mengkristalisasi bersama dari suhu sekitar 1.550^oC hingga kisaran 1.300^oC dan keduanya merupakan mineral pertama yang mengkristalisasi dari pelelehan magma bersifat mafik. Olivin kaya magnesium tidak stabil pada lingkungan yang kaya silika dan tidak pernah ditemukan berimbang dengan kuarsa. Reaksi kimia yang menghalangi kehadiran bersama (koeksistensi) yang stabil dari forsterit dan kuarsa berhubungan dengan pembentukan enstatit ortopiroksin dalam kehadiran silika yang berlimpah adalah fayalit (Fa), namun fayalit dapat hadir bersama secara seimbang dengan kuarsa dalam batuan granit dan ryolit yang kaya besi.

Olivin yang kaya besi keberadaannya lebih jarang dari Fa₅₀, namun keduanya dapat terbentuk pada lapisan-lapisan kaya besi pada batuan intrusif. Fayalit sendiri dapat muncul dalam jumlah kecil pada batuan vulkanik kaya silika, baik dalam bentuk mineral utama dan dalam lithophysae dan vugs (rongga berbentuk seperti gelembung) dalam batuan ryolit dan obsidian (glas vulkanik). Fayalit juga dapat terbentuk dalam batuan plutonik asam seperti granit yang berasosiasi dengan amfibol dan piroksin yang kaya besi.

B. Batuan metamorfik

Olivin juga dapat terbentuk dalam proses metamorfik. Baik forsterit dan montiselit biasanya berkembang dalam zona dimana intrusi batuan beku kontak dengan dolomit. Forsterit cenderung terbentuk pada temperatur rendah bila dibandingkan dengan montiselit, yakni ketika proses dekarbonisasi di zona kontak berlangsung. Olivin fayalitik berkembang di dalam sedimen kaya besi yang termetamorfkan. Dalam sistem kuarternari (yakni empat komponen) Fe₂O₃-FeO-SiO₂-H₂O, fayalit berasosiasi dengan mineral greenalit (serpentin besi), minnesotait (talk besi) dan grunerit (amfibol besi) dalam berbagai fase metamorfis. Pada kondisi kimiawi yang lebih rumit, yang melibatkan komponen-komponen di atas ditambah unsur karbonat (CaO) dan alumina (Al₂O₃), fayalit dapat berasosiasi dengan hedenbergit, ortopiroksin, grunerit dan almandin (garnet besi).

C. Meteorit dan mantel Bumi

Olivin yang terkandung di dalam meteorit umumnya merupakan suatu varietas dari forsteritik yang hanya mengandung Fa₁₅ hingga Fa₃₀. Di dalam meteorit Nakhla, Mesir (sebuah meteorit achondrit), olivin yang terkandung sifatnya lebih kaya besi, namun memiliki Fa₆₅ yang berlimpah. Dalam chondrit (meteorit bersifat batuan), olivin umumnya berinkorporasi dalam bentuk spheroidal yang unik atau yang biasa disebut chondrules yang diameternya dapat mencapai 1 milimeter.

Sayatan melintang meteorit Fukang dengan lebar 91cm. Sayatan ini memperlihatkan kristal olivin menakjubkan yang terkandung di dalamnya (researchgate.net)

Dikarenakan batuan mantel atas yang berada tepat di bawah zona diskontinuitas Mohorovici (Moho) dipercaya terdiri atas peridotit dan peridotit garnetiferus yang mengandung olivin sebagai mineral yang paling melimpah, sehingga penting untuk mempertimbangkan karakter olivin ketika mengalami tekanan yang sangat tinggi. Penelitian mengenai senyawa yang seperti olivin, magnesium germanate (Mg₂GeO₄), menunjukkan jika unsur ini memiliki karakter polimorfik (banyak bentuk/struktur), baik struktur olivin maupun spinel. Bentuk spinel Mg₂GeO₄ diketahui memiliki densitas yang lebih tinggi 9% dibanding bentuk olivin. Pada tahun 1936 sebuah hipotesa dikemukakan bahwa pada tekanan yang tinggi Mg₂SiO₄ juga dapat berubah menjadi suatu struktur spinel; hipotesa ini kemudian diadopsi pada tahun 1937 sebagai dasar untuk menjelaskan teori yang disebut diskontinuitas 20^o, suatu diskontinuitas seismik terobservasi dalam mantel pada kedalaman sekitar 400 kilometer. 

Struktur seismik dan densitas dari mantel bagian bawah yang menunjukkan diskontinuitas mayor/major discontinuities (www.alexstrekeisen.it)

Polimorfik spinel olivin juga tercatat ditemukan di Tenham (Queensland, Australia) chondrite dengan kandungan mineral pseudomorfik olivin. Bagian dari beberapa butiran besar olivin yang berbatasan langsung dengan urat berwarna hitam yang terbentuk akibat tubrukan dikenali sebagai transformasi ke fase spinel; plagioklas feldspar yang terkait berubah menjadi maskelynite. Komposisi dari fase spinel dalam meteorit telah dianalisis menggunakan mikroskop elektron dan diketahui merupakan (Mg_0.75Fe_0.25)₂SiO₄; dalam sayatan tipis mineral ini nampak berwarna biru keabuan hingga violet kebiruan.

Mineral ini kemudian diberi nama ringwoodite berdasarkan nama seorang ahli kebumian dari Australia Alfred E. Ringwood yang mensintesiskan fase spinel dengan komposisi dan properti mendekati mineral-mineral yang ditemukan dalam meteorit. Baru-baru ini, mineral ringwoodite juga telah ditemukan dalam sebuah meteorit di Coorara (Australia Barat) yang berasosiasi dengan fase garnet. Polimorfik fase β belum pernah dijumpai pada meteorit yang mengalami tubrukan (dengan Bumi), namun ada kemungkinan jika polimorfik ini juga hadir dalam jumlah yang relatif berlimpah dalam mantel Bumi.

D. Sumber pembentukan lainnya

Olivin knebelit secara terbatas terbentuk dalam endapan besi-mangan, zona skarn yang berasosiasi dengannya (batuan gamping yang mengandung unsur silikat), dan dalam endapan mangan yang termetamorfosiskan. Di Franklin, New Jersey, AS, tefroit dan glaukokroit terbentuk pada endapan yang sama dengan roepperite: suatu mineral knebelite yang mengandung 10,7% berat seng oksida.

Monticellite terbentuk pada beberapa peridotit alkali dan dalam batuan gamping yang dekat dengan kontak peridotit. Kirschsteinite murni diketahui hanya dari slag (sisa dari proses pemurnian atau smelting) dan belum pernah dijumpai sebagai bagian dari asosiasi mineral alami. Lingkungan alami yang paling mungkin bagi kirschsteinite untuk terbentuk adalah batuangamping yang teralterasi. Terdapat kemungkinan bahwa mineral ini tetap tidak terobservasi pada batuan karena komposisi optikalnya yang serupa dengan olivin magensium-besi yang jumlahnya lebih banyak. Sebuah kirschsteinite mengandung 31% berat olivin lainnya, khususnya monticellite, yang dilaporkan telah ditemukan dari suatu nepheline-melilite di provinsi Nord-Kivu, Kongo (Kinshasa).

Glaucochroite, yakni olivin dengan komposisi silikat kalsium dan mangan murni (CaMnSiO₄), sangat jarang ditemukan, dilaporkan bahwa mineral ini hanya dapat dijumpai pada endapan di Franklin, New Jersey, dimana ia terbentuk bersama dengan tephroite. Kehadiran unsur mangan yang terbatas pada magma induk diperkirakan yang menyebabkan kelangkaan mineral-mineral intermediet dalam seri solid-cair di antara olivin kaya kalsium monticellite, glaucochroite, and kirschsteinite.

E. Hasil alterasi dan pelapukan

Mineral-mineral kelompok olivin dapat dengan mudah melunak bahkan jika hanya terkena larutan asam lemah, dan resistensinya rendah terhadap agen-agen pelapukan serta larutan hidrotermal panas. Olivin forsteritik mengalami alterasi terutama melalui leaching, yang menyebabkan unsur magnesium terlarut dan adanya penambahan unsur air dan beberapa besi. Reaksi kimia umumnya terjadi secara kompleks dan melibatkan proses hidrasi, oksidasi dan karbonasi. Olivin fayalitik teralterasi terutama akibat oksidasi dan penghilangan unsur silika. Produk umum hasil alterasi ini adalah serpentin, yang dapat terbentuk sebagai suatu pseudomorfik (suatu bentuk dengan kenampakan luar seperti mineral aslinya, namun sebetulnya sudah tergantikan sepenuhnya dengan mineral lainnya). Serpentin yang merupakan produk alterasi paling umum dari olivin pada batuan metamorfik biasanya juga ditemani dengan magnesit. 

Pantai berpasir hijau yang terletak di dekat South Point, di distrik Ka'u, Kepulauan Hawai. Butiran olivin yang berasal dari batuan gunungapi di sekitar pantai yang memberi warna hijau khas bagi pasir pantai ini (geologyin.com)

Pelapukan mekanis yang terjadi pada batuan kaya olivin dapat menyebabkan pelepasan partikel olivin, yang bila tidak terjadi pelapukan kimiawi secara dominan, dapat terakumulasi dan membentuk pasir berwarna hijau atau hitam kehijauan. Lokasi paling ternama terakumulasinya pasir ini ada di pantai kepulauan Oahu dan Hawai, khususnya di Diamond Head (Oahu) dan South Point (Hawai). Pasir aluvial yang kaya olivin juga diketahui berada di wilayah Navajo, Arizona dan New Mexico, AS; pasir di lokasi ini memiliki olivin yang jernih (peridot) sehingga dimanfaatkan sebagai material pembuatan perhiasan.

 

Sumber:
Klein C., Philpotts A. R.2017. Earth Materials Introduction to Mineralogy and Petrology (2nd Edition). Cambridge University Press.
http://www.alexstrekeisen.it/english/pluto/olivine.php
https://www.britannica.com/science/olivine