Minerale - Gesteine Chemische Zusammensetzung der Erdkruste

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1 Skriptum zum Kernblock 383a, Dozent: Dr. H. Genser Minerale - Gesteine Chemische Zusammensetzung der Erdkruste Lithosphäre = starrer Gesteinsmantel der Erde (Asthenosphäre = plastisch bis partiell aufgeschmolzen) Elemente Symbol Häufigkeit in Gewichts- % Sauerstoff O 46,6 Silizium Si 27,7 Aluminium Al 8,1 Eisen Fe 5 Calzium Ca 3,6 Natrium Na 2,8 Kalium K 2,6 Magnesium Mg 2,1 Titan Ti 0,4 Wasserstoff H 0,13 Mangan Mn 0,1 Phosphor P 0,08 Rest der Elemente 0,66 Beachte die drei häufigsten Elemente! Silizium, Sauerstoffverbindungen = Silikate mit Aluminium = Alumosilikate Minerale Nur wenige Elemente können unter den chemischen Bedingungen der Atmosphäre, Hydrosphäre und der Lithosphäre ungebunden, d. h. elementar existieren. Dies sind: Gold, Silber, Kupfer, Blei, Platin, Quecksilber, Arsen, Antimon, Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und Edelgase. Alle übrigen Elemente kommen in der Natur nur in chemischen Verbindungen vor, die in der Lithosphäre meist kristallin sind und die wir Minerale oder Mineralien nennen. Nach der Entstehungsweise bzw. dem Entstehungsort unterscheidet man Mineralbildungen: 1. der magmatischen 2. der sedimentären 3. der metamorphen Abfolge. 1

2 Die Minerale der magmatischen Abfolge entstehen primär (d. h. aus dem Magma), die beiden anderen sekundär (z. T. pedogen) durch Verwitterung und Metamorphose (Umwandlung) bereits existierender Minerale. 1. Silikate, also Verbindungen mit Si und O (oftmals nicht korrekt als Kieselsäure bezeichnet), wie zum Beispiel Feldspäte, Feldspatvertreter, Amphibole, Pyroxene, Olivine, Glimmer, Tonminerale. Diese Gruppe hat einen Anteil von ca. 75 % am Aufbau der Erdkruste. 2. Oxide, also Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen mit Sauerstoff, wie zum Beispiel Quarz (SiO 2 ) mit ca 15 % Anteil an der Erdkruste; Hämatit (Fe 2 O 3 ) und Magnetit (Fe 3 O 4 ) mit 3 %. 3. Carbonate, also Verbindungen der Kohlensäure, wie z. B. Calcit (CaCO 3 ) oder Dolomit CaMg (CO 3 ) Phosphate wie zum Beispiel Apatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 (F Cl OH). 5. Sulfate wie z. B. Anhydrit (CaSO 4 ). 6. Chloride wie z. B. Steinsalz (NaCl). 7. Sulfide wie z. B. Pyrit (FeS 3 ) oder Magnetkies FeS. 8. Oxidhydrate wie z. B. Limonit = Rost (FeOOH). Die wichtigsten Eigenschaften der Minerale sind: Kristallform, Spaltbarkeit, Dichte, Glanz, Härte, Farbe und Strich (-farbe) auf einer Porzellanplatte. Die einfachste Methode zur Feststellung von Unterschieden ist die Bestimmung der Ritzhärte nach der Härteskala von Mohs. Die Skala ist so aufgebaut, dass jedes aufgeführte Mineral das vorhergehende ritzt. Wie der Vergleich mit der Schleifffestigkeit zeigt, haben die Härteunterschiede keine gleichmäßigen Abstände. Härtgrad nach Mohs Standardminerale Rel. Schleiffestigkeit Quarz = Talk Mg 6 (OH) 4 Si 8 O 20 0,03 Prüfmöglichkei t 2 Gips CaSO 4 * 2 H 2 O 1,04 Fingernagel 3 Kalkspat CaCO 3 3,75 Cu-Münze 4 Flußspat CaF 2 4,17 5 Apatit Ca 5 (PO 4 ) 3 (F Cl OH) 5,42 6 Orthoklas KAlSi 3 O 6 31 Stahl 7 Quarz SiO Topas Al 2 F 2 SiO Korund Al2O Diamant C

3 Farbunterscheidung: Nach ihrer Farbe unterscheidet man leukokrate = helle melanokrate = dunkle Minerale. Die wichtigsten gesteinsbildenden Minerale sind die: Feldspäte und Feldspatvertreter 60 % Augite und Hornblenden 16% Quarz 12 % Glimmer 4 % Hämatit und Magnetit 1% übrige Minerale nur noch 7 % Textur: Die Textur eines Gesteins gibt das räumliche Gefüge, die räumliche Anordnung der Minerale an. Klastische Sedimente entstehen durch Ablagerungen von Gesteins- und Mineralbruchstücken, die häufig mit einem feinkörnigen Bindmittel verkittet sind. Sie sind meistens polymerisch. Struktur- Typen: brecciöse Struktur = große eckige Gesteinsbruchstücke konglomeratische Struktur = große gerundete Gesteinsbruchstücke Sandstein- Struktur = kleine, meist gerundete Körner Tonstein- Struktur = sehr kleine Mineralpartikel, makroskopisch dicht erscheinend Die wichtigsten gesteinsbildenden Minerale (Abkürzungen X = Kristall, XX = Kristalle) Helle Minerale Kalifeldspat (Orthoklas) KAlSi 3 O 6 Farblos, selten klar, meist trüb weißlich oder schwach pigmentiert, Härte 6. Plagioklas (lückenlose Mischungsreihe zwischen Albit und Anorthit) NaAlSi 3 O 8... CaAl 2 Si 2 O 8 Albit Anorthit Farbe grauweiß bis grünlich, bei Zersetzung matt, Härte 6. Feldspäte stellen in der Mehrzahl der magmatischen und metamorphen Gesteine die Hauptkomponenten dar. Feldspatvertreter Kieselsäure sparend Vorkommen in Magmatiten nie zusammen mit Quarz. Nephelin Na(AlSiO 4 ), hexagonale Prismen als Einsprenglinge in Magmatiten, im Querschnitt recht- oder sechseckig. 3

4 Frisch farblos klarm Glas- bis Fettglanz. Härte 5,5 bis 6. Spaltbarkeit undeutlich. Leucit K(AlSi 2 O 6 ), Einsprenglinge in Vulkaniten, Querschnitt oft achteckig, farblos bis weißlich, glasglänzend, muscheliger Bruch. Härte 5,5 bis 6. Quarz (oft als Kieselsäure bezeichnet) SiO 2 Farblos klar bis milchig trüb (Fettquarz, Milchquarz), manchmal bräunlich oder anders pigmentiert. Auf Kristallflächen Glasglanz, auf Bruchflächen Fettglanz. Muscheliger Bruch, keine Spaltbarkeit, Härte 7. Freie XX in Mineralgängen, Klüften und Drusen (Bergkristall) auch als Einsprenglinge in Porphyren. Modifikationen: Chalkedon, Hornstein, Jaspis, Achat, Opal, Feuerstein (Silex). Glimmer Farbe sehr verschieden: farblos, bräunlich bis schwarz, grünlich in vielen Schattierungen. Glas- bis Perlmutterglanz Spaltbarkeit nach einer Richtung blättriger Habitus Härte 1,5 bis 3 Beispiele: Muskovit: farblos, silbrig glänzend, in sauren Plutonen, in Sedimenten Biotit braun bis schwarz in allen Gesteinen Vorsicht dunkles Mineral! Sericit: feinschuppige Varietät des Muskovit, silbrig bis grünlich Dunkle Minerale Amphibole [OH(Si,Al)4O 11 ] 2 Meist langgestreckte prismatische bis faserige XX, meist dunkelfarbig (grünlichschwarz, braunschwarz), starker Glasglanz, sehr gute Spaltbarkeit nach zwei Flächen, die sich unter 124 bzw. 56 schneiden Härte 6 Beispiele: Aktinolith (Strahlstein) FeO haltiger Amphibol in niedrig metamorphen Gesteinen (Chlorit unf Glimmerschiefer) grünlich- faserig Hornblende in Plutoniten, Amphiboliten und anderen metamorphen Gesteinen beinhaltet viele Variationen von Kationen (Fe, Al, K, Ca,...) Pyroxen Ca, Mg, Fe,... Si2O6 Im äußeren Habitus oft ähnlich den Amphibolen, aber meist mehr kurzprismatisch, Spaltbarkeit nach zwei sich unter 87 bez. 93 schneidenden Flächen, starker Glasglanz Härte 6 Beispiel: Augit 4

5 In Basalten und anderen Magmatiten, schwarz, oft ideomorphe Einspenglinge mit 2 Hauptflächen im Kopfbild Fe 2 O 3 und Al 2 O haltig Olivin (Peridot) Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 Oliv, glasglänzend, eine deutliche Spaltbarkeit, sonst muscheliger Bruch. Hauptmineral der Peridotite, häufig als Einsprenglinge in Basalten, nicht zusammen mit Quarz. Härte 6 bis 7 Weitere wichtige Minerale Kalkspat (Calcit) CaCO 3 XX sehr mannigfaltig, farblos- klar, trüb, weißlich, bräunlich, glasglänzend, nach drei Seiten spaltbar. braust stark mit verdünnter Salzsäure Hauptmineral der Kalksteine Härte 3 Dolomit CaCO 3 - MgCO 3 (unterschiedliches Mischungsverhalten) äußerlich ähnlich dem Kalkspat, durch Fe- und Mn- Gehalte oft etwas bräunlich, chemisch CaMg(CO 3 ) 2, mit verdünnter HCl nur schwach brausend Gips CaSO 4-2H 2 O meist farblos bis weißlich oder graue dichte oder kristalline Massen, oft geschichtet, XX prismatisch oder tafelig, Zwillinge häufig, nach drei Richtungen spaltbar. durch Erwärmen auf C umgewandelt in Anhydrit CaSO4, welches kein Wasser enthält. Härte 1,5 Steinsalz NaCl XX meist Würfel, Spaltbarkeit nach den Würfelflächen, farblos- klar bis trüblich weiß. wasserlöslich Härte 2.5 Sylvin KCl Ähnlich Steinsalz, aber scharfsalzig schmeckend, oft rot pigmentiert. Andere Kalisalze: Kalimagnesium- Sulfate und Chloride Schwerspat (Baryt) BaSO 4 Meist weiß, gelblich oder rosa, oft grobblättrig, mehrere verschieden gute Spaltflächen. Glasglanz auffallend schwer, Dichte 4,6 In Erz und Mineralgängen, häufig gut ausgebildete Kristalle. Flußspat (Fluorit) CaF 2 XX Würfel oder andere kubische Formen, farblos- klar oder getrübt, oft farbig: gelb, grün, rosa, violett nicht wasserlöslich in Erz und MineralgängenHärte 4 5

6 Leukokrate Mineralien ca C ca. 800 C ca. 650 C Orthoklase Basische Plagioklase Intermediäre saure Plagioklase Muskovit Plagioklase Quarz Silikatschmelze Melanokrate Mineralien Gabbromagma Dioritmagma Granitmagma Olivin Pyroxene Amphibole Amphibole Biotit Restmagma wässrige Lösungen Ergussgesteine Basalt (Diabas, Melaphyr) Andesit Trachyt Rhyolith (Quarzporphyr) Ganggesteine Lamprophyre Aplite Tiefengesteine Gabbro Diorit Syenit Granit kieselsäurearme Gesteine < 52 % SiO 2 intermediäre Gesteine < % SiO 2 kieselsäurereiche Gesteine > 65 % SiO 2 Vereinfachtes Schema der Magmen- Differentiation 6