Grundlagen der Geowissenschaften: Mineralogie

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1 Grundlagen der Geowissenschaften: Mineralogie Gerhard Heide Institut für Mineralogie Professur für Allgemeine und Angewandte Mineralogie Direktor der Geowissenschaftlichen Sammlungen Brennhausgasse oder , 19., 23. und 26. Oktober : Hörsaal Silbermannstr.: PHY-0010

2 Welt -Reise Geowissenschaften 2 Sonnensystem Erde Kontinente und Ozeane Gebirge Gesteine Minerale

3 Aufgaben der Mineralogie 3 Verständnis: Mineralbildung, -wachstum, -umwandlung Bestimmung: Mineraleigenschaften Mineralnutzung Mineralbestimmung: Dienstleistung Gesteinsbestimmung Gneis Gesteinsbildende Minerale

4 Aufgaben der Mineralogie: Mineralbildung und -umwandlung 4

5 Aufgaben der Mineralogie: Mineralbildung und -umwandlung 5

6 Teildisziplinen der Mineralogie 6 Spezielle Mineralogie Petrologie/Petrographie Kristallographie Geochemie Kosmochemie Lagerstättenkunde Angewandte und Technische Mineralogie

7 Nachbardisziplinen der Mineralogie 7

8 Aufbau der Erde 8 kontinentale Kruste < 50 km ozeanische Kruste < 15 km Geophysik, Kosmochemie, Petrologie oberer Mantel unterer Mantel äußerer Kern innerer Kern Mantel obere untere äußerer Erdkern innerer Erdkern 700 km 2200 km 2200 km 1200 km 2000 C zähflüssig-fest fest 2900 C flüssig C 4 Mio bar fest

9 Aufbau der Erde 9 Volumen Masse mittlere Dichte [%] [%] [g/cm 3 ] Erdkruste Erdmantel Erdkern direkte Aufschlüsse (Erdradius 6370 km) Mont Blanc-Tunnel: 11.6 km, 3000 m (unter den Westalpen) tiefstes Bergwerk: m (Goldrevier Südafrika) tiefste Bohrung: m (1985, Halbinsel Kola) übertiefe Bohrungen: m (1989) und m (1994, Windischeschenbach) tiefste ozeanische Bohrung: m (1976, spanische Küste, Atlantik)

10 Elementverteilung (in Ma.-%) 10 Kern Mantel obere kontinentale Kruste (Hydrosphäre) Ozean Atmosphäre Fe Si Ni Si O Mg Element Kern Mantel ozeanische kontinentale Kruste [Ma.-%] Kruste untere obere O Na Mg Al Si S 2.3 K Ca Fe Ni 4.9 Si O Al O H N O

11 Kontinentale Kruste: Elementverteilung 11 Masse-% O Atom-% Volumen-% Si Al Element Ma.-% Atom-% Vol.-% Sauerstoff 46,60 62,55 93,77 Silizium 27,72 21,22 0,86 Aluminium 8,13 6,47 0,47 Eisen 5,00 1,92 0,43 Magnesium 2,09 1,84 0,29 Calcium 3,63 1,94 1,03 Natrium 2,83 2,64 1,32 Kalium 2,59 1,42 1,83

12 Ionengröße Platzbedarf 12 Koordiantionszahl 4 Koordiantionszahl 6 [SiO 4 ] 4 [SO 4 ] 4 [PO 4 ] 4 [AlO 6 ] 3 [FeO 6 ] 3 Ionenradius O 2 Si 4+ Al 3+ Fe Å 0.42 Å 0.51 Å 0.64 Å 1 Å= m = 0.1 nm = 100 pm

13 Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen 13 Mineral bzw. Anteil Mineralgruppe [Ma.-%] Feldspäte 58.0 Quarz 12.5 Pyroxene Amphibole Olivine } 16.5 Glimmer 3.5 Tonminerale 1.0 Eisenoxide 3.5 Calcit 1.5 Rest 3.5 Minerale der Erdkruste: > 99% Sauerstoffverbindungen

14 Oberer Erdmantel: Minerale/Mineralgruppen 14 Kruste Mantel Elementverteilung O Si Al Si O Mg Mineral- Feldspäte (58%) Olivine (> 50%) verteilung Pyroxene Pyroxene [Ma.-%] Quarz Spinell O Si Al Fe Mg Ca Na

15 Mineraldefinition 15 mina - Schacht, minare - Bergbau, minera - Erzstufe (lat.) Ein Mineral ist ein unter Normalbedingungen fester (Außnahme: Hg), natürlicher, anorganischer (Ausnahme: natürliche Oxalate und Kohlenwasserstoffe), makroskopisch homogener (chemisch und strukturell definiert) meistens kristalliner (Ausnahme: z. B. Opale, Miktamite) Teil der Materie.

16 Mineraldefinition: INTERNATIONAL MINERALOGICAL ASSOCIATION 16 In general terms, a mineral is an element or chemical compound that is normaly crystalline and which has been formed as a result of geolocical processes. A mineral can be described as a solid, inorganic and crystallised substance having a well-defined chemical composition and physical properties. It is the result of a terrestrial or extra-terrestrial geological process, with no intervention of Man. Metallurgical slags and chimney deposits are therefore not considered as minerals. E. H. Nickel, Definition of a Mineral. N. Jb. Mineral. Mh. 8 (1995)

17 Definition: Gestein 17 Gesteine sind vielkörnige (heterogene), natürliche Mineralaggregate, auch einige natürliche Gläser. Charakteristisch für ein Gestein sind Mineralbestand, Gefüge (Größe, Form, Verteilung und Orientierung) der Mineralkörner und ihre genetische Beziehung.

18 Mineral: Definitionen 18 Mineralindividuum konkretes, fundortbezogenes Mineral, charakterisiert durch seine Besonderheiten (z. B. Amethyst von Oberschlottwitz) Mineralart verallgemeinertes Mineralindividuum (z. B. Quarz) Mineralvarietät Untergruppe einer Mineralart mit bemerkenswerter, aber gemeinsamer Besonderheit (z. B. Bergkristall, Amethyst, Rauchquarz) Primärmineral zeitgleiche Bildung mit dem / im Gestein Sekundärmineral spätere Bildung durch Stoffumwandlung (Verwitterung, Metamorphose) aus den Primärmineralen

19 Mineralklassifikation: kristall-chemisch (H. Strunz) : ca : ca Minerale Mineralklassen (chemisch) I. Elemente II. Sulfide III. Halogenide IV. Oxide und Hydroxide V. Nitrate, Carbonate, Borate VI. Sulfate, Chromate, Molybdate, Wolframate VII. Phosphate, Arsenate, Vanadate VIII. Silicate IX. Organische Verbindungen

20 Klassifikation: Gesteinsbildende Minerale bzw. Mineralgruppen 20 Quarz Feldpäte Glimmer Pyroxene Amphibole Granat Olivin Gips, Anhydrit Calcit, Dolomit Fluorit, Halit Oxid Gerüst-Silicate Schicht-Silicate Ketten-Silicate Ketten-Silicate Insel-Silicate Insel-Silicate Sulfate Carbonate Halogenid

21 Bestimmung: Eigenschaften 21 Farbe Strichfarbe Transparenz Glanz Ritzhärte Bruch und Spaltbarkeit Spalt- und Wachstumsformen Dichte Magnetismus Lumineszenz Löslichkeit Bestimmungswerkzeuge

22 Bestimmung: Chemie und Phasenbestand 22 Phasenbestand Polarisationsmikroskopie Röntgenbeugung (XRD) Chemismus Röntgenfluoreszens- Analyse (RFA) Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) Spektroskopie (Infrarot-, Raman-)

23 Bestimmung: Farben 23 auffälligste Eigenschaft: selten gleichbleibend (Einschlüsse, Spurenelemente, Anlauffarbe) typische, konstante Farben: blau grün Azurit Malachit violett Amethyst gelb Schwefel eisenschwarz Magnetit messing-gelb Chalkopyrit

24 Bestimmung: Ritzhärte 24 komplexe physikalische Eigenschaft (besser Schleifhärte, Ritzhärte, Eindruckhärte) Mohssche Härteskala (FRIEDRICH MOHS) Mineral Vergleich 1 Talk 2 Gips mit Fingernagel ritzbar 3 Calcit 4 Fluorit 5 Apatit mit Messer ritzbar 6 Orthoklas ritzt Glas 7 Quarz 8 Topas 9 Korund 10 Diamant

25 Bestimmung: Kristallform 25 Wachstums- oder Spaltflächen Beispiel: Fluorit (CaF 2 ) Wachstumsform Spaltform Hexaeder Oktaeder fundamentale Eigenschaft des kristallinen Zustandes: Anisotropie des Wachstums

26 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 26 Kubisches Kristallsystem a = b = c α = β = γ = 90 Pyrit Galenit Almandin typisch: 4 3-zählige Drehachsen

27 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 27 Tetragonales Kristallsystem a = b c α = β = γ = 90 Zirkon Anatas typisch: eine 4-zählige Drehachse bzw. Drehinversionsachse

28 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 28 Hexagonales Kristallsystem a = b c (a 1 = a 2 = a 3 c) α = β = 90, γ = 120 typisch: eine 6-zählige Eis Beryll Drehachse bzw. Drehinversionsachse

29 Bestimmung: Symmetrie derkristallform 7 Kristallsysteme 29 Trigonales Kristallsystem (rhomboedrisch) a = b = c (a 1 = a 2 = a 3 ) α = β = γ 90 Quarz typisch: eine 3-zählige Drehachse Calcit

30 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 30 Rhombisches Kristallsystem (orthorhombisch) a b c α = β = γ = 90 Topas Schwefel typisch: 2-zählige Drehachsen oder Spiegelebenen

31 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 31 Monoklines Kristallsystem a b c β 90, α,γ = 90 Gips Orthoklas typisch: eine 2-zählige Drehachse oder Spiegelebene

32 Bestimmung: Symmetrie der Kristallform 7 Kristallsysteme 32 Triklines Kristallsystem a b c α,β,γ 90 typisch: Inversionszentrum oder Albit kein Symmetrieelement

33 Bestimmung: Dichte (Massendichte [g/cm 3 ] 33 1,00 Wasser H 2 O 4,48 Baryt BaSO 2,17 Halit NaCl 4 4,80 Zirkon ZrSiO 2,32 Gips CaSO 4 2H 2 O 4 5,10 Chromit FeCr 2,56 Orthoklas Ca-Feldspat 2 O 4 5,26 Hämatit Fe 2,65 Quarz SiO 2 O 3 2 7,00 Kassiterit SnO 2,72 Calcit CaCO 2 3 7,5 Eisen Fe 2,90 Dolomit CaMg(CO 3 ) 2 7,57 Galenit PbS 2,93 Biotit Fe-Glimmer 8,9 Kupfer Cu 3,18 Fluorit CaF 2 10,50 Silber Ag 3,57 Topas Al 2 SiO 4 (F,OH) 2 13,55 Quecksilber Hg 3,85 Siderit FeCO 3 19,30 Gold Au 4,00 Sphalerit ZnS 21,50 Platin Pt 4,30 Rutil TiO 2 Chemische Zusammensetzung und Struktur

34 Gesteinsbildende Minerale 34 Silicate Quarz (SiO 2 ) Feldspäte (Alumosilicat) Glimmer (Alumosilicat) Amphibole Pyroxene Olivin ((Mg,Fe) 2 SiO 4 ) Sulfate Gips (CaSO 4 2H 2 O) Anhydrit (CaSO 4 ) Carbonate Calcit (CaCO 3 ) Dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 ) Halogenide Fluorit (CaF 2 ) Halit (NaCl) (Gerüstsilicat) Gerüstsilicat Schichtsilicat Bandsilicat Kettensilicat Inselsilicat

35 Aufbau der Silicate 35 Baustein: SiO 4 -Tetraeder sp 3 -Hybrid: SiO 4 -Tetraeder (KZ 4) kovalent-ionisch, 15 % Ionencharakter d Si O = 1, 62 Å

36 Aufbau der Silicate 36 SiO 4 4 : Ladungsausgleich? Verknüpfung Si O Si ( Brückensauerstoff ) Quarz Kationen (z. B. [SiO 4 ] 4 + 2Mg 2+ ) SiO 2 + 2MgO Mg 2 SiO 4 Inselsilicate (Olivin: Forsterit) Kombinationen: Kettensilicate (Amphibole, Pyroxene) Substitution des Si durch Al: AlO 5 4 [AlO 4 ] 5 : Al 3+ + M + Si 4+ manche Schichtsilicate (Glimmer) Gerüstsilicate (Feldspäte)

37 Aufbau der Silicate 37 (a) Insel- (b) Gruppen- (c), (d) Ring- (f) Ketten- (g) Band- (h) Schicht- (i) Gerüstsilicate

38 Quarz 38 IV/D.01: SiO 2 -Familie Polymorphie! IV/D Quarz trigonal 2,65 Dichte Hoch-Quarz hexagonal 2,51 [g/cm 3 ] IV/D Tridymit tiklin 2,27 Hoch-Tridymit hexagonal 2,26 IV/D Cristobalit tetragonal 2,32 Hoch-Cristobalit kubisch 2,20 IV/D Moganit monoklin 2,15 IV/D Melanophlogit tetragonal 2,04 SiO 2 n(ch 4, CO 2, N 2, SO 2 ) IV/D Coesit monoklin 2,93 IV/D Stishovit tetragonal 4,32 IV/D Lechatelierit glasig 2,20 IV/D Opal amorph 2,2 SiO 2 n(h 2 O)

39 Quarz 39 Polymorphie: Gleiche Chemie Unterschiedliche Symmetrie Quarz P P Tridymit C 2 c C c Cristobalit P P Keatit P P Lechatelierit glasig SiO 2 Druck - und Temperaturabhängig! Coesit C 2 c Hoch-Quarz P P Hoch-Tridymit P 6 3 m m c Hoch-Cristobalit F d 3 m Stishovit P 4 2 m n m

40 Quarz 40 IV/D.01: SiO 2 -Familie Polymorphie Polymorphie unter Normaldruck Quarz 573 C 870 C 1470 C 1720 C Hochquarz Hochtridymit Hochcristobalit Schmelze

41 Quarz: Genese 41 aus sauren Schmelzen liquid-magmatische Haupt-Kristallisation: C in Plutoniten (Tiefengesteinen) in Rhyolithen (Ergussgesteine) magmatische Restkristallisation: C Pegmatite (Pegmatitquarze und Bergkristall): grobkristallin postmagmatische Kristallisation Greisen und Zwitter (Zinnlagerstätten) (endogen)

42 Quarz: Genese 42 hydrothermale Bildung katathermal: C mesothermal: C epithermal: C telethermal: <100 C Gangquarz, Bergkristall, Amethyst, Achat synthetischer Quarz (endogen)

43 Quarz: Genese 43 Bildung durch Metamorphose Rekristallisation magmatischer Gesteine Rekristallisation sedimentärer Gesteine Quarzsand Quarzit (endogen)

44 Quarz: Genese 44 sedimentäre Bildung hohe Härte und chemische Stabilität: hohe Verwitterungsresistenz Sande und Kiese (Lockergestein) kolloidale Fällung aus wässrigen Lösungen biogene Bildung (Kieselgur, Flint) Diagenese Verfestigung geringe Drücke und Temperaturen Verfestigung durch chemische Reaktionen Sedimentgestein Sandstein: Quarzsand mit neugebildeten Quarzsäumen (exogen) (exogen)

45 Quarz: Genese 45 Durchläufermineral und sehr häufig

46 Quarz 46 viele Varietäten: Bergkristall, Rauchquarz, Amethyst, Citrin, Rosenquarz, Milchquarz, Chalcedon wichtiger Rohstoff Baustoffe (Kiese und Sande) Rohstoff für Glas- und Keramik (Sande) Chemie (Silikone, Silikagel) Halbleiterrohstoff synthetische Piezoquarze (Ultraschall, Schwingquarze), Mahl-, Schleif- und Poliermittel und -steine (Achat), Schmucksteine

47 Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen 47 Mineral bzw. Anteil Mineralgruppe [Ma.-%] Feldspäte 58.0 Quarz 12.5 Pyroxene Amphibole Olivine } 16.5 Glimmer 3.5 Tonminerale 1.0 Eisenoxide 3.5 Calcit 1.5 Rest 3.5 Oberer Mantel Olivine 57 Pyroxene 29 Granate 14

48 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 48 gute Spaltbarkeit helle Farben hohe Härte: 6 nach Mohs (ritzt Glas) niedrige Symmetrie: monoklin oder triklin häufig Zwillinsgbildung wasserfreie Alkali- bzw. Kalk-Alumo-Silicate verwittert leicht wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen große wirtschaftliche und geowissenschaftliche Bedeutung

49 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 49 Struktur 4 O B, 0 O E : 3-dim. Verknüpfung 3-dim. Gerüst Alumosilicate mit Kationen Na +, K +, Ca 2+ offene, weitmaschige Gerüste: Ringgröße 8 Einbau großer Kationen: (r >1 Å)

50 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 50 [AlSi 3 O 8 ] Anionenkomplex: Al- bzw. SiO 4 -Tetraeder Systematik Endglieder K[AlSi 3 O 8 ] Orthoklas Or Kalifeldspat Na[AlSi 3 O 8 ] Albit Ab Natronfeldspat Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Anorthit An Kalkfeldspat Isomorpher Ersatz [SiO 4/2 ] [AlO 4/2 ] + Na + 2[SiO 4/2 ] 2[AlO 4/2 ] + Ca 2+ Alumo-Silicate

51 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 51 Systematik

52 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 52 Systematik: Mischkristallbildung Plagioklas-Reihe (Na,Ca)[(Si,Al) 4 O 8 ]: lückenlos mischbar Na + + Si 4+ Ca 2+ + Al 3+ gekoppelte Substitution r Na + = 1.24 Å, r Ca 2+ = 1.29 Å ( r = 4%) Sanidin (K,Na)[(Si,Al) 4 O 8 ]: begrenzte Mischbarkeit Na + + K + r Na + = 1.24 Å, r K + = 1.59 Å ( r = 28%) zwei verschiedene Feldspäte nebeneinander im Gestein Mischungslücke: temperaturabhängig

53 Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si) n O 2n ] n 53 Bildung typisch für saure magmatische Gesteine auch in manchen basischen Bildung in vielen metamorphen Gesteinen kaum in Sedimenten verwittert leicht zu Tonmineralen: 2K[AlSi 3 O 8 ] + 3H 2 O Al 2 [Si 2 O 5 (OH) 4 ] + 4SiO KOH

55 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 55 vollkommene Spaltbarkeit Schicht geringe bis sehr niedrige Härte Silicate mit Schichtstruktur: ebene, unendliche Netzwerke starke Si O- bzw. Al O-Bindungen in der Schicht schwache van-der-waals- und schwächere ionische Bindungen zwischen den Schichten wasserhaltige Silicate wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen große wirtschaftliche und geowissenschaftliche Bedeutung

56 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 56 Systematik 3 Verknüpfung, 3 Brückensauerstoff, 1 endständiger Sauerstoff pro Tetraeder (Q 3, NBO/T=1) Stapel-Varianten 2-Schicht-Silicat (Tonminerale) 3-Schicht-Silicat (Talk) 3-Schicht-Alumosilicat (Glimmer-Gruppe) 4-Schicht-Alumosilicat (Chlorit)

57 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 57 Systematik 2-Sch. 3-Sch. 3-Sch. 4-Sch.

58 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 58 Systematik Verknüpfung der Tetraeder- (, ) und Oktaeder- ( ) Schichten Ein- Zwei- Drei- Drei- Vier- Schicht- Schicht- Schicht- Schicht- Schichtsilicat silicat silicat alumosilicat alumosilicat (nicht bekannt) Ton- Talk- Glimmer- Chloritminerale Gruppe Gruppe Gruppe

59 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 59 2-Schicht-Silicate Tonminerale Kaolinit-Reihe Kaolinit Al 4 [(OH) 8 Si 4 O 10 ] Serpentinit-Reihe Chrysotil-Asbest Mg 6 [(OH) 8 Si 4 O 10 ] AlO 6 - Oktaeder SiO 4 - Tetraeder

60 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 60 2-Schicht-Silicat Kaolinit

61 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 61 3-Schicht-Silicate Talk-Gruppe Talk Mg 3 [(OH) 2 Si 4 O 10 ] SiO 4 - Tetraeder MgO 6 - Oktaeder SiO 4 - Tetraeder T O T

62 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 62 3-Schicht-Alumosilicate Glimmer-Gruppe Muskovit-Reihe Muskovit KAl 2 [(OH,F) 2 AlSi 3 O 10 ] Biotit-Reihe Biotit K(Mg,Fe,Mn) 3 [(OH,F) 2 AlSi 3 O 10 ] K + AlO 4 -/SiO 4 - Tetraeder AlO 6 - Oktaeder AlO 4 -/SiO 4 - Tetraeder T O T

63 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 63 3-Schicht-Alumosilicat Muskovit K + (Si,Al)O 4 - Tetraeder AlO 6 - Oktaeder (Si,Al)O 4 - Tetraeder K +

64 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 64 Bentonite Muskovit + Wasser Montmorillonit ( expandierter Talk ) Oktaeder Tetraeder H 2 O Na + H 2 O Tetraeder Oktaeder

65 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 65 4-Schicht-Alumosilicate Chlorit-Gruppe Chlorit (Mg,Fe) 3 (OH) 6 (Mg,Fe) 3 [(OH) 2 AlSi 3 O 10 ] (Mg,Fe)(OH) 6 - Oktaeder SiO 4 - Tetraeder Mg(OH) 6 - Oktaeder (Al,Si)O 4 - Tetraeder T O T

66 Schichtsilicate (Phyllosilicate) [Si 2n O 5n ] 2n 66 Bildung Tonminerale, Bentonite: Verwitterung, auch hydrothermale Talk, Chlorit: niedriggradige Metamorphose Glimmer: in Magmatiten und Metamorphiten

68 Ketten- und Bandsilicate 68 Pyroxen- und Amphibol-Familien wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen ähnliche chemische, strukturelle und physikalische Eigenschaften weitgehend gleiche Kationen Amphibole zusätzlich OH -Ionen Pyroxene: keine OH-Gruppen Bildung bei höheren Temperaturen

69 Ketten- und Bandsilicate 69 Pyroxen- und Amphibol-Familien 2er-Kette: [Si 2 O 6 ] 4 VIII/F.01-02: Pyroxene 2er-Band: [Si 4 O 11 ] 6 VIII/F.07-13: Amphibol e

70 Ketten- und Bandsilicate 70 Pyroxen- und Amphibol-Familien Pyroxene: kurze, säulige Kristalle Amphibole: lange, stenglige, nadlige Kristalle wichtiges Unterscheidungsmerkmal: Spaltwinkel Pyroxerne: 87 Amphibole: 124 kaum wirtschaftliche, aber große geowissenschaftliche Bedeutung

71 Ketten- und Bandsilicate 71 A [VIII] Koordinationszahl 8: 8 Liganden (CaO 8 -Hexaeder) Pyroxen-Familie A [VIII] B [VI] [X 2 (O,OH) 6 ] [Si 2 O 6 ] 4 A [VIII] = Na +, K +, Ca 2+, Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+ B [VI] = Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+, Zn 2+, Fe 3+, Al 3+, Cr 3+, V 3+, Ti 4+, Li + X = Si 4+, Al 3+ abnehmende Größe: A-B-X rhombisches und monoklines Kristallsystem

72 Ketten- und Bandsilicate 72 Pyroxen-Familie lückenlose Mischkristallreihen Augit (Ca,Na) (Mg,Fe,Al,Ti) [(Si,Al) 2 O 6 ] Enstatit Mg 2 [Si 2 O 5 ] Hypersten (Mg,Fe) 2 [Si 2 O 5 ] Ferrosilit Fe 2 [Si 2 O 5 ]

73 Ketten- und Bandsilicate 73 Amphibol-Familie A 0 1 B 2 C 5 [(OH,F) X 4 O 11 ] 2 Bänder mit [Si 4 O 11 ] 6 A [X XII] = Na + (auch K + ), (Leerstelle) B [VIII] = Ca 2+, Na +, Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+ C [VI] = Mg 2+, Fe 2+, Mn 2+, Al 3+, Fe 3+, Ti 4+ X [IV] = Si 4+, Al 3+ Kettenmitte (im Ring ) = OH, F rhombisches und monoklines Kristallsystem umfangreiche Mischkristallreihen

74 VIII/F: Ketten- und Bandsilicate 74 Mischkristallereihen

75 Geochemische Vielfalt 75 Einfache Substitution Mg 2+ Fe 2+ Al 3+[VI] Fe 3+ Einfache Substitution mit Koordinationswechsel Mg 2+ Ca 2+ Na + K + Gekoppelte Substitutionen Ca 2+ + Mg 2+ Na + + Al 3+[VI] Ca 2+ + Fe 2+ Na + + Fe 3+[VI] Mg 2+ + Si 4+ Al 3+ + Al 3+[IV] Mg 2+ + Si 4+ Fe 3+ + Al 3+[IV]

76 Ketten- und Bandsilicate 76 Bildung wichtige metamorphe Minerale weite Verbreitung in basischen Magmatiten

78 Inselsilicate 78 Olivin-Reihe (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] isolierte SO 4 4 -Tetraeder Hauptbestandteil des oberen Erdmantels Mg:Fe 9:1 Mischkristallreihen mit Mg, Fe, Ni, Co rhombisch Forsterite Mg 2 SiO 4 Fayalite Fe 2 SiO 4 hoher Schmelzpunkt von Forsterit: 1890 C

79 Inselsilicate 79 Bildung basische Magmatite Tiefengesteine (z.b. Dunit) oberer Erdmantel Ergussgesteine (z.b. Flutbasalt) Metamorphose Dolomit + Quarz Forsterit + Calcit 2 CaMg(CO 3 ) 2 SiO 2 Mg 2 SiO 4 2 CaCO 3 aber auch Hydratisierung: Forsterit + 4 H 2 O + SiO 2 Serpentinit 3 Mg 2 SiO 4 2Mg 3 [(OH) 4 Si 2 O 5 ] keine sedimentäre Bildung aber Sandstrände

81 Carbonate 81 Carbonat-Chemie Baustein: isolierte anionische [CO 3 ] 2 -Moleküle [ ] 2 Salz der Kohlensäure (Ca OH ) + (2H + + CO 2 3 ) Ca[ CO 3] + 2H 2 O

82 Carbonate 82 Carbonat-Chemie Calcit, CaCO 3 Gesteine: Kalkstein, Muschelkalk, Marmor (Kalkspat) Dolomit, MgCa(CO 3 ) 2 Aragonit, CaCO 3 Magnesit, MgCO 3 Siderit, FeCO 3 Strontianit, SrCO 3 Malachit, Cu 2 [(OH) 2 CO 3 ] Azurit, Cu 3 [OH CO 3 ] 2

83 Carbonate 83 Polymorphie Aragonit CaCO 3 rhombisch auch Sr, Ba r > 1 Å Calcit CaCO 3 trigonal auch Mg, Fe, Mn, Zn r < 1 Å

84 Carbonate 84 Mischkristall Doppelsalz Calcit: trigonal Dolomit: trigonal (Mg,Fe)-, (Fe,Zn)- Carbonate große und kleine Kationen

85 Calcit (Doppelspat) 85 Doppelbrechung: ordentlicher und außerordentlicher Strahl

86 Calcit Mineral der Mohsschen Härteskala perfekte Spaltbarkeit (Kalkspat) schäumt in kalter Salzsäure Zwillingsbildung typisch Schwalbenschwanz-Zwilling CaCO 3 Calcit T>900 C +H CaO 2 O +CO Ca(OH) 2 2 CaCO 3 Brandkalk Löschkalk Calcit Baustoff, Werkstein, Poliermittel, Füllmittel, Chemierohstoff

87 Calcit 87 Bildung: Durchläufer -Mineral chemische Sedimentation Ca 2+ aqu. + 2HCO 3 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 biogene Mineralisation: Korallen, Muscheln (Muschelkalk) hydrothermal: Drusen und Gängen metamorph: Marmor, Skarn magmatisch: Karbonatite

88 Sulfate 88 Sulfate-Chemie Baustein: isolierte anionische [SO 4 ] 2 -Moleküle [ ] 2 Salz der Schwefelsäure (Ca OH ) + (2H + + SO 2 4 ) Ca[SO 4] + 2H 2 O

89 Sulfate 89 Sulfate-Chemie Gips, CaSO 4 2H 2 O Anhydrit, CaSO 4 Bassanit, CaSO H 2O Baryt, BaSO 4 Bildung überwiegend sedimentär auch hydrothermal Evaporit Nutzung Bindemittel, chemischer Rohstoff

90 Sulfate 90 Gips: Schichtstruktur Wasserstoffbrückenbindung HOH O S

91 Gips Mineral der Mohsschen Härteskala Marienglas hohe Doppelbrechung perfekte Spaltbarkeit Zwillingsbildung typisch

92 Halogenide 92 Halogenid-Chemie Baustein: isolierte F - bzw. Cl -Anionen Halit, NaCl (Kochsalz) Sylvin, KCl Fluorit, CaF 2 (Flussspat)

93 Halogenide 93 Verwendung Halit: chemischer Rohstoff, Konservierungsmittel Sylvin: Düngemittelrohstoff Fluorit: metallurgisches Flussmittel

94 Halogenide 94 Bildung Halit/Sylvin sedimentär: Eindustung (Evaporation) Ausblühungen vulkanische Sublimation Bildung Fluorit hydrothermal weit verbreitet

95 Bildung gesteinsbildener Minerale 95 Mineral/ mag- meta- hydro- sedi- Mineralgruppe matisch morph thermal mentär Quarz Feldspäte ( ) Tonminerale ( ) Glimmer Pyroxene Amphibole Olivin Calcit Dolomit ( ) Gips/Anhydrit Baryt Halit/Sylvin Fluorit ( ) ( )