Martin Okrusch Siegfried Matthes Mineralogie Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde

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1 Martin Okrusch Siegfried Matthes Mineralogie Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde

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3 Martin Okrusch Siegfried Matthes Mineralogie Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde 8., vollständig überarbeitete, erweiterte und aktualisierte Auflage Mit 438 Abbildungen, davon 133 in Farbe

4 Autoren Professor Dr. Martin Okrusch Lehrstuhl für Geodynamik und Geomaterialforschung Universität Würzburg Am Hubland Würzburg Professor Dr. Siegfried Matthes Bibliographische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN Auflage Springer Berlin Heidelberg New York ISBN (e-book) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983, 1987, 1990, 1993, 1996, 2001, 2005, 2010 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Thomas Bauer, deblik, Berlin Umschlagfoto: Klaus-Peter Kelber, Würzburg Herstellung: Janett Sterrit-Brunner Satz: Büro Stasch Druck und Bindung: Stürtz AG, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier

5 Für Irene

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7 Vorwort zur 8. Auflage Erfreulicherweise hat die 7. Auflage des Mineralogie-Lehrbuches bei Studenten und Hochschullehrern, aber auch bei interessierten Mineraliensammlern eine positive Aufnahme gefunden und war bereits nach zweieinhalb Jahren vergriffen. Auf Wunsch des Verlages wurde die notwendige Neuauflage nicht nur gründlich überarbeitet, sondern wiederum inhaltlich erweitert und durch zahlreiche neue Abbildungen bereichert. Dabei habe ich mich bemüht, konstruktive Kritik von Rezensenten und Anregungen von Kollegen weitgehend zu berücksichtigen. Äußerst hilfreich waren hierfür Übersichtsartikel, die in den letzten Jahren in Sammelbänden und Zeitschriften zu aktuellen Themen erschienen sind. Das einführende Kapitel enthält jetzt eine umfassende, wenn auch kurz gefasste Darstellung der Kristallographie auf elementarer Grundlage. Ich hoffe mit diesem Beitrag, der von Ekkehart Tillmanns kritisch durchgelesen wurde, eine Lücke zu schließen, die mehrere Kollegen als Mangel empfunden hatten. Darüber hinaus wurde ein neuer Abschnitt zu den fachübergreifenden Forschungsgebieten Biomineralisation und medizinische Mineralogie eingefügt. Der Text zu diesem Gebiet, das sich zur Zeit in rasanter Entwicklung befindet, wurde durch Beiträge von Joachim Lorenz bereichert. Erfreulicherweise konnten die Texte zur speziellen Mineralogie durch neue Farbfotos von Mineralstufen veranschaulicht werden. Die Zahl der Zeichnungen von Kristallstrukturen wurde deutlich erhöht; farbige Darstellungen tragen dazu bei, auch komplexere Strukturen zu verstehen. Die Abschnitte zur technischen Anwendung von mineralischen Rohstoffe wurden soweit das bei der stürmischen Entwicklung der Werkstoffwissenschaften möglich ist aktualisiert. Neuaufnahme fanden die, auch technisch interessanten Mineralgruppen der Nitrate und der Borate, während die Texte zu den SiO 2 -Mineralen und den Feldspäten unter Mitwirkung von Hans Ulrich Bambauer und Herbert Kroll stark überarbeitet und erweitert wurden. Auch im Teil II Petrologie und Lagerstättenkunde mussten an mehreren Stellen Verbesserungen durchgeführt und in der Literatur gebräuchliche Begriffe neu aufgenommen werden. Ausführlichere Darstellung erfuhren aktuelle Themen wie vulkanischer Explosivitätsindex, Supereruptionen und Supervulkane sowie Erstarrungsphänomene in Magmenreservoiren. Interessante Themen stellen die Kristallisationsfronten in Pegmatiten und die Zeitdauer der Pegmatit-Kristallisation dar. Neu aufgenommen wurde eine genetische Klassifikation der Pegmatite. Die wissenschaftliche Diskussion über Zusammensetzung, Herkunft und Zirkulation von hydrothermalen Lösungen wird nach wie vor mit großer Heftigkeit geführt; hier waren Aktualisierungen notwendig. Ein weiteres Dauerproblem stellt die Abgrenzung zwischen Sedimentgesteins-gebundenen hydrothermalen und sedimentären Lagerstätten dar; im Gegensatz zur 7. Auflage entschloss ich mich, die Karbonat-gebundenen Blei-Zinkund Fluorit-Lagerstätten vom Mississippi-Valley-Typ als hydrothermal einzustufen. Neu aufgenommen wurden die hydrothermalen Gold-Pyrit-Verdrängungslagerstätten vom Carlin-Typ; eine eingehendere Behandlung erfuhren die Buntmetall-Lagerstätten in Schwarzschiefern. Insgesamt habe ich mich bemüht, die weltwirtschaftliche Bedeutung von Erz- und Mineral-Lagerstätten noch stärker herauszuarbeiten und zu aktualisieren.

8 VIII Vorwort zur 8. Auflage Ganz wesentliche Erweiterungen erfuhr der Teil III des Buches. Neben notwendigen Ergänzungen in den Kapiteln Aufbau des Erdinnern, Meteorite sowie Aufbau und Stoffbestand des Mondes wurde dem Geochemie-Kapitel ein Abschnitt über die Entstehung der chemischen Elemente angefügt. Außerdem kamen zwei ganz neue Kapitel Unser Planetensystem und Die Entstehung unseres Sonnensystems hinzu, in denen ich versucht habe, die faszinierenden Erkenntnisse, welche die Naturwissenschaften zu diesen Themenkreisen gewonnen haben, in aller gebotenen Kürze vorzustellen. Der Astrophysiker Karl Mannheim hat diese Texte kritisch durchgelesen und an vielen Stellen wertvolle Ergänzungen eingefügt. Zwar unterliegt es keinem Zweifel, dass wir diesen Erkenntnisgewinn in erster Linie astrophysikalischen Beobachtungen, Messdaten und Theorien verdanken. Trotzdem haben wir in den letzten Jahren so viel Neues über die geologisch-petrographische Beschaffenheit und den inneren Aufbau der erdähnlichen Planeten, der Asteroiden sowie der Riesen-Gas- und Eisplaneten und ihrer Monde erfahren, dass eine Darstellung im Rahmen dieses Mineralogie-Lehrbuches gerechtfertigt, ja zwingend notwendig erscheint. Interplanetarische Staubteilchen, deren mineralogische Zusammensetzung wir heute schon gut kennen, dokumentieren die Frühgeschichte unseres Sonnensystems, während interstellare, circumstellare und präsolare Staubteilchen in eine noch fernere Vergangenheit zurückweisen. Angesichts der thematischen Breite dieses Lehrbuches war es wiederum zwingend geboten, kompetente Kollegen um kritische Durchsicht einzelner Kapitel oder Textabschnitte zu bitten. Hierfür bin ich Hans Ulrich Bambauer (Münster/Ostbevern), Herbert Kroll (Münster), Joachim Lorenz (Karlstein am Main), Karl Mannheim (Würzburg), Klaus Mezger (Münster) und Ekkehart Tillmanns (Wien) zu großem Dank verpflichtet. Sehr genossen habe ich vielseitige, anregende Diskussionen mit meinem Amtsnachfolger Hartwig Frimmel (Würzburg). Darüber hinaus danke ich meinen Würzburger Kollegen Eckard Amelingmeier, Anna Cord, Dorthée Kleinschrot, Reiner Klemd, Nikola Koglin, Uli Schüssler, Volker von Seckendorff, Thomas Will und Armin Zeh sowie Klaus Bente (Leipzig), Adi Bischof (Münster), Walter Borchardt-Ott (Münster/Altenberge), Paolo Forti (Bologna), Klaus Keil (Honolulu), Armin Kirfel (Bonn), Reinhard Kögler (Wunsiedel), Joachim Lorenz (Karlstein am Main), Bruce Marsh (Baltimore), Pete Mouginis-Mark (Honolulu), Lutz Nasdala (Wien), Cees Passchier (Mainz), Hans-Peter Schertl (Bochum), Esther Schmädicke (Erlangen) und Wolfgang Siebel (Tübingen) für wertvolle Anregungen und hilfreiche Diskussionen, für Abbildungsvorlagen und sonstige Hilfen. Ein besonderer Dank gilt wiederum Klaus-Peter Kelber (Würzburg) für die schönen Farbfotos sowie für die mühevolle Gestaltung der neuen Abbildungen, die ganz wesentlich zur Attraktivität dieser neuen Auflage beitragen. Franz Schwabenländer (Würzburg) danke ich für seine Hilfe bei vielfältigen Computer-Problemen. Den Verantwortlichen im Springer Verlag Dr. Chris Bendall, Janett Sterrit-Brunner und Dr. Wolfgang Witschel sei für die vertrauensvolle und konstruktive Zusammenarbeit herzlich gedankt. Mein besonderer Dank gilt Armin Stasch (Bayreuth), der das Layout des Buches wieder mit großem Können und Einfühlungsvermögen gestaltet hat. Schließlich möchte ich meiner Frau wiederum ein ganz herzliches Dankeschön sagen, die mir eine unverzichtbare Hilfe beim Korrekturlesen war. Sie hat der verstärkten Arbeitsbelastung im letzten Jahr stets liebevolles Verständnis entgegen gebracht. Ihr widme ich dieses Werk. Ich hoffe, dass auch die 8. Auflage des Matthes vielen Studierenden der Geowissenschaften ein nützlicher Begleiter sein wird, der ihnen Freude an Mineralen und Gesteinen vermittelt und ihnen hilft, gesteins- und lagerstättenbildende Prozesse im Zusammenhang mit der globalen Tektonik unserer Erde und der erdähnlichen Planeten zu verstehen. Ich würde mich freuen, wenn es meinen Kollegen bei der Vorbereitung ihrer Lehrveranstaltungen gute Dienste leistet. Schließlich wünsche ich mir, dass das Buch neue Freunde unter den Mineraliensammlern findet, die an einem tieferen Eindringen in mineralogische Sachverhalte und Probleme interessiert sind. Martin Okrusch Würzburg, im Juni 2009

9 Vorwort zur 7. Auflage Bereits drei Jahre nach ihrem Erscheinen war die 6. Auflage des Matthes vergriffen und der Verlag drängte auf die Vorbereitung einer Neuauflage. Das bot die Gelegenheit, den Inhalt des Lehrbuchs gründlich zu überarbeiten und an den modernen Wissensstand anzupassen. Die bewährte Gliederung in die Hauptteile Spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde sowie Stoffbestand und Bau von Erde und Mond blieb dabei erhalten. Allerdings schien es angezeigt, einige sehr umfangreiche Kapitel aufzuteilen, so dass das Buch jetzt aus 30 Kapiteln besteht. Die Mineralogie wurde an vielen Stellen inhaltlich erweitert; zahlreiche neue Abbildungen kamen hinzu; dem stehen Streichungen veralteter Passagen und Straffungen des Textes gegenüber. Das einführende Kapitel enthält jetzt Erklärungen zu wichtigen kristallographischen Grundbegriffen wie Kristallklasse, Bravais-Gitter und Miller sche Indizes, die für das Verständnis der Mineralbeschreibungen in Teil I notwendig sind; auch die Einführung zur Petrographie wurde etwas ausführlicher gestaltet. Die spezielle Mineralogie wurde, soweit erforderlich, aktualisiert, wobei kristallstrukturelle Gesichtspunkte und die technische Verwendung von mineralischen Rohstoffen stärkere Beachtung fanden. Darüber hinaus mussten einige wichtige Minerale, z. B. der Perowskit, zusätzlich aufgenommen werden. Wesentliche Erweiterungen erfuhren die Kapitel zum Vulkanismus und Plutonismus, zur Petrologie der Magmatite sowie zur Lagerstättenkunde. Es war an der Zeit, vom Niggli-Schema der magmatischen Erzlagerstätten, das uns Älteren vertraut und lieb geworden war, aber nicht mehr gültig ist, Abschied zu nehmen. Dadurch war es notwendig, die theoretischen Grundlagen der pegmatitischen und hydrothermalen Lagerstättenbildung neu darzustellen, obwohl gerade hier noch viele Fragen offen sind. Im Einklang mit der internationalen Lagerstättenforschung musste die pneumatolytische Phase aufgegeben werden. Bei der Beschreibung einzelner Lagerstättentypen wurden Lagerstätten von weltwirtschaftlicher Bedeutung stärker herausgestellt. Im Kapitel über Sedimente und Sedimentgesteine erfuhren die Karbonatgesteine, die wichtigen sedimentären Erzlagerstätten und die marinen Evaporite eine ausführlichere Darstellung. In den Kapiteln über Gesteinsmetamorphose wurde Wert darauf gelegt, die theoretischen Grundlagen der metamorphen Gefügeprägung und der metamorphen Mineralgleichgewichte etwas eingehender zu behandeln. Völlig neu gestaltet und erweitert wurden die Kapitel zum Aufbau des Erdinnern, zum Aufbau und Stoffbestand des Mondes sowie über Meteorite. Ein neues Kapitel zur Einführung in die Geochemie einschließlich der Isotopen-Geochemie rundet die neue Auflage des Matthes ab. Auch bei der Neugestaltung des Werkes sollte dem ursprünglichen Ansatz von Siegfried Matthes, ein Lehrbuch für das Grundstudium in Mineralogie zu schreiben, gefolgt werden, wobei allerdings der Text an einigen Stellen über diese Anforderungen hinausgeht. Für Geowissenschaftler anderer Vertiefungsrichtungen wie Sedimentologie, Ingenieurgeologie, Hydrogeologie, Paläontologie oder Geophysik sowie für Kristallographen und Materialwissenschaftler reicht der behandelte Stoff auch für das Hauptstudium aus. Es bleibt zu wünschen, dass der Matthes vielen Geowissenschaftlern in ihrem beruflichen Leben, aber auch mineralbegeisterten Laien als Nachschlagewerk gute Dienste tut. Voraussetzungen für ein erfolgreiches Arbeiten mit die-

10 X Vorwort zur 7. Auflage sem Buch sind Grundkenntnisse in Experimentalphysik, anorganischer und möglichst auch in physikalischer Chemie sowie in allgemeiner Geologie; für Studierende der Mineralogie ist ein tieferes Eindringen in die Kristallographie selbstverständlich. Auch jungen Geowissenschaftlern und interessierten Laien sind heute die Grundzüge der Plattentektonik bekannt. Auf die Zusammenhänge zwischen gesteinsbildenden Vorgängen und plattentektonischen Prozessen wird im Text immer wieder hingewiesen; auf ein eigenes Kapitel zur Plattentektonik wurde daher verzichtet. Das vorliegende Lehrbuch ist inhaltlich so weit gespannt, dass es für einen Autor nicht möglich ist, alle Kapitel mit gleicher Kompetenz zu behandeln. Zu bestimmten Fragestellungen habe ich daher den Rat von Fachkollegen eingeholt. Für wertvolle Hinweise, Anregungen und Abbildungsvorlagen danke ich meinen Würzburger Kollegen Eckard Amelingmeier, Roland Baumhauer, Sönke Brandt, Helga de Wall, Hartwig Frimmel, Frank Holzförster, Dorothée Kleinschrot, Reiner Klemd, Volker Lorenz, Reinhard Neder, Wolfgang Schubert, Bernhard Schulz, Uli Schüssler, Volker von Seckendorff, Thomas Will, Armin Zeh und Bernd Zimanowski sowie Hermann Bank (Idar-Oberstein), Adi Bischoff (Münster), Reinhard Boehler (Mainz), Ahmed El Goresy (Mainz), Birgit Gruner (Bonn), Wilhelm Heinrich (Potsdam), Friedhelm Henjes-Kunst (Hannover), Peter Herzig (Kiel), Gottfried Hirschmann (Hannover), Al Hofmann (Mainz), Francois Holtz (Hannover), Hans Kreuzer (Hannover), Peter Kukla (Aachen), Olaf Medenbach (Bochum), Knut Metzler (Münster), Thomas Oberthür (Hannover), Martin Pfleghaar (Heidenheim), Hans-Ulrich Schmincke (Kiel), Werner Schreyer (Bochum), Ludolf Schulz (Mainz), Fritz Seifert (Bayreuth), Hans-Adolf Seck (Köln), Dieter Stöffler (Berlin) und Eduard Woermann (Aachen). Zu besonderem Dank verpflichtet bin ich Eckard Amelingmeier, Reiner Klemd, Reinhard Neder, Uli Schüssler, Hans Adolf Seck (Köln) und Thomas Will, die einzelne Kapitel des Buches kritisch durchgelesen haben. Ihre konstruktive Kritik hat wesentlich zur Qualität des Werkes beigetragen für noch verbliebene Irrtümer und Unklarheiten trage ich jedoch allein die Verantwortung! Für Kritik, Anregungen und Verbesserungsvorschläge bin ich jederzeit dankbar. Ein herzlicher Dank und hohe Anerkennung gebührt wiederum Klaus-Peter Kelber für die mühevolle Reinzeichnung der neuen Abbildungen und die neuen Mikrofotos, wobei er meine Wünsche immer wieder verständnisvoll erfüllte. Großer Dank auch an Franz Schwabenländer für seine geduldige Hilfe bei vielfachen Computer-Problemen. Dr. Wolfgang Engel, Renate Schulz und Luisa Tonarelli vom Springer-Verlag (Heidelberg) danke ich sehr für die vertrauensvolle Zusammenarbeit, für Geduld und Verständnis. Große Freude hatte ich bei der Zusammenarbeit mit Armin Stasch (Bayreuth), der das gelungene Layout des Buches gekonnt und mit großem Einfühlungsvermögen besorgte herzlichen Dank dafür! Ein ganz besonderes Dankeschön möchte ich meiner Frau Irene sagen, die mir beim Korrekturlesen des Textes eine unverzichtbare Hilfe war und die mir liebevolles Verständnis für die verstärkte Arbeitsbelastung in den letzten beiden Jahren entgegengebracht hat. Ihr widme ich den neuen Text. Auch die 7. Auflage des Matthes übergebe ich in der Hoffnung, dass das Buch neue Freunde unter den Studierenden der Mineralogie, Geologie und anderer Geowissenschaften, aber auch unter interessierten Mineraliensammlern finden möge. In einer Zeit, in der sich die geowissenschaftlichen Studiengänge an den deutschen Universitäten im Umbruch befinden, möge das hier vorgelegte Werk dazu beitragen, dass die Mineralogie weiterhin als eigenständige Stimme im Gesamtkonzert der Geowissenschaften zu hören ist. Martin Okrusch Würzburg, im Januar 2005

11 Vorwort zur 1. Auflage Das vorliegende Buch ist eine Einführung in die Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde auf genetischer Grundlage. Es widmet sich dem speziellen Teil des Faches, wobei Grundkenntnisse aus dem allgemeinen Teil der allgemeinen Mineralogie und der Kristallographie vorausgesetzt werden. Darüber hinaus sind neben geologischen Kenntnissen Grundlagen der allgemeinen, anorganischen und physikalischen Chemie an vielen Stellen sehr nützlich. Im einleitenden Teil werden wichtige Begriffe erläutert und definiert. Im Teil I folgte eine Auswahl der häufigsten Minerale in übersichtlicher Form und in Anlehnung an die Systematik von H. Strunz. Teil II ist der Petrologie und Lagerstättenkunde gewidmet. Er gliedert sich: A in die magmatische Abfolge mit Systematik und Genese der magma-tischen Gesteine einschließlich der Mineral- und Lagerstättenbildung, die mit magmatischen Vorgängen im Zusammenhang steht, B in die sedimentäre Abfolge mit den Verwitterungsprodukten, Sedimenten und Sedimentgesteinen einschließlich der Mineral- und Lagerstättenbildung, C die Gesteinsmetamorphose einschließlich der Ultrametamorphose und der Metasomatose. Ein abschließender Teil III widmet sich dem Stoffbestand von Erde und Mond und in einem kurzen Abschnitt auch den Meteoriten. Den einschlägigen experimentellen Zustandsdiagrammen Ein-, Zwei- und Drei-Komponentensystemen wird der ihnen ihrer Bedeutung nach zukommende Raum gewährt. An allen möglichen Stellen finden sich Hinweise auf die technisch-wirtschaftliche Bedeutung der Minerale, Gesteine und Lagerstätten als Rohstoffe. Das Buch ist aus Vorlesungen und Übungen hervorgegangen, die der Verfasser im Laufe der Zeit seit 1950 an den Universitäten Frankfurt (M) und Würzburg durchgeführt hat. So ist der Inhalt des Buches in erster Linie den Bedürfnissen des Unterrichts an Universitäten und Hochschulen angepasst. Getroffene Auswahl und Umfang des Stoffes dieses speziellen Teiles des Faches entsprechen nach Ansicht des Verfassers weitgehend dem Lehrauftrag für das Grundstudium in Mineralogie. Für Studierende der Geologie und andere Studierende, die Mineralogie als Neben- bzw. Beifach wählen, dürfte das Buch auch bei den Anforderungen im Hauptstudium (Aufbaustudium) hilfreich sein. In allen Fällen kann es in Verbindung und zur Ergänzung von Vorlesungen und Übungen genutzt werden. Für das Weiterstudium und als Quellennachweis ist am Schluss des Buches ein Verzeichnis wichtiger Lehrbücher und Monographien aufgenommen worden. Das Buch richtet sich auch an diejenigen, die dem Fach Interesse entgegenbringen, um sich Grundkenntnisse zu erwerben oder es beruflich als Informationsquelle zu nützen. Verlag und Verfasser möchten glauben, dass das vorliegende Buch innerhalb des deutschsprachigen Schrifttums eine derzeit spürbare Lücke schließen hilft. Die Kristallbilder sind dem Atlas der Kristallformen von V. Goldschmidt, die Kristallstrukturen großenteils dem Strukturbericht entnommen und umgezeichnet worden. Die meisten Diagramme und Strichzeichnungen stammen aus dem zitierten Schrifttum, teilweise vereinfacht, andere ergänzt. Die Zahl der Autotypien wurde mit Rücksicht auf die Preisgestaltung des Buches niedrig gehalten.

12 XII Vorwort zur 1. Auflage Bei der Fertigung des Buches erfuhr ich aus dem hiesigen Institut mannigfaltige Hilfe. Herr Prof. Martin Okrusch übernahm die kritische Durchsicht des Manuskriptes. Seine Ratschläge wurden als substantielle Verbesserungen dankbar anerkannt. Darüber hinaus gewährte er mir freundliche Hilfe beim Lesen der Korrektur. Herr Klaus Mezger vom hiesigen Institut unterstützte mich bei der Fertigung des Registers. Herr Klaus-Peter Kelber hat sich mit der sorgfältigen Ausführung der Zeichnungen und allen Mineralfotos große Verdienste um das Buch erworben. Die Originalaufnahmen zu den Abbildungen 145 und 146 stellte Herr Prof. K. R. Mehnert, Berlin, freundlicherweise zum Abdruck zur Verfügung. Die Fotos der Abb. 92 und 93 stammen vom Verfasser. Meine Tochter Heike hatte die lästige Aufgabe der Reinschrift des Manuskriptes übernommen. Allen sei für die gewährte Hilfe herzlich gedankt! Schließlich habe ich dem Verlag für die jederzeit vertrauensvolle Zusammenarbeit, die Ausstattung des Buches und dessen erschwinglichen Preis zu danken, Herrn Dr. Konrad F. Springer für sein stets förderndes Interesse und Herrn Dr. Dieter Hohm für Mühewaltung und Umsicht während dieser Zusammenarbeit. Würzburg, im Sommer 1983 Siegfried Matthes

13 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Grundbegriffe Minerale Kristalle Kristallmorphologie Kristallstruktur Kristallchemie Kristallphysik Mineralarten und Mineralvarietäten Vorkommen der Minerale, speziell als Bestandteile der Erdkruste Gesteine Mineralinhalt Beziehungen zwischen chemischer Zusammensetzung und Mineralinhalt: Heteromorphie von Gesteinen Gefüge Geologischer Verband Mineral- und Erzlagerstätten Abgrenzung der gesteinsbildenden Vorgänge Mineralogische Wissenschaften und ihre Anwendungsgebiete in Technik, Industrie und Bergbau Biomineralisation und medizinische Mineralogie (unter Mitwirkung von Joachim A. Lorenz) Mineralbildung im Organismus Medizinische Mineralogie Bestimmung von Mineralen mit einfachen Hilfsmitteln Weiterführende Literatur Teil I Spezielle Mineralogie Eine Auswahl wichtiger Minerale Elemente Metalle Metalloide (Halbmetalle) Nichtmetalle Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Sulfide, Arsenide und komplexe Sulfide (Sulfosalze) Metall-Sulfide mit M:S > 1:1 (meist 2:1) Metall-Sulfide und -Arsenide mit M:S 1: Metall-Sulfide, -Sulfarsenide und -Arsenide mit M:S 1: Arsen-Sulfide Komplexe Metall-Sulfide (Sulfosalze) Weiterführende Literatur

14 XIV Inhaltsverzeichnis 4 Halogenide Weiterführende Literatur Oxide und Hydroxide M 2 O-Verbindungen M 3 O 4 -Verbindungen M 2 O 3 -Verbindungen MO 2 -Verbindungen Hydroxide Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Karbonate, Nitrate und Borate Calcit-Gruppe, 32/m Aragonit-Gruppe, 2/m2/m2/m Dolomit-Gruppe Azurit-Malachit-Gruppe Nitrate Borate Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Sulfate, Chromate, Molybdate, Wolframate Sulfate Chromate Molybdate und Wolframate Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Phosphate, Arsenate, Vanadate Weiterführende Literatur Silikate Inselsilikate (Nesosilikate) Gruppensilikate (Sorosilikate) Ringsilikate (Cyclosilicate) Ketten- und Doppelkettensilikate (Inosilikate) Pyroxen-Familie Pyroxenoide Amphibol-Familie Schichtsilikate (Phyllosilikate) Pyrophyllit-Talk-Gruppe Glimmer-Gruppe Hydroglimmer-Gruppe Sprödglimmer-Gruppe Chlorit-Gruppe Serpentin-Gruppe Tonmineral-Gruppe Apophyllit-Gruppe Gerüstsilikate (Tektosilikate) SiO 2 -Minerale Feldspat-Familie Feldspatoide (Foide, Feldspatvertreter) Skapolith-Gruppe

15 Inhaltsverzeichnis XV Zeolith-Familie Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Teil II Petrologie und Lagerstättenkunde Magmatische Gesteine (Magmatite) Einteilung und Klassifikation der magmatischen Gesteine Zuordnung nach der geologischen Stellung und dem Gefüge Klassifikation nach dem Mineralbestand Chemismus und CIPW-Norm Petrographie der Magmatite Subalkaline Magmatite Alkali-Magmatite Karbonatite, Kimberlite und Lamproite Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Vulkanismus Effusive Förderung: Lavaströme Extrusive Förderung Explosive Förderung Gemischte Förderung: Stratovulkane Vulkanische Dampftätigkeit Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Plutonismus Die Tiefenfortsetzung von Vulkanen Formen plutonischer und subvulkanischer Intrusivkörper Innerer Aufbau und Platznahme von Plutonen Interngefüge von Plutonen Mechanismen der Platznahme Layered Intrusions Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Magma und Lava Chemische Zusammensetzung und Struktur magmatischer Schmelzen Vulkanische Gase Magmatische Temperaturen Direkte Messungen Schmelzversuche an natürlichen Gesteinen Viskosität von Magmen und Laven Löslichkeit von leichtflüchtigen Komponenten im Magma Weiterführende Literatur Zitierte Literatur

16 XVI Inhaltsverzeichnis 15 Bildung und Weiterentwicklung von Magmen Magmatische Serien Bildung von Stamm-Magmen Basaltische Stamm-Magmen Granitische Magmen Magmenmischung Magmatische Differentiation Kristallisations-Differentiation Entmischung im schmelzflüssigen Zustand (liquide Entmischung) Assimilation Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Experimentelle Modellsysteme Die Gibbs sche Phasenregel Experimente in Zweistoff- und Dreistoffsystemen Experimente zur Kristallisationsabfolge basaltischer Magmen Experimente zur Bildung SiO 2 -übersättigter und SiO 2 -untersättigter Magmen Experimente zum Verhalten von Mafiten in basaltischen Magmen Das Reaktionsprinzip von Bowen Das Basalt-Tetraeder von Yoder und Tilley (1962) Gleichgewichtsschmelzen und fraktioniertes Schmelzen Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Die Herkunft des Basalts Basalte und Plattentektonik Bildung von Basalt-Magmen durch partielles Schmelzen von Mantelperidotit Das Pyrolit-Modell Partielles Schmelzen von H 2 O-freiem Pyrolit Partielles Schmelzen von H 2 O-haltigem Pyrolit Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Die Herkunft des Granits Genetische Einteilung der Granite auf geochemischer Basis Experimente zur Granitgenese Einführung Kristallisationsverlauf granitischer Magmen: Experimente im H 2 O-gesättigten Modellsystem Qz Ab Or H 2 O Experimentelle Anatexis: Experimente unter H 2 O-gesättigten und H 2 O-untersättigten Bedingungen im Modellsystem Qz Ab Or H 2 O Das Modellsystem Qz Ab An Or H 2 O Das Modellsystem Qz Ab An H 2 O Das natürliche Granitsystem Weiterführende Literatur Zitierte Literatur

17 Inhaltsverzeichnis XVII 19 Orthomagmatische Erzlagerstätten Einführung Lagerstättenbildung durch fraktionierte Kristallisation Chromit- und Chromit-PGE-Lagerstätten Fe-Ti-Oxid-Lagerstätten Lagerstättenbildung durch liquide Entmischung von Sulfid- und Oxid-Schmelzen Nickelmagnetkies-Kupferkies-PGE-Lagerstätten in Noriten und Pyroxeniten Nickelmagnetkies-Kupferkies-Lagerstätten in Komatiiten Magnetit-Apatit-Lagerstätten Erz- und Mineral-Lagerstätten in Karbonatit-Alkalimagmatit-Komplexen Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Pegmatite Theoretische Überlegungen Geologisches Auftreten und Petrographie von Pegmatiten Pegmatite als Rohstoffträger Genetische Klassifikation der Pegmatite Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Hydrothermale Erz- und Minerallagerstätten Grundlagen Hydrothermale Imprägnationslagerstätten Zinnerz-Lagerstätten Wolfram-Lagerstätten Molybdän-Lagerstätten Porphyry Copper Ores Imprägnationen mit ged. Kupfer (Typus Oberer See) Hydrothermale Verdrängungslagerstätten Skarnerz-Lagerstätten Mesothermale Kupfer-Arsen-Verdrängungs-Lagerstätten Hydrothermale Blei-Silber-Zink-Verdrängungslagerstätten Hydrothermale Gold-Pyrit-Verdrängungslagerstätten vom Carlin-Typ Metasomatische Siderit-Lagerstätten Metasomatische Magnesit-Lagerstätten Hydrothermale Erz- und Mineralgänge Orogene Gold-Quarz-Gänge Epithermale Gold- und Gold-Silber-Lagerstätten (subvulkanisch) Mesothermale Kupfererzgänge Blei-Silber-Zink-Erzgänge Zinn-Silber-Wismut-Erzgänge des bolivianischen Zinngürtels Wismut-Kobalt-Nickel-Silber-Uran-Erzgänge Telethermale Antimon-Quarz-Gänge Hydrothermale Siderit- und Hämatit-Erzgänge Nichtmetallische hydrothermale Ganglagerstätten Quarzgänge und hydrothermale Verkieselungen Alpine Klüfte

18 XVIII Inhaltsverzeichnis 21.5 Vulkanogen-sedimentäre Erzlagerstätten Rezente hydrothermale Erzbildung in der Tiefsee: Black Smoker Vulkanogene massive Sulfiderz-Lagerstätten (VMS-Lagerstätten) Vulkanogen-sedimentäre Quecksilbererz-Lagerstätten Vulkanogene Oxiderz-Lagerstätten Sedimentgesteins-gebundene hydrothermale Lagerstätten Sedimentär-exhalative Blei-Zink-Erzlagerstätten (Sedex-Lagerstätten) Karbonat-gebundene Erz- und Mineral-Lagerstätten Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Verwitterung und mineralbildende Vorgänge im Boden Mechanische Verwitterung Chemische Verwitterung Leicht lösliche Minerale Verwitterung der Silikate Subaerische Verwitterung und Klimazonen Zur Abgrenzung des Begriffs Boden Verwitterungsbildungen von Silikatgesteinen und ihre Lagerstätten Residualtone und Kaolin Bentonit Bauxit Fe- und Mn-reiche Laterite Ni-reiche Laterite Weitere Residual-Lagerstätten Verwitterung sulfidischer Erzkörper Oxidationszone Zementationszone Stabilitätsbeziehungen wichtiger Kupferminerale bei der Verwitterung Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Sedimente und Sedimentgesteine Grundlagen Einteilung der Sedimente und Sedimentgesteine Gefüge der Sedimente und Sedimentgesteine Klastische Sedimente und Sedimentgesteine Transport und Ablagerung des klastischen Materials Chemische Veränderungen während des Transports Korngrößenverteilung bei klastischen Sedimenten und ihre Darstellung Diagenese der klastischen Sedimentgesteine Einteilung der Psephite und Psammite Schwerminerale in Psammiten Fluviatile und marine Seifen Metallkonzentrationen in ariden Schuttwannen (Lagerstätten vom Red-Bed-Typ) Einteilung der Pelite Diagenese von Peliten Buntmetall-Lagerstätten in Schwarzschiefern Übergang von der Diagenese zur niedriggradigen Metamorphose

19 Inhaltsverzeichnis XIX 23.3 Chemische und biochemische Karbonatsedimente und -sedimentgesteine Einteilung der Karbonatgesteine Löslichkeit und Ausscheidungsbedingungen des CaCO Anorganische und biochemische Karbonat-Bildung im Meerwasser Bildung festländischer (terrestrischer) Karbonatsedimente Diagenese von Kalkstein Eisen- und Mangan-reiche Sedimente Ausfällung des Eisens und die Stabilitätsbedingungen der Fe-Minerale Sedimentäre Eisenerze Sedimentäre Manganerze Metallkonzentrationen am Ozeanboden Kieselige Sedimente und Sedimentgesteine Sedimentäre Phosphatgesteine Evaporite (Salzgesteine) Kontinentale (terrestrische) Evaporite Marine Evaporite Weiterführende Literatur Zitierte Literatur Metamorphe Gesteine Grundlagen Metamorphe Prozesse Ausgangsmaterial metamorpher Gesteine Abgrenzung der Gesteinsmetamorphose Auslösende Faktoren der Gesteinsmetamorphose Die Gesteinsmetamorphose als geologischer Prozess Kontaktmetamorphose Kataklastische Metamorphose und Mylonitisierung Schockwellen- oder Impakt-Metamorphose Hydrothermale Metamorphose Regionalmetamorphose in Orogenzonen Regionale Versenkungsmetamorphose Regionale Ozeanbodenmetamorphose Nomenklatur der regional- und kontaktmetamorphen Gesteine Regionalmetamorphe Gesteine Kontaktmetamorphe Gesteine Das Gefüge der metamorphen Gesteine Gefügerelikte Das kristalloblastische Gefüge Gefügeregelung bei metamorphen Gesteinen Bildung von Migmatiten durch partielle Anatexis Der Migmatitbegriff Experimentelle Grundlagen für die anatektische Bildung von Migmatiten Stoffliche Bilanz bei der Entstehung von Migmatiten Metasomatose Kontaktmetasomatose Autometasomatose Spilite als Produkte einer Natrium-Metasomatose Weiterführende Literatur Zitierte Literatur