Minerale und Gesteine

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1 Minerale und Gesteine Mineralogie - Petrologie - Geohemie von Gregor Markl, M Marks 2., neu bearb. u. erw. Aufl. Spektrum Akademisher Verlag 2008 Verlag C.H. Bek im Internet: ISBN Zu Inhaltsverzeihnis shnell und portofrei erhältlih bei bek-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 2 Allgemeine Mineralogie 2.1 Einführung DieMineralogieisteinesehralteWissenshaft, denn seit Menshen versuhen, aus Steinen Werkzeuge, Farben oder Metalle zu gewinnen, beshäftigen sie sih mit Mineralien. Dennoh tritt die Mineralogie im Leben eines heutigen Durhshnittsbürgers kaum in Ersheinung wer hat shon näher mit Mineralien und Gesteinen zu tun, außer wenn er einmal im Garten ein paar Steine aus dem Gemüsebeet klaubt?indershulehörtmandaswortniht ein einziges Mal, und so könnte man zu dem Shluss kommen, die Mineralogie sei heutzutage entbehrlih. Dies ist aber niht der Fall, wie dieses Kapitel zeigen wird: In einer modernen, auf stetig verbesserten Materialeigenshaften künstliher oder natürliher Werkstoffe aufbauenden Industriegesellshaft wie auhindenmodernengeowissenshaftensind die theoretishen Konzepte der Mineralogie und die angewendeten Analyseverfahren unverzihtbar. Denn was ist Mineralogie anderes als die Beshreibung, die Untersuhung, das theoretishe Verständnis und die Herstellung ursprünglih nur natürliher, inzwishen aber auh künstliher Feststoffe? Wenn wir heute über den Internbau von Kristallen, die färbenden Eigenshaften von Ionen in Feststoffen, die Korrosionsbeständigkeit von Materialien oder die geeigneten Prozesse zur Herstellung von Porzellan genau Besheid wissen, so wird dies zwarhäufigderphysikoderderchemie gutgeshrieben. Natürlih haben diese daran auh ihren Anteil, aber im Grunde waren diese Probleme immer mineralogisher Natur, und bevordiemineralogieausdershuleundaus den Curriula für Studenten der Chemie und Physik völlig vershwand, war dies auh allgemeines Wissen. Heuteumfasstdieinzwishenstarkquantitativ arbeitende, modellierende und analytish ausgerihtete Mineralogie nah wie vor das gesamte Feld von der Geländearbeit über experimentelle Untersuhungen zur Stabilität von Mineralen in Erdkruste, Erdmantel und seit wenigenjahren seitmanexperimentellsohohe Druke und Temperaturen erzeugen kann sogar im Erdkern bis zur Untersuhung, Charakterisierung und Entwiklung bekannter oder neuer Werkstoffe. Die Mineralogie bildet also diebrükezwishendergeologieaufdereinen und den Materialwissenshaften auf der anderen Seite. Sie untergliedert sih heute entsprehend in folgende Teilbereihe: Allgemeine Mineralogie mit dem Shwerpunkt auf der Chemie und Physik von Mineralen und auf der Kristallographie, die heutzutage selbst häufig in die Physik abgewandert ist und daher zwishen Geowissenshaften, Materialwissenshaften und Physik steht; Spezielle Mineralogie mit dem Shwerpunkt auf der Untersuhung und Neubeshreibung einzelner Mineralarten; Petrologie, Vulkanologie, Geohemie und Lagerstättenkunde sind die geländebezogenen, aber auh stark analytishen Teilgebiete der Mineralogie, die sih mit der Entstehung und Veränderung von Gesteinen, der Quantifizierung geodynamisher Prozesse, der Elementverteilung und -umverteilung in Gesteinen, der Datierung von Mineralen, Gesteinen und geologishen Prozessen sowie der Bildung von Erz- und Minerallagerstätten beshäftigen;

3 120 2 Allgemeine Mineralogie Die angewandte Mineralogie wendet mineralogishe Methoden (also z. B. Analytik, Thermodynamik von Mineralen, Kristallstrukturtheorie) auf industrielle Fragestellungen an, wobei die Untersuhung, Optimierung und Herstellung von Gläsern, Legierungen, Supraleitern, Halbleitern, Zement, Putz- und Estrihkomponenten oder keramishen Roh- und Werkstoffen von besonderer Bedeutung ist. Zur Untersuhung und Beshreibung neuer Mineralien, der speziellen Mineralogie, müssen noh einige ergänzende Worte gesagt werden. Damit niht jeder, der glaubt, etwas Neues gefunden zu haben, einfah ein neues Mineral definieren kann, gibt es eine Kommission der International Mineralogial Assoiation (IMA), die über die Anerkennung von neuen Mineralnamen entsheidet. Nur wenn Zusammensetzung, Struktur, Fundort und einige physikalishe Eigenshaften wie die Dihte bekannt sind, darf der Entdeker oder der bearbeitende Wissenshaftler einen Namen vorshlagen, der sih häufig auf den Fundort, die hemishe Zusammensetzung, verdiente Mineralogen, den Erstfinder oder eine besondere Eigenshaft bezieht (z.b. Hehtsbergit nah einem Fundort im Shwarzwald; Cualstibit für ein Cu-Al-Sb-Oxid aus der Grube Clara bei Wolfah; Graeserit nah dem Mineralogen Stefan Graeser aus Basel; Wilhelmvierlingit nah einem langjährigen Mineraliensammler in Ostbayern oder Magnetit für ein magnetishes Mineral). Die meisten Mineralnamenundalleheutzutagevergebenen enden auf it (englishe ite ). Neben diesen wissenshaftlihen Namen existieren aber leider,mussmanwohlsagen noheinevielzahl alter, z. T. sehr plastisher Bergmannsnamen wiez.b.zinkblendefürsphalerit,kupferkies für Chalkopyrit oder Shwerspat für Baryt sowie Unmengen an Varietätsnamen. Allein der als Edelstein geshätzte Beryll, ein Be-Al-Silikat, heißt Smaragd, wenn er grün ist, Aquamarin, wenn er hellblau gefärbt ist, Morganit ist die rote Varietät und Heliodor die gelbe! In der Universität ist die Mineralogie die Materialwissenshaft unter den Geowissenshaften, sodass heutzutage geowissenshaftlihe Fragestellungen meist durh Kombination von geologishen, mineralogishen und häufig auh geophysikalishen Methoden bearbeitet werden. Entsprehend der oben genannten Vielfalt arbeiten Mineralogen heute außer an Universitäten in einer Vielzahl von Industriebetrieben und Behörden, die mit der Entwiklung, Gewinnung oder Qualitätssiherung praktish aller denkbaren Feststoffe in Verbindung stehen, von geologishen Landesämtern bis hin zu Steinbruhbetrieben, von großen Glasherstellern bis zu Automobilzulieferern. Die Grundlage dafür ist das Verständnis anorganisher Materie, das im Folgenden gelegt werden soll. 2.2 Kristallgeometrie und Kristallmorphologie Symmetrien Jedem, der zum ersten Mal mit Kristallen zu tunhat,stehenihreperfektion,ihreformen, ihr Flähenreihtum und ihre Symmetrie ins Auge (Abb. 2.1). Die Flähen und die Symmetrien hängen direkt mit dem submikroskopishen Internbau von Mineralen zusammen, also mit der Anordnung von Atomen in ihrem Kristallgitter. Wir werden uns im Folgenden mit der Internstruktur und den daraus resultierenden Kristallsymmetrien beshäftigen, denn erst diese ermöglihen die genaue Beshreibung einer Substanz und ihre sihere Identifizierung. Darüber hinaus sind sie auh noh für vieleinteressanteeigenshaftenwiediedoppelbrehung oder die Piezoelektrizität verantwortlih. In diesem Zusammenhang ist der Begriff der Nah- und der Fernordnung von Bedeutung. Da bestimmte Anordnungen von Atomen besonders stabil sind, also energetish besonders günstig, werden sie in Kristallen bevorzugt. Das bringt im Endeffekt durh ständige räumlihe Wiederholung dieser Atomanordnungen die Symmetrien hervor. Dies bedeutet auh, dass

4 2.2 Kristallgeometrie und Kristallmorphologie Formen von Mineralen: O: Baryt- Kristalle von der Grube Clara bei Wolfah, Shwarzwald, BB: a. 40 m; U: nadelige Büshel des Ca-Mg-Arsenats Pikropharmakolith von der Grube Anton im Heubah bei Shiltah im Shwarzwald, BB a. 3 m. Kristalle eine Fernordnung aufweisen, dass also die Internstruktur am einen Ende des Kristalls genauso aussieht wie am anderen Ende des Kristalls. Besonders deutlih wird diese Eigenshaft im direkten Vergleih mit Materialien, die keine Fernordnung aufweisen, also z.b. Flüssigkeiten. In ihnen kann man nie siher sein, wie die Atome oder Moleküle ein paar Mikrometer entfernt von dem Ort, den man gerade betrahtet, angeordnet sind, da diese sih beliebig hin- und herbewegen können. Silikatshmelzen, auf die wir in Kapitel 3 eingehen werden, und Gläser besitzen eine gewisse Ordnung, z. B. enthalten sie bestimmte Silikatketten, doh auh diese können sih untershiedlih bewegen und anordnen. Hier spriht man von einer Nahordnung. Nun aber zur Kristallsymmetrie. Einer der wihtigsten Begriffe in diesem Zusammenhang ist die Symmetrieoperation, d.h. die Abbildung einer Kristallstruktur unter Beibehaltung aller Winkel und Abstände auf sih selbst. In Kristallen gibt es (Abb. 2.2 und 2.3): Spiegelungen; zwei-, drei-, vier- oder sehszählige Drehungen. Alle anderen Zählungen kommen in Kristallstrukturen niht vor. Offenbar hängt dies damit zusammen, dass mit 5- oder 7- zähligen Flähen oder Körpern, also Fünfoder Siebeneken zum Beispiel, eine Flähe bzw. ein Raum niht vollständig ausgefüllt werden kann und diese daher mit der Periodizität von Kristallstrukturen niht vereinbar sind;

5 122 2 Allgemeine Mineralogie Spiegelung Translation Gleitspiegelung zweizählige Drehung dreizählige Drehung vierzählige Drehung sehszählige Drehung 2.2 Symmetrieoperationen. Translationen (Vershiebungen); Gleitspiegelungen: Spiegelung und Translation werden miteinander verknüpft; Punktspiegelungen (Inversion): es wird niht an einer Linie, sondern an einem Punkt gespiegelt, was zur Folge hat, dass jede Kristallflähe eine parallele Komplementärflähe besitzt; Shraubungen: eine Verknüpfung von Drehung um und Translation entlang einer Shraubenahse; Drehinversionen: sie verknüpfen eine Drehung mit einer Punktspiegelung es entstehen identishe, aber niht mehr parallele Flähen wie bei der Inversion. Bei solhen Symmetrieoperationen gibt es Fixpunkte, also Punkte, die sih niht bewegen. Die Menge der Fixpunkte einer Symmetrieoperation bezeihnet man als ihr zugehöriges Symmetrieelement. Das können, entsprehend obigen Operationen, vershiedenzählige Drehpunkte sein (also Punkte, um die gedreht wird) oder eine Spiegellinie (Abb. 2.3). Translationen und streng genommen auh Gleitspiegelungen haben keine Symmetrieelemente, doh werden bei letzteren die Fixpunkte der zugehörigen Spiegelung als Gleitspiegellinie definiert. Die Kombination von Symmetrieelementen in einerkristallstrukturkannneuesymmetrien eröffnen. Dazu nur zwei Beispiele: WenneineStruktur2-und3-zähligeDrehpunkte enthält, so gibt es auh 6-zählige Drehpunkte, da 6 das kleinste gemeinsame Vielfahevon2und3ist. Shneiden sih zwei Spiegellinien unter einem Winkel von = 30, so ist auh die Drehung um den Winkel 2 = 60 um den Shnittpunkt der Spiegellinien eine Symmetrieoperation. Die Zähligkeit dieser Drehahse ist entsprehend 180 / = 6. Man erkennt dabei aber auh sofort, dass nur bestimmte Kombinationen erlaubt sein können, damit wieder erlaubte Symmetrieelemente entstehen. Eine Kombination von zwei Spiegelebenen, die sih unter 25 shneiden, wäre z.b. verboten, da eine unerlaubte Zähligkeit entstünde, nämlih 7,2. Ebenso kann eine Struktur niht 4- und 6-zählige Drehpunkte enthalten, da ja 12-zählige Symmetrien in Kristallen verboten sind.

6 2.2 Kristallgeometrie und Kristallmorphologie Im Text erklärte Symmetrieelemente, die die roten Punkte ineinander überführen Kristallgitter Will man die Translationssymmetrie von Kristallen anshaulih mahen, so verwendet man am besten die Beshreibung durh das Punktgitter. Definiert wird es als die Endpunkte der Translationsvektoren einer Struktur, wenn man diese von einem einzigen, beliebigen Punkt der Struktur ausgehen lässt. Dies ist in Abb. 2.4 veranshauliht. Man sieht, dass man ein gesamtes Kristallsystem auf diese Weise aufbauen kann, indem man von einem Anfangspunkt den vershiedenen Translationsvektoren folgt. Überträgt man das in Abb. 2.4 für den zweidimensionalen Fall gezeigte Verfahren auf den dreidimensionalen Fall, so kann man statt des

7 124 2 Allgemeine Mineralogie usw. 2.4 Aufbau eines Translationsgitters aus Gitterpunkten. 2.5 Aufbau eines Raumgitters aus Elementarzellen. Anfangspunktes ein Anfangsvolumen definieren (Abb. 2.5). Dieses Anfangsvolumen wird Elementarzelle genannt. Diese ist normalerweise die kleinste Einheit, durh deren Vershiebung entlang Translationsvektoren (die in diesem Fall kristallographishe Ahsen genannt werden) ein gesamtes Raumgitter ausgefüllt werden kann, wie es in Abb. 2.5 gezeigt wird. Eine Elementarzelle ist also ein dreidimensionales Parallelogramm, ein so genanntes Parallelepiped. Die Seitenbegrenzungen dieses 2.6 Die Wahl der geeigneten Elementarzelle: primitiv (A) oder raumzentriert (B). Epipeds sind gegeben durh die Gitterkonstanten. Diese Gitterkonstanten definieren die Ausdehnung der Elementarzelle in jeder Rihtung und die Winkel zwishen den Seiten. Will man also die Translationssymmetrie eines Punktgitters beshreiben, um z. B. röntgenographish Mineralstrukturen eindeutig bestimmen zu können, so verwendet man dazu die Elementarzelle. Sonderbarerweise hat man bei der Auswahl der Elementarzelle für ein gegebenes Punktgitter eine gewisse Auswahl (Abb. 2.6): die kleinste Elementarzelle ist bisweilen niht die praktishste und auh niht die höhst symmetrishe, und so wählt man dann statt einer primitiven Elementarzelle, dienur Gitterpunkte an ihren Eken hat (A in Abb. 2.6), eine zentrierte Elementarzelle (B in Abb. 2.6), die auh im Inneren einen Gitterpunkt enthält. Man legt also konventionellerweise den Ursprung der Elementarzelle in einen Punkt möglihst hoher Symmetrie. Die kristallographishen Ahsen werden laut Konvention mit den Buhstaben a, b und abgekürzt, die Winkel zwishen ihnen mit, g und +. Die -Ahse wird dabei meist vertikal ausgerihtet (Abb. 2.7), während a und b eine Flähe aufspannen. Die -Ahse ist daher häu-

8 2.2 Kristallgeometrie und Kristallmorphologie Kristallographishes Koordinatensystem. fig (aber niht immer!) parallel zur nadeligen oder stängeligen Form länglih ausgebildeter Minerale. Shließlih muss noh der Begriff der Netzebene eingeführt werden, da er im Folgenden von Bedeutung sein wird. Netzebenen sind Ebenen inderkristallstruktur,diedurhdieshwerpunkte von Atomen verlaufen. Zu jeder derartigen Netzebene gibt es natürlih in einem Kristall unendlih viele parallele Netzebenen in einem wohl definierten Abstand, die zusammen eine Netzebenenshar bilden (Abb. 2.8). Die makroskopish sihtbaren Flähen eines Kristalls werden von besonders stabilen Netzebenen gebildet, die meist diht mit Atomen besetzte Oberflähen darstellen. Diese stehen in einer einfahen geometrishen Beziehung zur Elementarzelle (z.b. parallel zu deren Seiten). Wir halten fest: Elementarzellen haben als Maße die Gitterkonstanten (Längen und Winkel), und sie werden entlang von kristallographishen Ahsen so vershoben, dass sie das gesamte dreidimensionale Gitter, also den Kristall, ausfüllen. Sie definieren somit durh diegitterkonstanteneinfüreinesubstanztypishes kristallographishes Koordinatensystem. Makroskopishe Kristalle erhält man durh unzähliges Aneinanderreihen von Elementarzellen, wobei allerdings der sihtbare Kristall kein Abbild der Elementarzelle sein muss (und auh nur selten ist), sondern lediglih mit erlaubten Symmetrieoperationen aus 2.8 Netzebenensharen in einem Punktgitter. ihr erzeugt wird. Identish sind also niht die Form, aber die Hauptsymmetrieelemente von Kristall und geshikt gewählter Elementarzelle. Wir kommen damit zu den Kristallsystemen, mit deren Hilfe man Kristalle shnell aufgrund ihrer häufig shon makroskopish erkennbaren Symmetrieeigenshaften einteilen kann Kristallsysteme Es gibt sieben Kristallsysteme, diedurhihre Symmetrien eindeutig voneinander untershieden werden: kubish, tetragonal, orthorhombish, hexagonal, trigonal, monoklin und triklin (Abb. 2.9 und 2.10). Wie oben erläutert, sind kristallographishe Koordinatensysteme definiert durh die Winkel und Kristallahsen der Elementarzelle. Besonders hohsymmetrishe Kristallsysteme (kubish, hexagonal) werden typisherweise von Verbindungen relativ einfaher hemisher Zusammensetzung bevorzugt, also zum Beispiel von Elementen und einfahen Sulfiden und Oxiden, während hemish komplizierte Minerale häufig in Systemen niedriger Symmetrie kristallisieren. Gesteinsbildende Silikate sind daher häufig mo-

9 126 2 Allgemeine Mineralogie kubish a b α = β = γ = 90 4 dreizählige Drehahsen tetragonal hexagonal b a a b α = β = γ = 90 α = β = 90, γ = vierzählige Drehahse 1 sehszählige Drehahse trigonal b a α = β = γ = 90 1 dreizählige Drehahse orthorhombish a b α = β = γ = 90 3 zweizählige Drehahsen monoklin triklin a a b b α = γ = 90, β = 90 α = β = γ = 90 1 zweizählige Drehahse Die Kristallsysteme und ihre kristallographishen Parameter. In rot ist das jeweilige kristallographishe Koordinatensystem eingezeihnet. noklinodertriklin.wiemandiegenauestruktur von Mineralien ermittelt, wird in Abshnitt beshrieben. Bevor wir mit der Besprehung der einzelnen Kristallsysteme beginnen, seien noh die wihtigsten Kristallformen, die gelegentlih im Text auftauhen, in einer Abbildung zusammengestellt(abb.2.11).diegestalteineskristalles nennt man übrigens seinen Habitus, der z.b. säulig, isometrish, nadelig oder tafelig sein kann, während die Gesamtheit der an einem Kristall entwikelten Flähen seine Traht genannt wird (Abb. 2.12). Das höhst-symmetrishe ist das kubishe System, das stets vier dreizählige Drehahsen aufweist, die parallel zu den Raumdiagonalen eines Würfels angeordnet sind. Hinzutreten können im kubishen System noh zwei- und vierzählige Drehahsen, Spiegelebenen und ein Punktsymmetriezentrum. Allerdings gibt es hier untershiedlihe Kristallklassen, dieneben den immer vorhandenen vier dreizähligen Drehahsen untershiedlihe Kombinationen, nureinzelneodersogarkeinederzusätzlihen Symmetrieelemente aufweisen können. Die Gitterparameter von kubishen Kristallen sind

10 2.2 Kristallgeometrie und Kristallmorphologie 127 (a) kubish Pyrit Granat (b) tetragonal Zirkon Anatas () orthorhombish Olivin Shwefel (d) hexagonal Beryll Nephelin (e) trigonal Quarz Calit (f) monoklin Klinopyroxen Gips 2.10 Beispiele von natürlihen Kristallen für die vershiedenen Kristallsysteme. (g) triklin Feldspat

11 128 2 Allgemeine Mineralogie tetragonales Prisma tetragonale Pyramide tetragonale Bipyramide hexagonales Prisma hexagonale Pyramide hexagonale Bipyramide trigonales Rhomboeder ditrigonale Bipyramide ditrigonales Skalenoeder Würfel (Hexaeder) Tetraeder Oktaeder Pentagondodekaeder Rhombendodekaeder Deltoidikositetraeder Tristetraeder Tetrakishexaeder Kuboktaeder 2.11 Nomenklatur von Kristallformen Habitus und Traht: die zwei linken Kristalle haben dieselbe Traht, aber untershiedlihen Habitus, der linke und der rehte Kristall haben denselben Habitus, aber untershiedlihe Traht. denkbar einfah: alle Kristallahsen sind gleih lang und alle Winkel betragen 90. Der einfahstekubishekörperistderwürfel,dane- ben gehören aber auh Oktaeder, Tetraeder und Rhombendodekaeder zu diesem Kristallsystem (Abb. 2.10a). Häufige oder bekannte Minerale (was ja leider niht immer dasselbe ist), die im kubishen System kristallisieren, sind Diamant, Gold, Zinkblende, Bleiglanz, Granat, Magnetit und Pyrit. Das nähste niedriger-symmetrishe System ist das tetragonale, dasaberindernaturniht sehr verbreitet ist. Minerale wie Zirkon, Rutil oder Anatas bilden Dipyramiden oder Säulen im tetragonalen System (Abb. 2.10b). Wiederum sind alle Gitterwinkel 90. Zwei der Kristallahsen sind gleih lang, die dritte jedoh hat eine untershiedlihe Länge. Somit tritt als Hauptsymmetrieelement nur noh eine vierzählige Drehahse auf, neben potenziell

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