Siegfried Matthes MINERALOGIE Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde Sechste, völlig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 185 Abbildungen, 2 Tafeln und 42 Tabellen
Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und Grundbegriffe 1 1.1 Der Mineralbegriff 1 1.2 Mineralarten und Mineralvarietäten 4 1.3 Vorkommen der Minerale, speziell als Bestandteile der Erdkruste 4 1.4 Der Gesteinsbegriff 6 1.5 Mineral- und Erzlagerstätten 7 1.6 Mineralogische Wissenschaften 7 1.7 Anwendungsgebiete der Mineralogie in Technik, Industrie und Bergbau. 8 1.8 Bestimmung von Mineralen mit einfachen Hilfsmitteln 9 Teil I Spezielle Mineralogie Zur Systematik der Minerale 13 2 Elemente 15 2.1 Metalle 15 2.2 Semimetalle (Metalloide, Halbmetalle) 22 2.3 Nichtmetalle 23 2.3.1 Diamant und Graphit 25 2.3.1.1 Stabilität von Diamant und Graphit 29 3 Sulfide, Arsenide und komplexe Sulfide (Sulfosalze) 31 3.1 Metallische Sulfide mit Me:S > 1:1 32 3.2 Metallische Sulfide und Arsenide mit Me:S =1:1 34 3.3 Metallische Sulfide, Sulfarsenide und Arsenide mit Me:S ^1:2 41 3.4 Komplexe Sulfide (Sulfosalze) 49 3.4.1 Fahlerzreihe 50 3.5 Nichtmetallische Sulfide 52 4 Oxide und Hydroxide 55 4.1 X 2 0-Verbindungen 56 4.2 X 2 0 3 -Verbindungen 56 4.3 X0 2 -Verbindungen 59 4.3.1 Die Quarz-Gruppe und andere Si0 2 -Minerale 59 4.3.1.1 Einiges über ihre Kristallstrukturen 59 4.3.1.2 Die Phasenbeziehungen im System Si0 2 60
XIV Inhaltsverzeichnis 4.3.1.3 Tief-Quarz 64 4.3.1.4 Hoch-Quarz 69 4.4 XY 2 0 4 -Verbindungen: Die Spinell-Magnetit-Chromit-Gruppe 75 4.5 Hydroxide 77 5 Halogenide 79 6 Karbonate..._. 83 6.1 Die Calcitreihe, 32/m 84 6.2 Die Aragonitreihe, 2/m2/m2/m 89 6.3 Die Dolomitreihe 93 6.4 Malachit-Azurit-Gruppe 95 7 Sulfate und Wolframverbindungen 97 7.1 Sulfate 98 7.2 Wolframverbindungen 101 8 Phosphate, Arsenate, Vanadate 105 9 Silikate 109 9.1 Nesosilikate (silikatische Inselstrukturen) 113 9.1.1 Die Al 2 Si0 5 -Gruppe 119 9.2 Sorosilikate (silikatische Gruppenstrukturen) 123 9.3 Cyclosilikate (silikatische Ringstrukturen) 125 9.4 Inosilikate (Ketten- und Doppelkettensilikate) 128 9.4.1 Die Pyroxen-Gruppe 129 9.4.2 Die Amphibol-Gruppe 137 9.4.2.1 Anthophyllit und Cummingtonit-Grünerit-Reihe 138 9.4.2.2 Tremolit-Ferroaktinolith-Reihe 138 9.4.2.3 Natronamphibolreihe 140 9.5 Phyllosilikate (Schicht- bzw. Blattsilikate) 140 9.5.1 Talk-Pyrophyllit-Gruppe 142 9.5.2 Glimmer-Gruppe 144 9.5.3 Chlorit-Gruppe 146 9.5.4 Serpentin-Gruppe 146 9.5.5 Tonmineral-Gruppe 148 9.6 Tektosilikate (silikatische Gerüststrukturen) 150 9.6.1 Die Feldspäte 151 9.6.1.1 Das System der Feldspäte 151 9.6.1.2 Die bekanntesten Zwillingsgesetze der Feldspäte 159 9.6.1.3 Die Alkalifeldspäte (K,Na) [AlSi 3 0 8 ] 161 9.6.1.4 Die Plagioklase 164 9.6.2 Feldspatoide (Foide, Feldspatvertreter) 166 9.6.2.1 Feldspatoide ohne tetraederfremde Anionen 166 9.6.2.2 Feldspatoide mit tetraederfremden Anionen: Sodalithreihe 168 9.6.3 Die Zeolith-Gruppe 169 10 Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen 173
Inhaltsverzeichnis XV Teil II Petrologie und Lagerstättenkunde 11 Die magmatische Abfolge 183 11.1 Die magmatischen Gesteine (Magmatite) 183 11.1.1 Einteilung und Klassifikation der magmatischen Gesteine... 184 11.1.1.1 Zuordnung nach der geologischen Stellung 184 11.1.1.2 Zuordnung nach dem Gefüge 185 11.1.1.3 Klassifikation nach dem Mineralbestand 185 11.1.1.4 Chemismus, CIPW-Norm und NiGGLi-Werte 190 11.1.2 Die Petrographie der Magmatite 196 11.1.2.1 Die Kalkalkalimagmatite 196 11.1.2.2 Die Alkalimagmatite 206 11.1.2.3 Karbonatite und lamprophyrartige Gesteine 210 11.1.2.4 Häufigkeit der magmatischen Gesteine 212 11.1.2.5 Pyroklastische Gesteine (Pyroklastika) 212 11.1.3 Die geologischen Körper der magmatischen Gesteine 215 11.1.3.1 Einteilung der Vulkane 215 11.1.4 Magma und Lava 219 11.1.4.1 Die Viskosität der Lava 220 11.1.4.2 Temperaturen der Laven und der Magmen der Tiefe 222 11.1.4.3 Die Gase im Magma 223 11.1.5 Die magmatische Differentiation 224 11.1.5.1 Die gravitative Kristallisationsdifferentiation 224 11.1.5.2 Das Reaktionsprinzip von BOWEN 225 11.1.6 Magmenbildung 229 11.1.6.1 Magmatische Kristallisationsdifferentiation 229 11.1.6.2 Aufschmelzung 231 11.1.6.3 Kontamination 232 11.1.6.4 Magmenmischung 233 11.1.6.5 Entmischung im schmelzflüssigen Zustand 233 11.1.7 Die experimentellen Modellsysteme 233 11.1.7.1 Das System Diopsid - Anorthit 234 11.1.7.2 Das System Diopsid - Anorthit - Albit 236 11.1.7.3 Das System Diopsid - Forsterit - Si0 2 240 11.1.8 Die Herkunft des Basalts 243 11.1.8.1 Das Basalttetraeder von YODER und TILLEY 243 11.1.8.2 Die globale Verbreitung der Basalte 245 11.1.8.3 Die Bildung basaltischer Schmelzen aus Mantelperidotit 246 11.1.8.4 Die geologischen Beziehungen des Basalts zum Oberen Erdmantel 247 11.1.9 Die Herkunft des Granits 250 11.1.9.1 Genetische Einteilung der Granite auf geochemischer Basis... 250 11.1.9.2 Zur Granitgenese, experimentelle Grundlagen 252 11.1.9.3 Zur Entstehung nichtmagmatischer Granite 263 11.2 Mineral- und Lagerstättenbildung, die mit magmatischen Vorgängen im Zusammenhang steht 264 11.2.1 Zustandsdiagramm der magmatischen Abfolge 264
XVI Inhaltsverzeichnis 11.2.2 Das magmatische Frühstadium 267 11.2.2.1 Gravitative Kristallisationsdifferentiation und Akkumulation.. 267 11.2.2.2 Liquation, Entmischung von Sulfidschmelzen 268 11.2.2.3 Liquation unter Beteiligung leichtflüchtiger Komponenten... 271 11.2.3 Das magmatische Hauptstadium 271 11.2.4 Das pegmatitische Stadium 271 11.2.5 Das pneumatolytische (hypothermale) Stadium 274 11.2.5.1 Die pneumatolytischen Zinnerzlagerstätten 275 11.2.5.2 Die pneumatolytischen Wolframlagerstätten 278 11.2.5.3 Die pneumatolytischen Molybdänlagerstätten 278 11.2.5.4 Kontaktpneumatolytische Verdrängungslagerstätten 279 11.2.6 Das hydrothermale Stadium 279 11.2.6.1 Einteilung der hydrothermalen Bildungen 280 11.2.6.2 Intrakrustale hydrothermale Lagerstätten 281 11.2.6.3 Katathermale Paragenesengruppen 284 11.2.6.4 Mesothermale Paragenesengruppen 288 11.2.6.5 Epithermale Paragenesengruppen 292 11.2.6.6 (Tele)thermale Paragenesengruppen 293 11.2.6.7 Nichtmetallische hydrothermale Lagerstätten 295 11.2.7 Mineralbildende Vorgänge, die genetisch zum Vulkanismus gehören 297 11.2.7.1 Spät- und nachvulkanisches Stadium 297 11.2.7.2 Die Produkte der Fumarolen 297 11.2.7.3 Vulkanosedimentäre Lagerstätten 298 12 Die sedimentäre Abfolge, Sedimente und Sedimentgesteine 301 12.1 Die Verwitterung und die mineralbildenden Vorgänge im Boden 301 12.1.1 Die mechanische Verwitterung 301 12.1.2 Die chemische Verwitterung 302 12.1.2.1 Die Agenzien der chemischen Verwitterung 302 12.1.2.2 Das Verhalten ausgewählter Minerale bei der chemischen Verwitterung 303 12.1.3 Subaerische Verwitterung und Klimazonen 307 12.1.4 Zur Abgrenzung des Begriffs Boden 308 12.1.5 Verwitterungsbildungen, Verwitterungslagerstätten 308 12.1.5.1 Residualtone, Kaolin 308 12.1.5.2 Bentonit und seine Verwendung 309 12.1.5.3 Bauxit und seine Vorkommen 309 12.1.5.4 Laterit und Basalteisenstein 310 12.1.5.5 Nickelhydrosilikaterze 311 12.1.5.6 Metallkonzentrationen in ariden Schuttgesteinen 311 12.1.5.7 Die Verwitterung sulfidischer Erzkörper 312 12.1.5.8 Mineralneubildungen innerhalb der Oxidationszone von Erzkörpern 316 12.2 Sedimente und Sedimentgesteine 317 12.2.1 Grundlagen 318 12.2.1.1 Einteilung der Sedimente und Sedimentgesteine 318
Inhaltsverzeichnis XVII 12.2.1.2 Das Gefüge der Sedimente und Sedimentgesteine 318 12.2.2 Die klastischen Sedimente und Sedimentgesteine 319 12.2.2.1 Transport und Ablagerung des bei der Verwitterung entstandenen klastischen Materials 320 12.2.2.2 Chemische Veränderungen während des Transports 321 12.2.2.3 Metallkonzentrationen am Ozeanboden 321 12.2.2.4 Korngrößenverteilung bei klastischen Sedimenten und ihre Darstellung 321 12.2.2.5 Diagenese der klastischen Sedimentgesteine 322 12.2.2.6 Konkretionen als Bestandteile pelitischer Sedimentgesteine 325 12.2.2.7 Einteilung der Psephite und Psammite 325 12.2.2.8 Schwerminerale in den Psammiten 328 12.2.2.9 Fluviatile und marine Seifen 329 12.2.2.10 Einteilung der Pelite 331 12.2.2.11 Diagenese von silikatischen Stäuben und Schlämmen zu Silt- und Tonsteinen 333 12.2.2.12 Das Spätstadium der Diagenese, Übergang zur niedriggradigen Metamorphose 334 12.2.3 Die chemischen Sedimente (Ausscheidungssedimente) 334 12.2.3.1 Die karbonatischen Sedimente und Sedimentgesteine 335 12.2.3.2 Die eisenreichen Sedimente und sedimentären Eisenerze 339 12.2.3.3 Kieselige Sedimente und Sedimentgesteine 341 12.2.3.4 Sedimentäre Phosphatgesteine 343 12.2.3.5 Evaporite (Salzgesteine) 344 13 Die Gesteinsmetamorphose 351 13.1 Grundlagen 351 13.1.1 Abgrenzung der Metamorphose von der Diagenese 351 13.1.2. Zur Kennzeichnung metamorpher Produkte 352 13.1.3 Auslösende Faktoren 352 13.1.3.1 Temperatur und Druck 352 13.1.3.2 Herkunft der thermischen Energie 352 13.1.3.3 Die Wirkung des Drucks 353 13.1.3.4 Die Rolle des Chemismus 355 13.1.3.5 Die retrograde Metamorphose 355 13.2 Das geologische Auftreten der Gesteinsmetamorphose und ihrer Produkte 356 13.2.1 Die Kontaktmetamorphose und ihre Gesteinsprodukte 356 13.2.1.1 Die Kontaktmetamorphose an Plutonen 356 13.2.1.2 Die Kontaktmetamorphose an magmatischen Gängen und Lagergängen 361 13.2.2 Die Dislokationsmetamorphose (Dynamometamorphose) und ihre Gesteinsprodukte 362 13.2.3 Die Regionalmetamorphose und ihre Gesteinsprodukte 364 13.2.3.1 Die regionale Versenkungsmetamorphose 364
XVIII Inhaltsverzeichnis 13.2.3.2 Die thermisch-kinetische UmkristaHisationsmetamorphose (Thermodynamometamorphose) (Regionalmetamorphose in Orogenzonen) 365 13.2.4 Die Ocean-floor(Ozeanboden)-Metamorphose 366 13.3 Auswahl wichtiger metamorpher Gesteine 366 13.3.1 Kontaktmetamorphe Gesteine 367 13.3.2 Gesteinsprodukte der Dislokationsmetamorphose 368 13.3.3 Gesteinsprodukt der Schockmetamorphose (Stoßwellenmetamorphose) 368 13.3.4 Gesteinsprodukte der Regionalmetamorphose 368 13.4 Zuordnungsprinzipien der metamorphen Gesteine 374 13.4.1 Die Zoneneinteilung nach BARROW und TILLEY 374 13.4.2 Die Zoneneinteilung nach BECKE, GRUBENMANN und GRUBENMANN und NIGGLI 374 13.4.3 Das Prinzip der Mineralfacies nach ESKOLA 375 13.5 Gleichgewichtsbeziehungen in metamorphen Gesteinen 376 13.5.1 Die Feststellung des thermodynamischen Gleichgewichts... 376 13.5.2 GIBBS - Phasenregel und die mineralogische Phasenregel von GOLDSCHMIDT 377 13.6 Beispiele experimentell untersuchter metamorpher Reaktionen 379 13.6.1 Die Wollastonitreaktion 379 13.6.2 Entwässerungsreaktionen 382 13.6.3 Polymorphe Umwandlungen und Reaktionen ohne Entbindung einer fluiden Phase 384 13.7 Graphische Darstellung metamorpher Mineralparagenesen 386 13.7.1 ACF- und A'KF-Diagramme 386 13.7.2 AFM-Diagramm 389 13.8 Klassifikation der metamorphen Gesteine nach ihrer Mineralfacies... 392 13.8.1 Die Faciesserien 393 13.8.2 Die metamorphen Facies 395 13.8.2.1 Zeolith- und Prehnit-Pumpellyitfacies 395 13.8.2.2 Grünschieferfacies 396 13.8.2.3 Epidot-Amphibolitfacies 399 13.8.2.4 Amphibolitfacies 400 13.8.2.5 Granulitfacies 402 13.8.2.6 Hornfelsfacies 404 13.8.2.7 Sanidinitfacies 406 13.8.2.8 Glaukophanschieferfacies 406 13.8.2.9 Eklogitfacies 408 13.8.2.10 Höchstdruckparagenesen 409 13.9 Einteilung nach Reaktionsisograden 410 13.10 Hochdruckminerale als Geobarometer 412 13.11 Druck-Temperatur-Zeit-Pfade 415 13.12 Gefügeeigenschaften und Gefügeregelung der metamophen Gesteine... 418 13.12.1 Das kristalloblastische Gefüge 418 13.12.2 Die Gefügeregelung der metamorphen Gesteine 419 13.12.2.1 Grundbegriffe 419
Inhaltsverzeichnis XIX 13.12.2.2 Kornregelung 419 13.12.2.3 Das Gefügediagramm 421 13.12.2.4 Haupttypen der Regelung 422 13.12.2.5 Homogene und nicht homogene Verformung 423 13.13 Ultrametamorphose und die Bildung von Migmatiten 426 13.13.1 Der Migmatitbegriff 426 13.13.2 Die Bildung von Migmatiten, experimentelle Grundlagen... 428 13.13.3 Die stoffliche Bilanz bei der Entstehung von Migmatiten 431 13.14 Metasomatose 431 13.14.1 Kontaktmetasomatose 432 13.14.2 Autometasomatose 434 13.14.3 Die Spilite als Produkte einer Natronmetasomatose 435 13.14.4 Die metasomatische Bildung granitischer Gesteine 436 Teil IM Stoffbestand und Bau von Erde und Mond 14 Die Erde 441 14.1 Der Schalenbau 441 14.2 Physikalische Eigenschaften und Alter 443 14.3 Die Erdkruste 444 14.3.1 Die kontinentale Erdkruste 444 14.3.2 Die ozeanische Erdkruste 446 14.4 Der Erdmantel 447 14.4.1 Der Obere Erdmantel 447 14.4.2 Die Übergangszone 449 14.4.3 Der Untere Erdmantel 451 14.5 Der Erdkern 452 15 Magmatismus, erzbildende Prozesse und Plattentektonik 453 15.1 Zur Theorie der Plattentektonik 453 15.2 Platten, Plattenbewegungen und Plattengrenzen 453 15.3 Der Magmatismus der mittelozeanischen Rücken 457 15.4 Der ozeanische Intraplattenmagmatismus außerhalb der mittelozeanischen Rücken 459 15.5 Der Magmatismus der Inselbögen und instabilen Kontinentalränder... 460 15.6 Die kontinentalen Plateaubasalte (Trappbasalte, continental flood basalts). 462 15.7 Der intrakontinentale Alkalimagmatismus an Riftzonen 462 15.8 Die intrakontinentalen Kimberlit-Pipes 463 15.9 Der Magmatismus der alten Schilde 463 16 Aufbau und Stoff bestand des Monds 467 16.1 Die Kruste des Monds 467 16.1.1 Die Hochlandregion 468 16.1.2 Die Region der Maria 468 16.1.3 Die Minerale der Mondgesteine 469 16.1.4 Bedeutung für unsere Vorstellungen zur Erdentstehung 469
XX Inhaltsverzeichnis 17 Die Meteorite 471 17.1 Einteilung der Meteorite 471 Anhang 473 Literatur- und Quellenverzeichnis 477 Sachverzeichnis 485