الوجود الطبيعي والتكوّن
وفرة القشرة الأرضية
يحتل المغنيسيوم المرتبة الثامنة بين أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ تبلغ نسبته 2.3% من حيث الكتلة، ويحتل المرتبة الثالثة بين أكثر العناصر وفرةً في مياه البحر، بتركيز يبلغ 1,290 جزءًا في المليون. وتعكس هذه الوفرة دور المغنيسيوم مكوّنًا رئيسيًا في وشاح الأرض، حيث تسود معادن الأوليفين ((Mg,Fe)₂SiO₄) والبيروكسين في أعلى 400 كيلومتر من باطن كوكبنا.
يوضح تدرّج التركيز من لبّ الأرض (حيث لا يوجد مغنيسيوم تقريبًا) مرورًا بالوشاح السيليكاتي (25% من المغنيسيوم) وصولًا إلى صخور القشرة كيف أدّى التمايز الكوكبي إلى تركيز العناصر الأخف في الطبقات الخارجية. ويجعل نصف القطر الأيوني للمغنيسيوم (0.72 Å) وشحنته (+2) مناسبًا تمامًا للتناسق السداسي في معادن السيليكات.
رواسب المعادن الرئيسية
يتكوّن الأوليفين، وهو أكثر المعادن الحاملة للمغنيسيوم وفرةً، عندما تتبلور الصهارات الغنية بالمغنيسيوم عند درجات حرارة مرتفعة (1,200-1,800°C). وتوفر رواسب الأوليفين الرئيسية في معقّد أوهيم في النرويج وبَك كريك في كارولاينا الشمالية مصادر للمغنيسيوم من الدرجة الصناعية. وقد تكوّنت هذه الرواسب من تداخلات فوق مافية غنية بتركيبات الوشاح البدائي.
تمثل رواسب المتبخرات مصدرًا مهمًا آخر للمغنيسيوم، ولا سيما حوض زِشْتاين الواقع تحت شمال أوروبا وحوض بيرميان في تكساس. وقد تكوّنت هذه الرواسب قبل 250 مليون سنة عندما تبخرت أحواض بحرية محدودة، فركّزت كلوريد المغنيسيوم وكبريتاته إلى مستويات التشبع. ويواصل الاستخراج الحديث من البحر الميت وبحيرة الملح الكبرى عملية التركيز الطبيعية هذه.
البيئة البحرية
تحتوي مياه البحر على 53 مليون طن من المغنيسيوم لكل كيلومتر مكعب، وتحافظ على ذلك دورات جيوكيميائية حيوية معقدة تشمل وارد الأنهار، والدوران الحراري المائي، والامتصاص الحيوي. وتتبادل الأنظمة الحرارية المائية عند حيود وسط المحيط باستمرار المغنيسيوم بين مياه البحر والصخور البازلتية الساخنة، فتحافظ على تراكيز المغنيسيوم المحيطية عبر الزمن الجيولوجي.
تستخدم الكائنات البحرية المغنيسيوم على نطاق واسع في عمليات التمعدن الحيوي. إذ تُدخل الطحالب المرجانية والمنخربات المغنيسيوم في تراكيب كربونات الكالسيوم، فتكوّن الكالسيت عالي المغنيسيوم الذي يسجل كيمياء المحيطات القديمة. وتزيل هذه العمليات الحيوية كميات كبيرة من المغنيسيوم من مياه البحر، مع تكوين رواسب جيرية واسعة غنية بالمغنيسيوم.
التخليق النووي النجمي
يتكوّن المغنيسيوم من خلال احتراق الكربون في النجوم الضخمة (>8 كتل شمسية) عندما تتجاوز درجات حرارة اللب 600 مليون كلفن. ويتضمن مسار التفاعل الرئيسي اندماج نوى الكربون-12 لتكوين النيون-20، الذي يلتقط بعد ذلك جسيمات ألفا لإنتاج المغنيسيوم-24، وهو أكثر نظائر المغنيسيوم وفرةً (79% من المغنيسيوم الطبيعي).
تُخلّق المستعرات العظمى من النوع II المغنيسيوم بصورة انفجارية من خلال عمليات احتراق الأكسجين، حيث تخضع نوى الأكسجين-16 لتفاعلات اندماج سريعة عند درجات حرارة تتجاوز 1.5 مليار كلفن. وتنثر هذه الانفجارات النجمية المغنيسيوم في أنحاء المجرات، فتغني الوسط بين النجمي الذي تتكوّن منه أجيال لاحقة من النجوم والكواكب.
الأنظمة الحيوية
تحتوي جزيئات الكلوروفيل على المغنيسيوم في مراكزها، مما يجعل عملية البناء الضوئي مستحيلة من دون هذا العنصر. وينسّق كل جزيء كلوروفيل أيون مغنيسيوم واحدًا مع أربع ذرات نيتروجين في بنية حلقة البورفيرين، مما يتيح امتصاص الضوء عند أطوال موجية محددة (430 nm و662 nm للكلوروفيل a).
تتطلب فسيولوجيا الإنسان 400-420 mg من المغنيسيوم يوميًا لأكثر من 300 تفاعل إنزيمي، بما في ذلك تخليق ATP، وتخليق البروتين، وانقباض العضلات. ويؤثر نقص المغنيسيوم في 10-30% من سكان العالم، مسببًا تقلصات عضلية، وعدم انتظام ضربات القلب، وزيادة خطر الإصابة بهشاشة العظام. وتوفر الخضروات الورقية الخضراء والمكسرات والحبوب الكاملة أغنى المصادر الغذائية.
الاستخراج التجاري
تهيمن عملية بيدجون على إنتاج المغنيسيوم عالميًا، إذ تختزل الدولوميت (CaMg(CO₃)₂) بالسيليكون الحديدي عند 1,200°C تحت التفريغ: 2MgO + 2CaO + FeSi → 2Mg + Ca₂SiO₄ + Fe. وقد طُوّرت هذه العملية في كندا خلال الحرب العالمية الثانية، وتنتج 80% من فلز المغنيسيوم في العالم، ولا سيما في الصين التي تستأثر بـ87% من الإنتاج العالمي.
يوفر الاستخراج الكهربائي من مياه البحر مسارًا بديلًا، ولا سيما في المناطق التي تتوافر فيها كهرباء رخيصة بوفرة. وتستخلص عملية دو هيدروكسيد المغنيسيوم من مياه البحر باستخدام الجير، ثم تحوّله إلى كلوريد المغنيسيوم للتحليل الكهربائي. ويمكن لهذا النهج المتجدد نظريًا أن يوفر كمية غير محدودة من المغنيسيوم، إذ تحتوي مياه البحر على ما يكفي لأكثر من 4 مليارات سنة وفق معدلات الاستهلاك الحالية.