Gesteins Bestimmung

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bungen zur Mineral- und Gesteinsbestimmungfr Studierende der Geologie und der Mineralogie

Schriftgranit aus Sdnorwegen

H.-G. Stosch1, R. Hollerbach2, J.-D. Eckhardt1 und R. Kleinschrodt2

1

Institut fr Mineralogie und Geochemie (IMG) Universitt Karlsruhe (TH) Kaiserstr. 12, D-76131 Karlsruhe2

Institut fr Mineralogie und Geochemie Universitt zu Kln Zlpicher Str. 49b, D50674 Kln

letztmals gendert am 24.10.03

Inhaltsverzeichnis Minerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Atome und Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Mineral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Kristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Mineralart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Mineralvariett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Gestein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Paragenese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Dimorphie Polymorphie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Isomorphie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Isotypie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Diadochie, Ionische Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Pseudomorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Paramorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Enantiomorphie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Tracht Habitus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Glanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Strich, Strichfarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Hrte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bruchverhalten und Spaltbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Kornform, Kristallform, Kristallsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Andere physikalische und chemische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Mineralklassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Strukturtypen der Silikate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Inselsilikate (Ortho-, Nesosilikate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Gruppensilikate (Sorosilikate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Ringsilikate (Cyclosilikate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Ketten- und Bndersilikate (Inosilikate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Schichtsilikate (Phyllosilikate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Gerstsilikate (Tektosilikate). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Oxide und Hydroxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Karbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Halogenide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Sulfate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Sulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

I

Inhaltsverzeichnis Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Was ist ein Gestein? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Magmatische Gesteine (Magmatite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Sedimentre Gesteine (Sedimente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Metamorphe Gesteine (Metamorphite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Bestimmungsschema fr Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Grobeinteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Magmatit? Kriterien:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Sediment? Kriterien: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Metamorphit? Kriterien:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Feineinteilung der Magmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Plutonite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Vulkanite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Feineinteilung der Sedimente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Feineinteilung der Metamorphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Verwendung von Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Ergnzungen zur Symmetrielehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Mineralbestimmungstabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A

II

Mineral- und Gesteinsbestimmung

VorbemerkungDieses Skript soll Ihnen als Leitfaden zum selbstndigen Arbeiten in den bungsstunden und zum Wiederholen und Nachschlagen daheim dienen. Es baut auf einer Vorlage auf, die von R. Altherr (jetzt Universitt Heidelberg) und A. Kalt (jetzt Universitt Neuchtel/Schweiz) verfat und dankenswerterweise zur Verfgung gestellt wurde; der grte Teil des Textes stammt aus dieser Vorlage! Dieses Skript wendet sich an Erstsemester der Studiengnge Geologie und Mineralogie. Wir haben zwar versucht, den Stoff mglichst einfach darzustellen, auf die Verwendung von Begriffen aus der Kristallographie, Kristallchemie und Petrologie konnte allerdings nicht verzichtet werden. Die Identizierung von Gesteinen und Mineralen stellt sicherlich keine besondere geistige Herausforderung an Sie, erfordert aber ein Training durch huges Betrachten des Anschauungsmaterials. Literaturhinweise: 1. C. Klein & C.S. Hurlbut, Jr. (2001) Manual of Mineral Science (frher: Manual of Mineralogy), 22. Auage sehr zu empfehlen; viele der Skizzen von Kristallen wurden diesem Buch mit Modizierungen entlehnt. Das Buch enthlt eine CD mit Lernmaterial. John Wiley & Sons, New York, 656 Seiten [ca. 103 US-$].2. 3. 4.

5.

6. 7.

8.

9. 10.

11. 12.

W. Maresch, U. Medenbach & H.D. Trochim (1996) Gesteine, Mosaik Verlag GmbH, Mnchen, 287 Seiten [16.90 DM] unvernderter Nachdruck der Auage von 1987 [vergriffen]; O. Medenbach & C. Sussieck-Fornefeld (1996) Mineralien, Mosaik-Verlag GmbH, Mnchen, 287 Seiten [16.90 DM] unvernderter Nachdruck der Auage von 1982 [vergriffen]; C.C. Plummer, D. McGeary & D.H. Carlson (1999) Physical Geology, 8. Auage, Wm. C. Brown Publishers/Times Mirror, 539 Seiten [85 US-$] inklusive CD ROM Interactive Plate Tectonics und einem Arbeitsheft; F. Press & R. Siever (1997) Understanding Earth, W.H. Freeman & Company, New York, 752 Seiten [77 US-$] in zumeist vernderter Form stammen die Abbildungen 25 bis 31 und 32 aus diesem Werk. In deutscher bersetzung erschienen als Allgemeine Geologie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995, 608 Seiten, [50 ]. P. Ramdohr & H. Strunz (1978) Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 876 Seiten [vergriffen]; H.J. Rsler (1991) Lehrbuch der Mineralogie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 844 Seiten [30 ]; unvernderter Nachdruck dieses klassischen Lehrbuchs der Speziellen Mineralogie in der Auage von 1979; P. Rothe (2002) Gesteine, Entstehung Zerstrung Umbildung, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 192 Seiten [40 , 30 fr Mitglieder] prozeorientiertes und sehr schn illustriertes Buch fr den interessierten Laien und Studienanfnger; fr die Gesteinsbestimmung aber nicht geeignet. Gemessen am Umfang leider etwas teuer geraten. W. Schumann (2003) Mineralien, Gesteine Merkmale, Vorkommen und Verwendung, BLV Verlagsgesellschaft Mnchen, 127 Seiten [7.10 ] knapp gehaltenes Bestimmungsbuch; W. Schumann (2002) Der neue BLV Steine- und Mineralienfhrer, BLV Verlagsgesellschaft Mnchen, 383 Seiten [23.80 ] Bestimmungsbuch mit ber 600 Farbaufnahmen; leider ist die Farbreproduktion vieler Stcke unbefriedigend. B.J. Skinner & S.C. Porter (1999) The Dynamic Earth, 4. Auage, John Wiley & Sons, New York [ca. 120 US-$], 640 Seiten Abbildungen 29 und 43 wurden diesem Buch entlehnt. E.J. Tarbuck & F.K. Lutgens (2000) Earth Science, 9. Auage, Prentice-Hall, Upper Saddle River/ New Jersey, 672 Seiten [83 US-$] ein hervorragend illustriertes Buch fr Anfnger.

1

Minerale

1.0

MineraleDieses Kapitel hat die Bestimmung von Mineralen anhand ihrer physikalischen (teilweise auch chemischen) Eigenschaften zum Ziel. Hierzu sind zunchst einige theoretische Kenntnisse notwendig, die in den folgenden Abschnitten vermittelt werden.

1.1

Atome und IonenEs gibt 83 natrlich vorkommende Elemente [die Elemente mit den Ordnungszahlen 1 (H) 83 (Bi) mit Ausnahme von Tc (Ordnungszahl 43) und Pm (61) plus die Elemente Th (Ordnungszahl 90) und U (Ordnungszahl 92)]; weitere 7 Elemente kommen nur in verschwindend geringen Mengen in den radioaktiven Zerfallsreihen von U und Th vor (Elemente mit den Ordnungszahlen 84 89 und 91); zum Aufbau der meisten Minerale und Gesteine sind jedoch lediglich 8 Elemente von grerer Bedeutung. Tabelle 1 fat diese Elemente mit ihren chemischen Symbolen und ihren Gewichts- und Volumenanteilen in der Erdkruste zusammen:

TABELLE 1

Die acht hugsten Elemente der Erdkruste ElementSauerstoff Silizium Aluminium Eisen Calcium Natrium Kalium Magnesium Summe:

Chemisches SymbolO Si Al Fe Ca Na K Mg

Wertigkeit2 4+ 3+ 2+, 3+ 2+ 1+ 1+ 2+

Gew.% in der Erdkruste46.6 27.7 8.1 5.0 3.6 2.8 2.6 2.1 98.5

Vol% in der Erdkruste93.8 0.86 0.47 0.4 1.0 1.3 1.8 0.3 98.94

Weitere wichtige mineralbildende Elemente sind: Titan [0.44 Gew.%] Ti Wasserstoff [0.14 Gew.%] H Kohlenstoff C Schwefel S Kupfer Cu Chlor Cl Mangan [0.10 Gew.%] Mn Phosphor [0.12 Gew.%] P Die meisten Minerale und daher natrlich auch Gesteine bestehen nicht aus elektrisch neutralen Atomen, sondern aus geladenen Teilchen, die man Ionen nennt. Diese Ionen gehen aus Atomen durch Abgabe bzw. Anlagerung von Elektronen hervor. Positiv und negativ geladene Ionen ziehen sich gegenseitig an und bilden auf diese Weise die Kristallgitter von Mineralen1. Positiv geladene Ionen heien Kationen, negativ geladene Anionen. Von den 8 hugsten Elementen der Erdkruste bildet nur das Element Sauerstoff Anionen. Vereinfacht gesagt, besteht die Erdkruste aus einer dichten Packung aus Anionen des Sauerstoffs (93.8 Vol.%), die durch sehr viel kleinere Kationen zusammengehalten werden.

1. Die Silikatminerale, Oxide und Halogenide lassen sich vereinfacht als Ionenkristalle interpretieren. In Suldminerale dagegen ist der Anteil an kovalenter Bindung so hoch, da dieses Modell nicht mehr vernnftig anwendbar ist.

2

Atome und Ionen

Bei Mineralen, in deren Kristallgittern Ionenbindung dominiert, kann man sich Kationen und Anionen als einander berhrende Kugeln vorstellen.Von der Gre dieser Kugeln, dem Ionenradius, hngt es dann wesentlich ab, von wievielen Anionen die Kationen umgeben (koordiniert) sind. Auf rein geometrischem Weg kann man abschtzen, da bei einem Ionenradienquotienten rKation/rAnion zwischen 0.225 (= 1.5 1) und 0.414 ( 2 1) die Kationen eine tetraedrische Koordination durch 2rAnion die Anionen bevorzugen sollten, bei r Kation/rAnion zwischen 0.414 und 0.732 ( 3 1) eine oktaedrische Koordination (siehe Skizze rechts der kleine Kreis in der Mittel soll das Kation symbolisieren, die groen die Anionen); wenn rKation/rAnion zwischen 0.732 und 1 ( 4 1) liegt, sollte eine wrfelfrmige Koordination bevorzugt sein und bei Radienquotienten >1 verschiedene andere Koordinationen. So liegt z.B. rKation/rAnion fr Steinsalz (NaCl) bei 0.64; im Kristallgitter dieses Minerals ist daher jedes Na+-Ion durch sechs Cl -Ionen oktaedrisch umgeben (siehe auch Abbildung 2, S.5). Fr Quarz (SiO2) liegt rKation/ rAnion bei 0.26; jedes Si4+ ist daher tetraedrisch von O2-Ionen umgeben.at io n

Li+ 0.76/82

Be2+ 0.27**/63 Al3+

2r A

O2 1.40

F 1.33/?

Na+ 1.18*/83 K+ 1.51*/87 Rb+ 1.61*/87

Mg2+ 0.72/71 Ca2+ 1.12*/79 Sr2+ 1.26*/82 Ti4+ 0.61/51 Zr4+ 0.72/65 Ce3+ 1.14*/75 Th4+ 1.05*/72 U4+ 1.00*/68 Mn 2+ 0.83/72 0.78/69 0.64/54 Fe3+ Fe2+

Si4+

0.39**/60 0.26**/48 Al3+ 0.54/60

S2 1.84/?

Cl 1.81/?

Anteil an ionarer Bindung [%] Ionenradius [] Eu2+ Eu3+ 1.25*/? 1.07*/74 Lu3+ 0.98*/73

ABBILDUNG 1

Ionenradien der wichtigsten in der Natur auftretenden Elemente sowie einiger Spurenelemente. Die Ionenradien sind in [1 = 108 cm] fr oktaedrische Koordination angegeben mit Ausnahme der durch* (achtfache Koordination) und ** (tetraedrische Koordination) gekennzeichneten Werte. Der fr das Suldion S2 angefhrte Radius ist problematisch, weil die in der Natur vorkommenden Suldminerale in der Bindung zwischen Metall und Suld einen hohen Anteil an kovalenter Bindung aufweisen. Die in der Graphik ausgewiesenen prozentualen Anteile an ionarer Bindung gelten fr die Bindung der Kationen an das Sauerstoffanion O2; der Anteil an Ionenbindung ist umso hher, je grer das Kation und je niedriger seine Ladung sind. Kationen wie Al3+ treten in Mineralen in verschiedenen Koordinationszahlen auf. Die hhere Koordination entspricht einer greren Lcke zwischen den Anionen: das Kation beansprucht mehr Platz.

2rAnion

ni

on

+2 rK

3

Minerale

1.2 1.2.1

Denitionen MineralIn der Geologie ist ein Mineral deniert als ein natrlicher, homogener Festkrper mit einer charakteristischen chemischen Zusammensetzung und atomaren (ionaren) Struktur. Minerale sind bis auf wenige Ausnahmen anorganisch und kristallisiert. Nicht kristallisierte, amorphe Festkrper, die dieser Denition entsprechen, werden in der internationalen Literatur (wenig gebruchlich) Mineraloide genannt. Obwohl man inzwischen fast alle Minerale im Labor synthetisch herstellen kann, stellen in strengem Sinn nur die in der Natur gefundenen Festkrper mit den genannten Eigenschaften Minerale dar. Organisch gebildete Festkrper wie Kohle oder Bernstein zhlen nicht dazu. Minerale stellen homogene Festkrper dar; darunter versteht man Festkrper, die durch physikalische Methoden allein nicht in ihre Bestandteile zerlegt werden knnen. Minerale haben eine charakteristische chemische Zusammensetzung; dies bedeutet, da der Chemismus eines Minerals immer derselbe ist oder aber, sofern variabel, immer innerhalb relativ enger Grenzen variiert (viele Minerale bilden solche Mischkristalle ). Beispielsweise kann die Zusammensetzung des Minerals Olivin (Mg,Fe)2SiO4 im wesentlichen zwischen Mg2SiO4 und Fe2SiO4 variieren. Andere Elemente wie Ca, Al oder Na nden sich nur in ganz unbedeutenden, sogenannten Nebenelement- oder Spurenelementkonzentrationen in Olivin. In fast allen Mineralen sind die einzelnen atomaren (ionaren) Bausteine in einer mehr oder weniger festgelegten Weise rumlich zueinander angeordnet. Diese Eigenschaft nennen wir den kristallinen Zustand. Substanzen wie Quecksilber, die an der Erdoberche im ssigen Aggregatzustand vorliegen, werden nicht als Mineral bezeichnet. Es gibt jedoch Minerale wie Opal (SiO2 nH2O), die amorph (nicht kristallin) sind, d.h., die atomaren (ionaren) Bausteine sind weitgehend ungeordnet (siehe auch Abschnitt 1.2.2). Da Minerale eine denierte Zusammensetzung und eine meist geordnete atomare Struktur aufweisen, besitzen sie bestimmte physikalische Eigenschaften wie Kristallform, optische Eigenschaften, Dichte, Hrte und Bruchverhalten. Mit Hilfe dieser Eigenschaften kann ein Mineral vom anderen unterschieden werden. Alle Kristalle zeigen Anisotropie (= unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften in unterschiedlichen Richtungen, aber immer gleiche Eigenschaften in gleicher Richtung). Solche Eigenschaften sind z.B. Lichtbrechung, Wachstumsgeschwindigkeit, Hrte, elektrische oder thermische Leitfhigkeit, etc. Es gibt Kristalle, bei denen zumindest einige physikalische Eigenschaften richtungsunabhngig sind; man spricht von Isotropie des Kristalls in Bezug auf die richtungsunabhngige Eigenschaft.

1.2.2

KristallKristalle sind Festkrper, deren Bausteine (Atome, Ionen, Ionenkomplexe) dreidimensional periodisch geordnet sind (Kristallstruktur vergleiche Abbildung 2). Festkrper ohne dreidimensional periodische Ordnung der Bausteine werden als amorph bezeichnet (Gele, Glser). Unter geeigneten Bedingungen knnen Kristalle durch ebene Flchen begrenzte Wachstumskrper ausbilden. Die Form der Wachstumskrper (Kristallform) wird von der kristallinen Struktur bestimmt. Die sogenannte Kristalltracht und der Habitus hngen von den jeweiligen physikalisch-chemischen Rahmenbedingungen ab.

1.2.3

MineralartAlle Mineralindividuen mit bereinstimmender chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur bilden eine Mineralart. Alle Modikationen chemischer Elemente oder Verbindungen sind sofern sie natrlich vorkommen ebenfalls Mineralarten (z.B.

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Denitionen

Kohlenstoff als Diamant oder Graphit, SiO2 als Tiefquarz, Hochquarz, Tridymit, Cristobalit, Coesit, Stishovit). Mineralenamen sind maskulin; es heit also der Quarz, der Pyroxen, der Calcit. Ausnahmen sind neben den in der Natur vorkommenden Metallen wie Gold oder Silber vor allem einige aus der Sprache der Bergleute stammende zusammengesetzte Mineralnamen (Blenden, Blten, Erze) wie die Zinkblende, die Zinkblte oder das Fahlerz.

Na Cl

ABBILDUNG 2

Kubische Kristallstruktur von NaCl; die Abfolge von Na+- und Cl--Ionen erstreckt sich regelmig durch den ganzen Kristall. Jedes Na+-Ion ist oktaedrisch von sechs Cl--Ionen umgeben, jedes Cl--Ion oktaedrisch von sechs Na+-Ionen. Zur besseren Veranschaulichung sind die Ionen untereinander durch Stbe verbunden. Die Oktaeder sind im NaCl-Kristall untereinander ber Kanten verbunden, wie aus der rechten Skizze zu ersehen ist, in der zwei Na-Ionen im Zentrum von Oktaedern dargestellt sind (die brigen Na-Ionen sind nicht gezeigt).

1.2.4

Mineralvariettist die durch charakteristische Abweichungen im (Spurenelement-)Chemismus oder bei Tracht, Habitus, Farbe etc. begrndete Sonderform einer Mineralart.

1.2.5

GesteinGesteine sind vielkrnige Mineralaggregate (selten auch natrliche Glser), die in selbstndigen geologischen Krpern auftreten. Sie sind im Unterschied zum Mineral von Natur aus heterogen (siehe auch Seite 63). Auch Gesteinsnamen sind meist maskulin. Ausnahmen treten bei den Sedimenten auf: die Arkose, die Brekzie, die Grauwacke, die Kohle, das Konglomerat, das Steinsalz (Steinsalz ist auch der deutsche Name des Minerals Halit).

1.2.6

ParageneseUnter dem Begriff Paragenese versteht man eine charakteristische Vergesellschaftung von Mineralen, die annhernd gleichzeitig, d.h. unter gleichen physikalisch-chemischen Bedingungen gebildet wurden. Sie sind somit stabil und im Gleichgewicht.

5

Minerale

1.2.7

Dimorphie PolymorphieEin Element oder eine kristalline Verbindung kommt in zwei (= Dimorphie) oder mehr (= Polymorphie) verschiedenen Kristallstrukturen (Modikationen) vor. Beispiele: Kohlenstoff: Graphit Diamant (= Dimorphie) Es gibt jedoch weitere, nur synthetisch bekannte Modifikationen. ZnS: Sphalerit Wurtzit FeS2: Pyrit Markasit CaCO3: Calcit Aragonit ( Vaterit) Al2SiO5: Andalusit Sillimanit Disthen (= Trimorphie) TiO2: Rutil Anatas Brookit SiO2: Tiefquarz Hochquarz Tridymit Cristobalit Coesit Stishovit (= Polymorphie) Bei einigen wichtigen gesteinsbildenden Mineralgruppen kommen ebenfalls Di- oder Polymorphie vor; diese Tatsache ist allerdings in manchen Fllen nicht so bewut, weil einige Modikationen sehr selten oder bei Normalbedingungen nicht stabil und daher nur aus Experimenten bekannt sind. K(AlSi3O8): Sanidin (monoklin) Mikroklin (triklin); Orthoklas ist eine Paramorphose (siehe unten) von Mikroklin nach Sanidin. Na(AlSi3O8): Monalbit (monoklin) Hochalbit Tiefalbit (beide triklin) K(AlSi2O6): Hochleucit (kubisch) Tiefleucit (tetragonal); Leucitkristalle sind in Wirklichkeit stets Paramorphosen von Tiefleucit nach Hochleucit. Mg2(Si2O6): Enstatit (rhombisch) Klinoenstatit (monoklin); entsprechend gibt es auch diverse Mischkristalle (Mg,Fe)2[Si2O6]. (Mg,Fe)7(Si8O22)(OH)2: Anthophyllit (rhombisch) Cummingtonit (monoklin) Ca2Al3O(SiO4)(Si2O7)OH: Zoisit (rhombisch) Klinozoisit (monoklin) Die ohne chemische nderung ablaufenden Umwandlungen von einer Modikation in eine andere werden polymorphe Phasenumwandlungen genannt. Es gibt drei grundstzlich Mechanismen: 1. Displazive Phasenumwandlung (z.B. Hochquarz Tiefquarz); sie erfordert nur eine geringe Energie, weil sie lediglich in einer Vernderung von Bindungswinkeln oder geringer Verschiebung von Atomlagen besteht; daher ist sie leicht reversibel und verluft spontan; sie kann nicht verhindert werden; daher knnen die Modikationen nicht auerhalb ihres Stabilittsfeldes existieren. 2. Rekonstruktive Phasenumwandlung (z.B. Hochquarz Tridymit Cristobalit; Graphit Diamant); erfordert betrchtliche Energie, weil Bindungen aufgebrochen und neu geknpft werden mssen; nur schwer reversibel und verluft trge; die Modikationen knnen metastabil (auerhalb ihres Stabilittsfeldes) existieren. 3. Ordnungs-/Unordnungsumwandlungen (z.B. AlSi-Verteilung in Kalifeldspten Sanidin Mikroklin).

1.2.8

IsomorphieZwei oder mehr Substanzen bilden eine isomorphe- oder Mischkristallreihe, wenn sie hnliche chemische Zusammensetzungen, Achsenverhltnisse und Kristallformen haben und in der gleichen Kristallklasse kristallisieren. Voraussetzung dafr sind hnliche Ionenradien und Ladungszahlen ihrer Hauptelemente, so da ein unbegrenzter Austausch (siehe unten ionische Substitution/Diadochie) mglich ist, z.B. von Na+ Ca2+, Fe2+ Mg2+ oder Al3+ Fe3+.

6

Denitionen

Beispiele: Olivinreihe: Plagioklasreihe: Glimmer: Pyroxene: Granate:

(Mg Fe-Substitution) gekoppelte Substitution Na+Si4+ Ca2+Al3+ Phlogopit Biotit (Mg Fe) z.B. Diopsid Hedenbergit; Enstatit Ferrosilit (Mg Fe) z.B. in der Pyralspitgruppe Austausch von Mg, Fe und Mn

1.2.9

IsotypieZwei oder mehr Substanzen, die keine oder nur in beschrnktem Mae Mischkristalle bilden, aber bei hug vllig verschiedener chemischer Zusammensetzung in derselben Kristallstruktur kristallisieren, nennt man isotyp (= isostrukturelle Minerale). In den folgenden Beispielen sind die chemischen Zusammensetzung vllig verschieden und die Bindungsarten zum Teil ebenfalls; daher ist nennenswerte Substitution die Ausnahme: Zirkon (ZrSiO4) Xenotim (YPO4) [Zirkone knnen einige Prozent P enthalten!] Halit (NaCl) Galenit (PbS) Fluorit (CaF2) Uraninit (UO2) In den folgenden Beispielen haben die isotypen Reihen dasselbe Anion; beschrnkte Mischkristallbildung kann dann gegeben sein: Calcit (CaCO3) Siderit (FeCO3) Magnesit (MgCO3) Rhodochrosit (MnCO3) Smithsonit (ZnCO3) Aragonit (CaCO3) Strontianit (SrCO3) Witherit (BaCO3) Cerussit (PbCO3) Baryt (BaSO4) Coelestin (SrSO4) Anglesit (PbSO4) Rutil (TiO2) Kassiterit (SnO2) [ Pyrolusit (MnO2) Stishovit (SiO2)] Korund (Al2O3) Hmatit (Fe2O3) [ Ilmenit (FeTiO3); bei Ilmenit keine echte Isotypie mit Korund und Hmatit, nur enge Verwandtschaft] Apatit-Familie: Fluor-, Chlor-, Hydroxylapatit [Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)] Pyromorphit [Pb5(PO4)3Cl] Mimetesit [Pb5(AsO4)3Cl] Vanadinit [Pb5(VO4)3Cl]; hier ist Substitution auf den diversen Kationen- und Anionenpositionen in unterschiedlichem Ausma mglich.

1.2.10

Diadochie, Ionische Substitutionnennt man den Ersatz einer oder mehrerer Ionenarten in einer Kristallstruktur durch andere Ionen hnlicher Gre und Ladung. Beispiele sind Si4+ Al3+ (vierfach im Kristallgitter durch O koordiniert) Mg2+ Fe2+ (hug unbegrenzt, z.B. in Olivin, Pyroxen) Na+ Ca2+ (z.B. in Plagioklasen) (OH) F, Cl

1.2.11

PseudomorphoseWird ein Mineral von einem anderen Mineral unter Erhaltung der ursprnglichen Kristallform verdrngt, entsteht eine Pseudomorphose. Wird. z.B. Baryt (BaSO4) in entsprechender Weise von Quarz (SiO2) verdrngt, spricht man von einer Pseudomorphose von Quarz nach Baryt.

1.2.12

ParamorphoseGeht eine Modikation einer Verbindung unter Beibehaltung der ursprnglichen Kristallform in eine andere Modikation ber, dann bezeichnet man dies als Paramor-

7

Minerale

phose. Eine Paramorphose ist demnach der isochemische Spezialfall einer Pseudomorphose. So bildet Tiefquarz in Vulkaniten Paramorphosen nach Hochquarz. Weitere Beispiele siehe Kapitel 1.2.7 auf Seite 6.

1.2.13

EnantiomorphieZwei Kristalle sind enantiomorph, wenn der eine Kristall das Spiegelbild des anderen darstellt (z.B. Rechts-/Linksquarz). Enantiomorphie ist auf solche Kristallklassen beschrnkt, die weder ber ein Symmetriezentrum noch ber eine Symmetrieebene verfgen (siehe Tabelle 4 auf Seite 14).

ABBILDUNG 3

Der Unterschied Tracht Habitus ist nicht nur aus der Mineralogie bekannt.

8

Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften

1.2.14

Tracht HabitusAls Tracht bezeichnet man die Gesamtheit der an einem Kristall entwickelten Formen; die relative Flchenentwicklung bewirkt den Habitus; zwei Kristalle knnen bei gleicher Tracht verschiedenen Habitus aufweisen und umgekehrt den gleichen Habitus bei verschiedener Tracht zeigen (Abbildung 3). In Tabelle 2 sind Begriffe zur Beschreibung von Ausbildung und Habitus fr Einkristalle und Kristallaggregate zusammengestellt.

TABELLE 2

Habitus und Ausbildung von Kristallen und Kristallaggregaten bei Aggregaten Ausbildungkrnig, sptig (bei Mineralen mit guter Spaltbarkeit) stengelig, strahlig (jeweils przisieren: parallel-, wirr-, radial-, divergent-) desgleichen (parallel-, radial-, wirr-) tafelig, ggf. sptig blttrig (lepidoblastisch) (grob-, fein-; wenn sehr fein: schuppig)

bei Einkristallen Habitusisometrisch, kurzprismatisch, rhomboedrisch, (di)pyramidal langprismatisch, stengelig, leistenfrmig, sulig nadelig, faserig (ggf. haarfrmig) tafelig blttrig

derb (unfrmig; keine Kornformen, Spaltbarkeiten o.. Merkmale erkennbar; als derb werden smtliche unfrmigen (auch einkristallinen) Bruchstcke sowie Aggregate bezeichnet, die keine Kornformen oder sonstige Merkmale wie Kristallchen oder Spaltbarkeiten erkennen lassen. Nicht mit amorph verwechseln!) nierig, traubig, glaskopfartig (gibt Hinweise auf die Entstehung aus einem ursprnglich amorphen Gel, meist feinfaserig rekristallisiert) sinterartig, krustig dicht (mit bloem Auge oder Lupe keine Krner oder andere Strukturen erkennbar, homogen erscheinend) pors; wenn Poren und Hohlrume mit Kristallen ausgekleidet sind: drusig erdig, pulvrig; sehr dnne erdig-pulvrige Kruste und Belge: Anug

1.3

Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer EigenschaftenMineralbestimmung nach physikalischen Eigenschaften geschieht im wesentlichen nach dem Ausschlieungsverfahren. So kristallisieren beispielsweise von den ca. 3500 bekannten Mineralen nur ca. 200 mit einer sechszhligen (hexagonalen) Symmetrie. Wenn wir also ein Mineral nden, das sechszhlige Symmetrie zeigt, dann haben wir das Problem der Bestimmung eines Minerals aus einer Menge von ca. 3500 bereits auf das Problem der Identizierung eines Minerals aus einer Menge von nur ca. 200 Mineralen reduziert. Sofern das betreffende hexagonale Mineral dann noch eine gute Spaltbarkeit aufweist, reduziert sich das Bestimmungsproblem auf 1 aus 5 mglichen Mineralen. Glcklicherweise kommen die mehr als 4000 bekannten Minerale nicht gleich hug vor. Die relativ wenigen Minerale, die in diesem Kurs besprochen werden, machen zusammen bereits ca. 90% der gesamten Erdkruste aus.

1.3.1

FarbeDie aufflligste physikalische Eigenschaft eines Minerals ist seine Farbe. Leider haben aber nur wenige Minerale eine gleichbleibende Frbung. Beispielsweise kann Quarz farblos, wei, rosa, grau, gelb, violett usw. gefrbt sein. Alkalifeldspat kann wei, eischfarben, grau oder grn sein. Diese unterschiedliche Frbung kann vielfltige Ursachen haben (z.B. Einlagerung feinster Einschlsse einer anderen Mineralart oder einer Flssigkeit, Einbau von Spurenelementen im Kristallgitter, unterschiedliche chemische Zusam-

9

Minerale

mensetzung bei Mischkristallen). Die Farbe vieler Minerale ist daher keine eindeutige diagnostische Eigenschaft, obwohl es auch Minerale mit einer konstanten Farbe gibt (Beispiele: Bleiglanz bleigrau; Schwefel gelb). Die Frbung eines Minerals kann auch durch oberchliche Reaktionen mit der Atmosphre modiziert sein (Anlauffarben). Auch die Korngre kann die Farbe beeinussen.

1.3.2

GlanzDer Glanz ist das Erscheinungsbild einer Mineraloberche in reektiertem Licht. Auf der Basis ihres Glanzes knnen alle Minerale in zwei groe Gruppen unterteilt werden: (1) Minerale mit metallischem Glanz (opak und stark reektierend, wie polierte Metalle) und (2) Minerale mit nichtmetallischem Glanz. Hier wird des fteren noch weiter unterschieden in Glasglanz, Wachsglanz, Fettglanz, Seidenglanz, matt (stumpf), etc. Einige Minerale zeigen halbmetallischen oder blendeartigen Glanz, meist infolge sehr hoher Lichtbrechung.

1.3.3

Strich, StrichfarbeAls Strich oder Strichfarbe bezeichnet man die Farbe eines Minerals im pulverisierten Zustand. Diese Farbe entspricht hug nicht der Farbe des ursprnglichen greren Mineralkorns. Die Strichfarbe wird ermittelt, indem das Mineral gegen ein Stck unglasiertes weies Porzellan, die sog. Strichtafel, gerieben wird. Die Strichfarbe ist eine relativ konstante Eigenschaft der Minerale und daher fr viele von hohem diagnostischem Wert. Dies gilt besonders fr suldische und oxidische Minerale, die meist charakteristische Unterschiede in der Strichfarbe aufweisen. Hmatit hat beispielsweise immer eine rotbraune Strichfarbe, Limonit eine gelbbraune und Magnetit eine dunkelgraue. Durch intensives Verreiben kann sich die Strichfarbe verndern; dies ist fr manche Minerale ein sehr wichtiges Erkennungsmerkmal: Bei Molybdnit wird der zunchst schwarze Strich schmutzig-grn; beim sehr hnlichen Graphit verndert sich die Strichfarbe nicht. Sofern ein Mineral hrter ist als die Strichtafel, hinterlt es keinen Strich. Dies ist bei vielen silikatischen Mineralen der Fall.

1.3.4

HrteHrte ist der Widerstand, den ein Mineral dem Ritzen oder Verschleifen entgegensetzt. Man kann Minerale nach ihrem relativen Ritz- oder Schleifverhalten ordnen. Der sterreichische Mineraloge Mohs entwarf 1822 eine relative Ritzhrteskala der Minerale, die auch heute noch in Gebrauch ist (Tabelle 3). Talk als dem weichsten bekannten Mineral

TABELLE 3

MOHSsche Hrteskala [relative Hrte] Ritzhrte [nach Mohs]1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Schleifhrte [nach Rosival]0.03 1.04 3.75 4.2 5.4 30.8 100 146 833 117000

MineraleTalk Gips Calcit (Kalkspat) Fluorit (Fluspat) Apatit Orthoklas Quarz Topas Korund Diamant

zum Vergleichmit Fingernagel ritzbar mit Fingernagel noch ritzbar Fingernagel (21/2) Mnze (31/2) Nagel (weicher Stahl) Glas Taschenmesserklinge (51/2)

Siliziumkarbid (91/2)

10

Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften

wurde die Hrte 1 gegeben, whrend Diamant als dem hrtesten Mineral die relative Hrte 10 zugewiesen wurde. Man beachte, da die Bezeichnung relative Hrte bedeutet, da Diamant nicht genau zehnmal so hart ist wie Talk, sondern einfach nur hrter als Korund (H = 9). Mit jedem Mineral der Mohsschen Hrteskala lassen sich Minerale mit einer geringeren relativen Hrte ritzen. Jedes Mineral hat eine charakteristische Hrte, die sich als Wert zwischen 1 und 10 der Mohsschen Hrteskala angeben lt.

1.3.5

Bruchverhalten und SpaltbarkeitDer Bruch eines Minerals ist deniert als die Art und Weise, in der ein Mineral bricht. Die Bruchche eines Minerals kann uneben, splitterig oder muschelig ausgebildet sein.

ABBILDUNG 4

links: perfekte Spaltbarkeit von Glimmer (hier: Lepidolith = Li-Glimmer) parallel einer Ebene fhrt zur schuppigen Ausbildung dieser Minerale; rechts oben: Fluspat hat eine sehr gute Spaltbarkeit parallel vier Ebenen, den Oktaederchen; rechts unten: Kalifeldspat zeigt eine gute Spaltbarkeit parallel zwei senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen (aus Skinner & Porter, 1999). Als Spaltbarkeit wird die Tendenz eines Minerals bezeichnet, nach bestimmten parallelen Ebenen zu brechen (Abbildung 4). Die Spaltbarkeit ist demnach eine besondere Art des Bruchs. Eine Spaltbarkeitsebene ist eine glatte Flche, die das Licht gut reektiert. Spaltbarkeiten knnen bei verschiedenen Mineralen unterschiedlich gut ausgebildet sein; entsprechend unterscheiden sich die resultierenden Spaltbarkeitschen oder -ebenen in der Gte ihrer Ausbildung. Viele Minerale besitzen mehrere, oft unterschiedlich gute Spaltbarkeiten in unterschiedlichen Richtungen. Die Spaltbarkeitsebenen sind immer parallel zu bestimmten Kristallgitterebenen (Atomlagen). Die Anzahl der Spaltbarkeitsrichtungen, ihre Qualitt und der Winkel, unter dem sich die Spaltbarkeitsebenen schneiden, stellen oft ausschlaggebende Unterscheidungskriterien zwischen Mineralen mit sonst sehr hnlichen physikalischen Eigenschaften dar. So lassen sich z.B. die Minerale Augit und Hornblende oft nur durch den Winkel zwischen ihren beiden Spaltbarkeitsebenen unterscheiden (ca. 90 bei Augit und ca. 125 bzw. 55 bei Hornblende).

11

Minerale

1.3.6

DichteViele hug auftretenden Minerale haben eine Dichte zwischen ca. 2.6 (= spezisches Gewicht von 2.6 g cm-3) (Quarz, Feldspte) und ca. 3.5 g cm-3 (Olivin, Hornblende, Biotit, Klinopyroxene). Unter den nichtmetallisch glnzenden Mineralen haben z.B. Baryt (4.5) und Scheelit (6.1) eine auffallend hohe Dichte. Gold hat eine Dichte von 19. Bei Mischkristallen hngt die Dichte von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung ab.

1.3.7

Kornform, Kristallform, KristallsystemAls Kristallform bezeichnet man die uere Gestalt eines Mineralkorns, das gewachsen ist, ohne mit anderen Festkrpern (Mineralkrnern) in Wechselwirkung zu treten und daher seine idiomorphe Gestalt ausbilden kann, die den inneren atomaren Aufbau eines Minerals wiederspiegelt. Entsprechende Formen knnen auch als Spaltkrper bei Mineralen mit mindestens drei Spaltbarkeiten auftreten. Damit ein wachsender Kristall seine charakteristische Form ausbilden kann, bentigt er Platz, d.h. er darf keinen weiteren Festkrper berhren. Da dies im allgemeinen nicht gegeben ist, sind groe Kristalle in der Natur sehr selten, und die meisten Minerale nden sich in Form von krnigen kristallinen Massen. Die durch gegenseitige Behinderung beim Wachstum unregelmig ausgebildeten Mineralkrner bezeichnet man als xenomorph. Aufgrund seiner Symmetrieeigenschaften kann jedes kristalline Mineral in eines der sieben Kristallsysteme eingeordnet werden: kubisch, tetragonal, hexagonal, trigonal, orthorhombisch, monoklin, triklin (Tabelle 4). Kristalle des kubischen Systems sind die hchst symmetrischen, die des triklinen Systems die niedrigst symmetrischen. Kubische Kristalle lassen sich auf ein Koordinatensystem beziehen, in dem die drei Achsen (a, b, c) gleich lang sind und sich unter Winkeln (a, b, g; g ist der Winkel zwischen den Achsen a und b und analog fr a und b) von 90 schneiden. Dies ist im Gegensatz zu allen brigen Kristallsystemen identisch einem kartesischen Koordinatensystem. Kristalle des triklinen Systems lassen sich nur auf ein Koordinatensystem mit drei ungleich langen Achsen beziehen, die sich zudem noch unter Winkeln 90 schneiden. Die meisten Minerale gehren dem orthorhombischen und dem monoklinen Kristallsystem an, gefolgt schon in weitem Abstand von kubischen Mineralen. Ebenfalls nur nach der ueren Form der Kristalle werden die Kristallsysteme weiter in insgesamt 32 Kristallklassen unterteilt, deren Namen und die zur Abkrzung verwendeten Symbole auch in Tabelle 4 aufgefhrt sind. Die Kristallklassen eines Kristallsystems unterscheiden sich voneinander durch verschiedene Arten von Symmetrieelementen und deren Anzahl: Drehachsen, Spiegelebenen, Inversionszentrum, Drehinversionsachsen. Die niedrigst symmetrische aller Kristallklassen, die triklin-pediale, verfgt ber keines dieser Symmetrieelemente; jede Flche in einem solchen Kristall ist einzigartig und hat kein gedrehtes, gespiegeltes oder invertiertes Abbild. Ihr Symbol in der Sprache der Kristallographie ist die 1. Damit ist eine Drehung von 360 gemeint, die trivialerweise zu einer identischen Ansicht des Kristalls bei festem Blickpunkt des Beobachters fhrt. Die triklin-pinakoidale Kristallklasse 1 hat als einziges Symmetrieelement ein Inversionszentrum, auch Symmetriezentrum genannt. Dieses liegt vor, wenn jeder Punkt eines Kristalls einen entsprechenden Punkt auf der gegenberliegenden Seite vom Mittelpunkt (Ursprung der drei Achsen) des Kristalls hat. Abbildung 5, S.15 zeigt Skizzen eines tetragonalen Kristalls der Kristallklasse 4/mmm, z.B. einen Zirkon, um die Symmetrieoperationen zu erlutern. Das tetragonale Kristallsystem ist durch drei senkrecht aufeinanderstehende Achsen gekennzeichnet, von denen zwei (a und b) gleichwertig sind (gleich lang), whrend die c-Achse eine andere Lnge aufweist. Skizze 3 zeigt, wie durch ein Inversionszentrum die mit 211 benannte Flche (positives Vorzeichen fr alle drei Achsen) oben auf der dem Betrachter zugewandten Seite des Kristalls in die als 211 unten auf der vom Betrachter abgewandten Seite bergeht (negatives Vorzeichen aller Achsen). Die fnf Ecken der 211-Flche gehen

12

Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften

dabei in die der 211-Flche ber, indem man Verbindungslinien durch den Ursprung des Achsensystems zieht (durch Pfeile markiert). Eine Spiegelebene ist eine gedachte Ebene, die den Kristall in zwei spiegelverkehrt zueinander stehende Hlften teilt. In der Skizze 2 geht durch eine Spiegelebene, die durch die Achsen a und b aufgespannt wird, die 211-Flche in die Flche mit den Symbolen 211 ber (negatives Vorzeichen nur fr die c-Richtung). Der Kristall verfgt noch ber vier weitere Spiegelebenen; zwei davon werden durch die Achsen a und c bzw. b und c aufgespannt (in der Blickrichtung parallel der c-Achse des Kristalls in Zeichnung 1 in den Achsen a und b liegend), die beiden brigen durch die c-Achse und die Winkelhalbierenden der Achsen a und b (in Zeichnung 1 gestrichelt dargestellt). Das dritte Symmetrieelement, die Drehachse, wird durch eine Zahl ausgewiesen, die fr ihre Zhligkeit steht. In einem Kristall sind neben der bereits erwhnten einzhligen Achse zweizhlige, dreizhlige, vierzhlige und sechszhlige Drehachsen mglich. Dabei fhren Drehungen um 180 (360/2), 120 (360/3), 90 (360/4) bzw. 60 (360/6) zu identischen Ansichten des Kristalls. In der linken Skizze von Abbildung 5 sieht man, da durch die vierzhlige Achse, die im tetragonalen System parallel der c-Achse liegt, durch Drehung um 90 im Uhrzeigersinn die Flche 011 in Flche 101 bergeht, Flche 211 nach Flche 121 und Flche 211 nach Flche 121. Dieser Kristall hat auerdem noch vier zweizhlige Drehachsen; sie liegen in den Achsen a und b und auch in den Winkelhalbierenden zwischen beiden Achsen (die gestrichelt gezeichneten Linien in Skizze 1 sind daher zweizhlige Drehachsen); Drehung um 180 um diese Achsen fhrt also wiederum zu jeweils identischen Anblicken des Kristalls. Durch Drehung von Flche 211 um 180 um die a-Achse wird z.B. Flche 211 erzeugt (Skizze 2). Die Kombination aus Drehachse und Inversionszentrum fhrt schlielich noch zur Drehinversionsachse, die durch eine Zahl mit Querstrich darber angegeben wird (1, 3, 4, 6). Betrachten wir als Beispiel Flche 211 in der Skizze 4 von Abbildung 5. Die vierzhlige c-Achse der Klasse 4/mmm ist eine Drehinversionsachse. Drehung von Flche 211 um 90 um diese Achse erzeugt Flche 121 (siehe dazu auch Skizze 1). Inversion dieser Flche erzeugt Flche 121. Auf der Basis von Rntgenstrukturanalysen knnen die 32 Kristallklassen in 230 Raumgruppen unterteilt werden. Da die uere Gestalt der Kristalle keinen Aufschlu darauf gibt, braucht darauf hier nicht weiter eingegangen zu werden. Die Flchen der Kristalle sind oben bereits durch aus drei Ziffern bestehende Bezeichnungen charakterisiert worden, die separat zu lesen sind (also z.B. 102: eins null drei quer oder minus drei). Diese Miller-Indices ergeben sich aus den reziproken Achsenverhltnissen der Schnittpunkte der Flchen (oder ihrer gedachten Verlngerung) mit den kristallographischen Achsen. In der linken Skizze von Abbildung 6, S.16 ist ein Wrfel skizziert. Seine vordere Flche schneidet die a-Achse im Einheitsabstand (1) und verluft parallel den beiden anderen Achsen; die reziproken Achsenverhltnisse betragen 1/1, 1/ , 1/ bzw. 1,0,0. Die Bezeichnung der Flche ist damit (100). Auf die Klammern ist in den Kristallzeichnungen aus Platzgrnden fast immer verzichtet worden. Die zweite Skizze von links zeigt ein Oktaeder. Die dem Betrachter zugewandte rechte obere Flche schneidet alle drei Achsen im Einheitsabstand und erhlt daher die Bezeichnung (111). Die linke untere Flche schneidet die a-Achse im positiven Einheitsabstand und die beiden brigen Achsen im negativen Einheitsabstand; folglich wird sie als (111) indiziert. Ein Rhombendodekaeder zeichnet sich durch Flchen aus, die jeweils zwei Achsen im Einheitsabstand schneiden und parallel zur dritten Achse verlaufen; ein Index ist demnach jeweils 0, die beiden anderen jeweils 1 oder 1. Aus einer einzigen Flche (110) kann durch Symmetrieoperationen der ganze Kristall konstruiert werden. Die Gesamtheit aller symmetriequivalenten Flchen eines Kristalls bezeichnet man allgemein als seine Form und setzt das Flchensymbol in geschweifte Klammern, hier also {110}. Das Rhombendodekaeder besitzt insgesamt 12 Flchen; sie haben die Miller-Indices (110), (101), (011), (110), (110), (101), (101), (011), (011), (110), (101) und (011).

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Minerale

Analog hat ein Oktaeder die Form {111}, ein Wrfel die Form {110}, ein Pyramidenwrfel die Form {210} und ein Pentagondodekaeder, das man z.B. bei Pyrit hug ndet, ebenfalls die Form {210}. Der Pyramidenwrfel tritt in drei der Kristallklassen des kubischen Systems auf (43m, 432 und m3m), das Pentagondodekaeder in den beiden brigen niedriger symmetrischen (23 und m3). Der in Abbildung 6 in der rechten Skizze dargestellte Kristall besitzt Wrfel-, Oktaeder- und Rhombendodekaederchen; er besteht demnach aus einer Kombination der Formen {100}, {111} und {110}.

TABELLE 4 System Klasse

bersicht ber die Kristallsysteme und KristallklassenSymbol Symbol gekrzt 1 1 2 m 2/m mm, m2 22 2/m m, mmm 3 3 3m 32 3m 6 6, 3/m 6/m 62 6m 6m, 62 6/m m, 6/mmm 3 6 6 3 3 1 1 3 3 1 13 1 1 13 1 16 = 3+m 1 1 1 16 = 3+m 1 6 3 7 ja 1 1 ja 3 ja 3 ja 3 ja 1 1 1 2 ja ja Anzahl an Drehachsen2zhlig 3zhlig 4zhlig 6zhlig

Spiegelebenen

Inversionszentrum

triklin: a b c; abg monoklin: a b c; a = g = 90; b > 90 orthorhombisch: a b c; a=b=g= 90 trigonal: a = b c; a = b = 90; g = 120; oder (rhomboedrisch): a = b = c; a=b=g 90 hexagonal: a = b c; a = b = 90; g = 120

pedial pinakoidal sphenoidisch domatisch prismatisch pyramidal disphenoidisch dipyramidal pyramidal rhomboedrisch ditrigonalpyramidal trapezoedrisch ditrigonalskalenoedrisch pyramidal trigonaldipyramidal dipyramidal trapezoedrisch dihexagonalpyramidal ditrigonaldipyramidal dihexagonaldipyramidal

1 1 2 m 2/m mm2 222 2/m 2/m 2/m 3 3 3m 32 3 2/m 6 6 6/m 622 6mm 6m2 6/m 2/m 2/m

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Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften

TABELLE 4 System Klasse

bersicht ber die Kristallsysteme und KristallklassenSymbol Symbol gekrzt 4 4 4/m 42 4m 42 4/m m, 4/mmm 23 m3 43 43 m3m 6 6 2 4 3 3 4 43 4 4 43 34 3 3 9 ja 3 6 ja 4 Anzahl an Drehachsen2zhlig 3zhlig 4zhlig 6zhlig

Spiegelebenen

Inversionszentrum

tetragonal: a = b c; a=b=g= 90

pyramidal disphenoidisch dipyramidal trapezoedrisch ditetragonalpyramidal skalenoedrisch ditetragonaldipyramidal

4 4 4/m 422 4mm 42m 4/m 2/m 2/m 23 2/m 3 43m 432 4/m 3 2/m

1 14 1 1 1 14 1 4 2 5 ja 1 ja ja

kubisch: a = b = c; a=b=g= 90

tetraedrisch disdodekaedrisch hexakistetraedrisch pentagonikositetraedrisch hexakisoktaedrisch

c c c b[110] [010] 121 011 [110] 211 [100] a 211 121

211 21

1

21101

1

c 121

a

b

a 211

b

a

b

121

21 1

21 1

1

2

3

4

ABBILDUNG 5

Illustration von Drehachse (Skizze 1), Spiegelebene (2), Inversionszentrum (3) und Drehinversionsachse (4) am Beispiel eines Kristalls der Klasse 4/mmm. Dieser Kristall ist identisch mit dem auf Seite 31 dargestellten Zirkon, in dem alle dem Betrachter zugewandten Flchen identiziert sind. Drehung des Kristalls um die c-Achse lt z.B. Flche (011) nach (101) bergehen, Flche (211) nach (121) Skizze 1. Spiegelung von Flche (211) an einer in den Achsen a und b liegende Ebene erzeugt Flche (211) Skizze 2. Das im Koordinatenursprung liegende Inversionszentrum erzeugt Flche (211) aus Flche (211) Skizze 3. Drehung von Flche (211) um 90 und anschlieende Inversion am Ursprung erzeugt Flche (121). Weitere Erluterungen siehe ab Seite 12.

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Minerale

Fr Kristalle des hexagonalen a3 Spur von (210) -a1 Systems ndet man hug Miller (2130) Indices angegeben, die aus vier Ziffern bestehen, z.B. (2130). Dies entspricht einer Darstellung mit -a2 (001) (0001) vier Achsen, von denen drei c gleichwertig sind, das heit, dieselbe Lnge haben. Bezeichnen 1/ 1/2 1 wir diese drei Achsen mit a1, a2 -1/3 a2 und a3, dann schlieen sie jeweils Winkel von 120 ein. Die c-Achse steht senkrecht dazu. Die nebenSpur von (210) a1 stehende Skizze zeigt die Aufsicht (2130) -a3 auf einen hexagonalen Kristall (Blick entlang der c-Achse auf die (001)-Flche). Die das Sechseck begrenzende untere Flche ist dann die Schnittkante zwischen (001) und (210). Es lt sich unschwer erkennen, da in vektorieller Darstellung a3 = (a1 + a2) ist. Der dritte der vier Indices lt sich daher jeweils aus den beiden ersten berechnen (hier also: (2 + 1) = 3), und auf seine explizite Angabe kann leicht verzichtet werden. c001 011 010 100 111 111 110 101

(001)

(0 11

(101) (111) (110) (111)

)

(010)

b 111 111 110 101 011

a

(100)

(110) (111)

11) (1

(101)

Wrfel (Hexaeder) [Form {100}]ABBILDUNG 6

Oktaeder [Form {111}]

Rhombendodekaeder [Form {110}]

Kombination aus Wrfel, Oktaeder und Rhombendodekaeder

Beispiele fr Kristallformen der kubischen Kristallklasse m3m: Wrfel-, Oktaederund Rhombendodekaederche. Alle Formen lassen sich auf drei gleichwertige, senkrecht aufeinanderstehende Achsen beziehen. Die drei Achsen sind in diesem Fall identisch mit vierzhligen Drehachsen, d.h. Drehung des Kristalls um 90 um jede der drei Achsen fhrt bei Beibehalten des Beobachtungspunktes zu einer identischen Ansicht des Kristalls. Darber hinaus weisen diese Formen dreizhlige Drehachsen auf, die der Raumdiagonalen des Wrfels entsprechen bzw. senkrecht auf den Oktaederchen stehen (nicht eingetragen); Drehung um diese Achse um jeweils 120 fhrt ebenfalls zu identischen Ansichten. Die rechte Skizze zeigt einen Kristall, der aus einer Kombination dieser drei Formen besteht. Wie in Tabelle 4 aufgefhrt, lassen sich Kristalle des trigonalen Systems auf zwei verschiedene Achsensysteme beziehen, das trigonale und das rhomboedrische. Dies ist in Abbildung 7 skizziert. Dolomit und einige andere Karbonate bilden hug Rhomboeder aus. Ein Rhomboeder lt sich aus einem Wrfel durch Deformation senkrecht zu einer der Raumdiagonalen ableiten. In der rhomboedrischen Aufstellung durchstoen die drei Achsen jeweils die Mitten der {100}-Flchen. In der trigonalen Aufstellung ist die (100)-Flche des Rhomboeders mit (101) zu indizieren. Die c-Achse entspricht hier einer der Raumdiagonalen, whrend die beiden gleichwertigen Achsen a und b das Rhombo-

16

Mineralbestimmung mit Hilfe physikalischer Eigenschaften

eder auf Kantenmitten durchstoen. Die Miller-Indices der beiden Aufstellungen lassen sich leicht ineinander umrechnen. Bezeichnen wir die Indices der trigonalen Aufstellung mit h, k und l und die der rhomboedrischen Aufstellung mit p, q und r, so gilt: trigonal nach rhomboedrisch: p = 1/3(2h + k + l); q = 1/3(k h + l); r = 1/3(-2k h +l) rhomboedrisch nach trigonal: h = p q; k = q r; l = p + q + r Damit erhlt z.B. die (211)-Flche des trigonalen Systems die Indizierung (201) in der rhomboedrischen Aufstellung; die Flche (001) der rhomboedrischen Aufstellung erhlt die Indizierung (011) in der trigonalen Aufstellung, wie aus Abbildung 7 zu ersehen ist.

c rhomboedrische Aufstellung: c b101

trigonale Aufstellung:

a100

a 010 001

b

111

011

ABBILDUNG 7

Dolomitkristalle, rhomboedrisch (links) und trigonal (rechts) aufgestellt. Die dreizhlige Achse (trigonale Aufstellung: parallel der c-Achse, rhomboedrische: parallel einer Raumdiagonalen) ist in beiden Aufstellungen vertikal orientiert. hnlich den Miller-Indices werden Richtungen in der Kristallographie durch drei ganzzahlige Ziffern gekennzeichnet, die allerdings in eckige Klammern gesetzt werden. So ist [001] die Richtung der c-Achse oder [010] die Richtung der b-Achse; die Raumdiagonale in einem Wrfel in Richtung der positiven Abschnitte aller Achsen htte die Richtung [111]. Bei einem Kollektiv von Kristallchen, die sich in Kanten parallel zueinander schneiden, nennt man die Richtung der gemeinsamen Schnittkante eine Zonenachse und das Kollektiv der Flchen eine Zone und identiziert sie mit dem Index der Zonenachse. Z.B. gehren die Flchen (010), (110), (100) und (110) in der mittleren Zeichnung des Zirkonkristalls auf Seite 31 der Zone [001] an, weil sie gemeinsame Kanten parallel der c-Achse bilden. Zum Verstndnis der Symbole der Kristallklassen in Tabelle 4 sei noch angefhrt, da ein /m eine Spiegelebene bezeichnet, die senkrecht zu einer Drehachse steht, 4/m folglich fr eine vierzhlige Drehachse, und senkrecht dazu steht eine Spiegelebene. Ein m ohne den Schrgstrich bedeutet, da die Spiegelebene parallel zu der Drehachse liegt (auer in der monoklinen Klasse m, die keine Drehachse mit einer Zhligkeit von mehr als 1 hat), deren Zhligkeit vor dem m genannt wird. In der tetragonalen Klasse 4mm gibt es demnach eine vierzhlige Drehachse (die der c-Achse gleichgesetzt wird) und (mindestens) zwei Spiegelebenen, die parallel dieser Achse verlaufen. Eine liegt parallel der (100)-Flche, eine andere parallel der (110)-Flche; aus Symmetriegrnden existieren in dieser Kristallklasse noch zwei weitere Spiegelebenen parallel den symme-

17

Minerale

triequivalenten Flchen (010) und (110) (in der linken Skizze von Abbildung 5 sind die Spuren dieser Ebenen eingezeichnet und mit den eckigen Symbolen der Richtungen versehen). Die erste oder einzige Zahl, mit dem eine Kristallklasse benannt ist, kennzeichnet die Zhligkeit der c-Achse nur im monoklinen System die der b-Achse. Im kubischen System und im trigonalen System in der rhomboedrischen Aufstellung sind alle drei Achsen natrlich quivalent. triklin, Klasse 1 monoklin, Klasse 2 c011 110 010 110 001 001 111 111

orthorhombisch, Klasse mmm c

001

c

110 100 010

b a

b

110 111

a

110 111

b

a 101

201

trigonal Klasse 3m c101

hexagonal, Klasse 6 c

tetragonal, Klasse 4/m c

101

011

131

311

231

11 1

311

211

101

011

110

a 321 121 131

110

b

221

a 110 100

201

021 010

b

a 311

100

010

b

ABBILDUNG 8

Kristallzeichnungen verschiedener Kristallsysteme; oben links: trikliner Kristall, der nur ein Inversionszentrum hat, durch das alle Flchen auf der Vorderseite auf der Rckseite ein quivalent nden; oben Mitte: monokliner Kristall der Klasse 2 (z.B. ein Orthoklas); durch die zweizhlige Drehachse parallel b wird ebenfalls jede Flche auf der Vorderseite auf der Rckseite dupliziert; oben rechts: orthorhombischer Kristall der Klasse mmm; die Formen {111}, {110} und {001} sind symmetriequivalent; unten links: trigonaler Kristall der Klasse 3m mit den symmetriequivalenten Formen {211} und {101}; unten Mitte: hexagonaler Kristall der Klasse 6mm; die sechszhlige Drehachse parallel c versechsfacht die Flchen (101), (201) und (100); unten rechts: tetragonaler Kristall der Klasse 4/m; die vierzhlige Drehachse liegt parallel c und die Spiegelebene in der Ebene von a und b; die vierzhlige Drehachse vervierfacht die Flchen (101), (131) und (100), und die Spiegelebene spiegelt alle Flchen der oberen Hlfte des Kristalls in die untere Hlfte. Da idiomorphe Kristalle in der Natur nur vergleichsweise selten vorkommen, ist eine Mineralbestimmung nach der Kristallform leider oft nicht mglich. Zu den Mineralen, die hug in gut ausgebildeten Kristallen vorkommen, zhlen z.B. Granate, Pyrit und Turmalin.

18

01 1

011

101

13 1

1 11

Mineralklassikation

1.3.8

Andere physikalische und chemische EigenschaftenSelten kann man auch bislang nicht genannte physikalische Eigenschaften wie Radioaktivitt (Minerale, die reich sind an Uran und Thorium), Fluoreszenz unter UV-Licht (Scheelit CaWO4), magnetisches Verhalten (Magnetit), Geschmack (Halide) oder Geruch (manche Fluspte nach Anschlagen) heranziehen, um einige Minerale zu bestimmen. Weiterhin sind manche Minerale wasserlslich (manche Halide), oder sie reagieren unter Brausen mit Salzsure (z.B. viele Karbonate).

1.4 1.4.1

Mineralklassikation bersichtEin Ziel der Naturwissenschaft ist es, die Ordnung in der Natur zu begreifen und sichtbar zu machen. Dies geht nicht ohne eine Klassikation der natrlichen Systeme. Vom Standpunkt des Anfngers in den Geowissenschaften mag es wnschenswert erscheinen, die Minerale nach einigen ihrer physikalischen Eigenschaften zu klassizieren, aber keine der zuvor genannten physikalischen Eigenschaften ist ausreichend denitiv, um eine adquate Basis fr die Mineralklassizierung zu liefern. Daher benutzt man die chemische Zusammensetzung und den atomaren Aufbau (Kristallgitter), um die Minerale zu klassizieren. Hierbei spielen zunchst die Anionengruppen eine Rolle, z.B. Sul22de (S2, Oxide (O2), Halide (Cl), Fluoride (F), Sulfate (SO 4 ), Silikate (SiO 4 ), Phos32phate (PO 4 ), Karbonate (CO3 ). Weiterhin gibt es einige Minerale, die aus einem Element bestehen; man bezeichnet sie manchmal als Reinelementminerale oder gediegene Elemente. Hierzu gehren zum Beispiel Edelmetalle.Inselsilikate Gruppensilikate Ringsilikate

[SiO4

]4

[Si2O7]6

[Si3O9]6

[Si4O12]8

[Si6O18]12

ABBILDUNG 9

Baugruppen der Silikate: (SiO4)4 der Inselsilikate; (Si2O7)6 der Gruppensilikate; (Si3O9)6, (Si4O12)8, (Si6O18)12 der Ringsilikate. Bei den Gruppensilikaten geh-

19

Minerale

ren drei Sauerstoffe einem Tetraeder allein an, whrend das vierte Sauerstofon jeweils zur Hlfte zwei benachbarten Tetraedern angehrt, also 31/2 Sauerstoffe je Si. Bei den Ringsilikaten gehren zwei Sauerstoffe einem Tetraeder allein an, whrend sich die brigen beiden jeweils zur Hlfte auf zwei benachbarte Tetraeder aufteilen; es resultieren 3 Sauerstoffe je Si.

1.4.2

Strukturtypen der SilikateDie Silikatminerale sind die hugsten gesteinsbildenden Minerale. Baustein dieser Silikate ist das SiO4-Tetraeder, d.h. ein Si-Atom ist von vier O-Atomen tetraedrisch umgeben. In den Silikatstrukturen knnen diese Tetraeder isoliert auftreten oder aber ber Sauerstoffbrcken (= Sauerstofonen, die gleichzeitig zwei SiO4-Tetraedern angehren) zu Gruppen, Ringen, Ketten, Schichten oder dreidimensionalen Gersten verbunden sein. Entsprechend unterscheidet man bei den Silikaten folgende Strukturtypen:

x y z z y x

[TiO6]Oktaeder

[VII]Ca

Ca

[SiO4]Tetraeder Kristallstruktur von Titanit CaTiO(SiO4) mit Blickrichtung entlang der kristallographischen z-Achse. Die Kristallstruktur besteht aus geknickten Ketten von (TiO6)-Oktaedern; die Oktaeder sind untereinander ber Ecken verknpft. Ein weiteres Strukturelement sind isolierte (SiO4)-Tetraeder. Dabei ist jedes Tetraeder mit den Sauerstofonen von vier verschiedenen (TiO6)-Oktaedern in drei Ketten verbunden. Auf diese Weise entsteht ein Gerst mit groen Hohlrumen, in dem die Ca-Ionen in siebenfacher Koordination durch Sauerstoff sitzen. Die kleine Zeichnung rechts zeigt ein (CaO7)-Polyeder. Die Sauerstoffe sitzen jeweils an den Ecken der Polyeder und sind selbst nicht dargestellt. Markiert durch (grne) Linien ist in dieser und in den folgenden Kristallstrukturskizzen die sogenannte Elem e n t a r z e l l e , d i e k l e i n s t e E i n h e i t i n e i n e r K r i s t a l l s t r u k t u r, d i e a l l e Symmetrieelemente (und damit auch alle Bausteine) enthlt und durch deren dreidimensionale Aneinanderreihung ein Kristall entsteht. Diese und alle brigen Kristallstrukturen stammen leicht modiziert aus der Bibliothek des Programmes CrystalMaker (http://www.crystalmaker.com/).

ABBILDUNG 10

20

Mineralklassikation

[BO3]Dreiecke

[SiO4]Tetraeder

z

x

[NaO9]y Polyeder [Li,AlO6]Oktaeder

[AlO6]Oktaeder

x z

y

ABBILDUNG 11

Kristallstruktur von Turmalin (Variett Elbait) Na0.5(Li,Al)3Al6(Si6O18)(BO3)3 (OH,F)4, geschaut in Richtung der z-Achse. Die Sechserringe aus (SiO4)-Tetraedern sind gut erkennbar. An der oktaedrischen Koordination (Li,Al)3-Ionen sind auch die OH-Gruppen beteiligt, was in der Zeichnung nicht zum Ausdruck kommt.

21

Minerale

[Si2O6]42

[Si4O11]6

1

2

1

1 2 2

1

1

Pyroxene

Amphibole

[Si3O9]63 1 2 1 2 3 1 2

Wollastonit

5 3 1 4 2 1 2

[Si5O15]10 Rhodonit

ABBILDUNG 12

Eindimensional unendliche Baugruppen der Ketten- und Bndersilikate. Fr die Pyroxene sind zwei einander parallele Ketten dargestellt, fr die Amphibole zwei parallele Bnder; dicke (dunkelblaue) Ringe um die groen (hellblauen) Sauerstoffionen bedeuten, da ein Si-Ion der Kette bzw. des Bandes in einer Hhe unterhalb dieser Sauerstofonen liegt. Die symmetrische Abfolge der Tetraeder kann sich in verschiedener Lnge von Ketten und Bndern wiederholen; dies ist in der Abbildung durch die Numerierung dargestellt. Bei Pyroxenen und Amphibolen ist die Sequenz also 1 2 1 2 etc., beim Wollastonit 1 2 3 1 2 3 etc., whrend die Abfolge beim Rhodonit erst ab dem sechsten Tetraeder wiederholt wird. Rhodonit ist CaMn4(Si5O15). (Si3O9)- und (Si5O15)-Ketten sind unter den Silikaten selten. Weitere ungewhnliche Kettenlngen, verwirklicht in seltenen Mineralen sind (Si6O17)10-, eine Doppeldreierkette [z.B. in Xonotlit, Ca6(Si6O17)(OH)2] und (Si7O21)14- [z.B. in Pyroxmangit, (Fe,Mn)7(Si7O21)]. Gelb hinterlegt ist jeweils eine Struktureinheit (Si2O6)4-, (Si4O11)6- etc. Beim Zhlen der Sauerstofonen ist wieder daran zu denken, da Sauerstoffe, die benachbarte Tetraeder verbinden, jeweils zur Hlfte einem Tetraeder angehren.

22

Mineralklassikation

z y x

z x

y

[MgO6] Oktaeder

Ca

[SiO4] TetraederABBILDUNG 13

Kristallstruktur von Diopsid CaMg(Si2O6) in zwei Blickrichtungen. Im linken Diagramm sind die parallelen Ketten aus (SiO4)-Tetraedern in Richtung der z-Achse zu sehen. Die Ketten sind untereinander durch Mg-Ionen in oktaedrischer und durch Ca-Ionen in achtfacher Koordination verbunden.

Inselsilikate (Nesosilikate, Orthosilikate) besitzen isolierte (SiO4)4-Tetraeder, die durch zwischengelagerte Kationen zusammengehalten werden (Verhltnis Si : O = 1 : 4). Beispiele: Olivin, Granat, Zirkon, Andalusit, Disthen, Sillimanit, Staurolith, Topas, Chloritoid, Titanit (Abbildung 9, S.19, Abbildung 10). Gruppensilikate (Sorosilikate) enthalten (unter anderen) (Si2O7)6-Gruppen. Diese entstehen durch die Verbindung zweier (SiO4)4-Tetraeder ber ein gemeinsames Sauerstofon. Beispiele: Epidot, Vesuvian, Lawsonit (Abbildung 9). Ringsilikate (Cyclosilikate) enthalten Ringe (= geschlossene Ketten) von verknpften SiO4-Tetraedern mit einem Verhltnis von Si : O = 1 : 3. Drei Kongurationen sind in der Natur verwirklicht: (Si3O9)6, (Si4O12)8- und (Si6O18)12-Ringe; die beiden erstgenannten Kongurationen sind selten. Beispiele: Beryll, Cordierit, Turmalin (Abbildung 9, Abbildung 11). Kettensilikate (Inosilikate) weisen zu Ketten verknpfte SiO4-Tetraeder auf. Je 2 Sauerstoffe eines Tetraeders gehren gleichzeitig zwei Tetraedern an (Verhltnis Si : O = 1 : 3). Die negativ geladenen Ketten werden wiederum durch Kationen zusammengehalten. Beispiele: Pyroxene, Wollastonit (Abbildung 12, Abbildung 13).

23

Minerale

y

z

x

x y

z

Ca Na HABBILDUNG 14

[MgO6]-Oktaeder

[Si,AlO4]-Tetraeder

Kristallstruktur der Amphibole am Beispiel des Pargasits (Ca,Na,K)Ca2Mg4 (Mg,Al,Fe3+)(Si6Al2O22)(OH,F)2. Das untere Diagramm zeigt den Aufbau aus Doppelketten aus [(Si,Al)O 4 ]-Tetraedern in Richtung der z-Achse. Die (Mg,Al,Fe3+)-Ionen sind oktaedrisch koordiniert. Die greren Ca- und Na-Ionen sind meist achtfach koordiniert.

24

Mineralklassikation

[Si2O5]2-

[Si4O10]4

SiO2

ABBILDUNG 15

links: zweidimensional unendliche Baugruppen der pseudohexagonalen Schichtsilikate; rechts: dreidimensional unendliches Tetraedergerst von Quarz

Bndersilikate sind dadurch charakterisiert, da jeweils zwei Tetraederketten zu einem Band verknpft sind. Damit mssen zwei benachbarte Tetraeder unterschieden werden, die in Abbildung 12 mit (a) und (b) bezeichnet sind. In Tetraeder (a) gehren zwei Sauerstoffe dem Tetraeder alleine zu, whrend zwei weitere jeweils zur Hlfte einem benachbarten Tetraeder darber bzw. darunter angehren (also Si : O = 1 : 3 fr dieses Tetraeder). In Tetraeder (b) gehrt dagegen nur ein Sauerstoff dem Tetraeder allein an (der Sauerstoff senkrecht zur Zeichenebene), whrend die brigen drei Sauerstoffe jeweils zur Hlfte verschiedenen benachbarten Tetraedern angehren, so da sich hierfr ein Si : O von 1 : 2.5 ergibt. Gemittelt ber (a) und (b) erhlt man damit fr die Bndersilikate ein Si : O = 1 : 2.75. Beispiele: Amphibole (Abbildung 12, Abbildung 14). Schichtsilikate (Phyllosilikate) besitzen zu Schichten vernetzte SiO4-Tetraeder. Dabei bilden die SiO4-Tetraeder vernetzte Sechserringe. Jeweils drei der vier Sauerstoffe eines Tetraeders gehren gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an. Es ergibt sich Si : O = 1 : 2.5 (30.5 + 1) Beispiele: Biotit, Muskovit, Paragonit, Margarit, Chlorite, Serpentin, Talk, Pyrophyllit (Abbildung 15, Abbildung 16).

25

Minerale

Gerstsilikate (Tektosilikate) zeigen eine vollkommene Vernetzung der SiO4-Tetraeder ber alle Ecken, d.h. alle Sauerstoffe gehren gleichzeitig zwei Tetraedern an. Dies bedeutet Si : O = 1 : 2 (40.5). Beispiele: Quarz, Feldspte, Feldspatvertreter (Foide), Skapolith, Zeolithe (Abbildung 15, Abbildung 17). [(Si,Al)O4]Tetraeder [FeO6]Oktaeder

x

[MgO6]Oktaeder

z

y

K

x y

z

ABBILDUNG 16

Kristallstruktur von Biotit K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(OH,F)2. In der rechten Abbildung sieht man die Verbindung der [(Si,Al)O4]-Tetraeder ber jeweils drei Ecken mit drei verschiedenen anderen Tetraedern. Auf diese Weise werden sechseckige eindimensionale Netze aufgebaut. In der linken Abbildung sieht man in Richtung der c-Achse die Anordnung von jeweils einer Oktaederschicht aus [(Mg,Fe)O6], die oben und unten von einer Tetraederschicht eingeschlossen wird. Benachbarte Pakete dieser drei Schichten werden durch die groen K-Ionen verbunden.

26

Mineralklassikation

[SiO4]Tetraeder

Ca

[AlO4]Tetraeder

z y x x z

y

ABBILDUNG 17

Kristallstruktur von Anorthit Ca(Al2Si2O8) als Beispiel fr Gerstsilikate. Jedes [(Si,Al)O4]-Tetraeder ist mit vier anderen Tetraedern ber Ecken verbunden und baut dadurch das dreidimensionale Gerst auf. Die Ca-Ionen besetzen groe irregulre Hohlrume in dieser recht sperrigen Struktur. (SiO4)- und (AlO4)-Tetraeder sind im Anorthit und in anderen Feldspten bei hohen Temperaturen gleichwertig, d.h. es bildet sich eine statistische Abfolge in der Kristallstruktur heraus. Bei langsamer Abkhlung bildet sich dagegen eine geordnete Abfolge heraus derart, da jedes Sauerstofon von je einem Al- und Si-Ion umgeben ist. Dies ist in der Abbildung dadurch dargestellt, da jedes (gelbe) (AlO4)-Tetraeder mit einer Ecke an ein (blaues) (SiO4)-Tetraeder grenzt.

27

Minerale

1.5

Wichtige Minerale und ihre EigenschaftenEinige der Kristallzeichnungen auf den folgenden Seiten sind farbig gestaltet. Symmetriequivalente Flchen sind dabei durch identische Farben markiert. Bei Angabe der Miller-Indices der Flchen wurde aus Platzgrnden auf die runden Klammern verzichtet. Eine Flche (111) wird also der Einfachheit halber nur als 111 ausgewiesen.

1.5.1

Inselsilikate (Ortho-, Nesosilikate)Olivin Mg2 SiO4 Forsterit 1 00 Fe 2+ SiO 4 Fayalit 2 101 021 Die beiden Endglieder bilden eine lckenlose Mischkristallreihe. 010 110 orthorhombisch (Klasse mmm) 110 120 selten gut ausgebildete Kristallflchen, meist krnig (gesteinsbildend) 021 101 muschelig; keine Spaltbarkeit 021 11 1 Glasglanz, etwas fettig 01 1 111 Je nach Zusammensetzung gelblich bis dunkel010 grn 110 110 120 7 (oft geringer infolge Serpentinisierung) 101 021 3.3 4.4 magmatisch; metamorph Mg-reicher Olivin als Rohstoff fr Herstellung von feuerfestem Material; klare groe Kristalle von Mg-reichem Olivin als Schmuckstein (Peridot) 120 120

Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Glanz: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: Verwendung:

Granat

Die Gruppe der Granate umfat mehrere lckenlose Mischkristallreihen mit der allgemeinen Formel 2 A 3+ B3+ (SiO 4 )3 mit A2+ = Ca, Mg, Fe2+, Mn 2 B3+ = Al, Fe3+, Cr u.a. Mg 3Al 2 (SiO 4 )3 Pyrop Pyralspit - Gruppe Fe3Al 2 (SiO 4 )3 Almandin (lckenlos mischbar) Mn3Al 2 (SiO 4 )3 Spessartin Ca 3Cr2 (SiO 4 )3 Uwarowit Ugrandit - Gruppe Ca 3Al 2 (SiO 4 )3 Grossular (lckenlos mischbar) Ca 3Fe3+ (SiO 4 )3 Andradit 2 Die Mischbarkeit zwischen den Pyralspit- und Ugranditgruppen ist begrenzt. kubisch (Klasse m3m) oft gut ausgebildete Kristallflchen: Rhombendodekaeder (in der Zeichnung links), Ikositetraeder (zweite Skizze von links) und Kombinationen aus beiden (dritte und vierte Skizze von links); auch derb, krnig bis dicht Glasglanz bis Fettglanz, durchsichtig bis undurchsichtig hufig rosa, rot, braun bis braunrot; selten farblos (reiner Pyrop), grn (Grossular Andradit) oder schwarz; nie blau 7

Kristallsystem: Ausbildung:

Glanz: Farbe: Hrte:

28

11 1

1 11

Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften

Granatkristalle 112 011 121

112 12 1

2 11

101

2 11 1 12

21 3

2 11

2 11

21

2 11

1 01

3

1 01

1 01

101 1102 11

1012 31 21131 2

101 110 110 101 011

211 211 11 2

211 211 112

121 121

110

2

11

12

1

12

1

11021 111 2

11021 1 1011 12

110

1 32

21

1

12

11

21 1

1 12

21 1

21 1

1 21

1 21

23

21 3 1 2111 2

1102

121 31

Formen:

{110}

{211}

Kombination aus {110} und {211}

11 2

Bruch: Vorkommen: Verwendung:

Aluminiumsilikate

u ine niva ra ria le n im te Gl Kur di eic ve va hg ria ew Fe nt ich l e

t)

P [kbar]

6 4 2 0

s

(

d ) Fel abil tes al st n ria er iva Min d in re nu

(2

Sillimanit10

Andalusitdivariantes Feld 400 600 800 1000

0

200

T [ C]ABBILDUNG 18

Zustandsdiagramm der Aluminiumsilikate Al2SiO5 oder Al[6]Al[5]O(SiO4) (Die hochgestellten Zahlen geben die Koordination von Al durch X Sauerstoffe an.) orthorhombisch (Klasse mmm) dicksulige Kristalle mit viereckigem (quadratisch oder rautenfrmig) Querschnitt, der oft ein dunkles Kreuz aufweist (= Variett Chiastolith)

Andalusit Kristallsystem: Ausbildung:

M

d

121

101

101

Kombination aus {110}, {211} und {321}

muschelig; keine Spaltbarkeit metamorph; selten magmatisch als Schmuckstein; wichtiges Mineral fr die radiometrische Altersbestimmung (LuHf- und SmNd-Methoden) (Polymorphie von Al2SiO5): Der feste Stoff Al2SiO5 hat ein Zustandsdiagramm mit Tripelpunkt (drei Phasen treten bei dieser Druck [P] Temperatur- [T] Kombination stabil nebeneinander auf; der Tripelpunkt ist hier ein invarianter Punkt; das heit, wenn P oder T auch nur geringfgig verndert werden, sind nur noch maximal zwei Phasen nebeneinander stabil Abbildung 18). In Al2SiO5-fhrenden Gesteinen tritt in der Regel nur jeweils ein Al-Silikat auf; es gestattet Rckschlsse auf die bei der Entstehung (Metamorphose) herrschenden PT-Bedingungen.

10 8

Distheninvarianter Punkt (3 Minerale im Gleichgewicht)

30

Tiefe [km]29

20

Minerale

Folge von Querschnitten durch einen Chiastolithkristall

Bruch: Glanz: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: Verwendung

eine schlechte Spaltbarkeit 001 01 1 1 01 Glasglanz, etwas fettig; oft jedoch auch trb grau bis graublau, wei, rtlichgrau bis rosa; Ober flche der Kristalle oft mit Muskovit berzogen 110 110 1 7 /2 (meist niedriger infolge Umwandlung) 3.2 metamorph; sehr selten auch magmatisch (Granite) aller Al2SiO5-Minerale: Rohstoffe fr Al-reiche hochfeuerfeste und sureresistente Materialien Al2SiO5 oder Al[6]Al[6]O(SiO4) Zwilling: 001 c triklin (Klasse 1) Kristalle sind oft breitstengelig bis leistena frmig, linealartig, meist ohne Endflchen b 100 010 b eine vollkommene Spaltbarkeit H7 Perlmuttglanz wei bis blau, meist fleckig Anisotropie der Hrte: lngs = 41/2, quer = 61/2 dadurch praktisch unverwechselbar 3.6 metamorph, oft zusammen mit Staurolith und Almandin Al2SiO5 oder Al[6]Al[4]O(SiO4) orthorhombisch (Klasse mmm) stengelige bis kleinnadelige Kristalle; auch faserige, filzige Aggregate (= Variett Fibrolith), dann nur mikroskopisch erkennbar eine vollkommene Spaltbarkeit Seidenglanz wei bis grau, selten auch gelbgrau 6 bis 7 3.2 metamorph 110 H 41/2

Disthen Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Glanz: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: Sillimanit Kristallsystem: Ausbildung:

001

110

110

Bruch: Glanz: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: Staurolith Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: 30

(Fe2+, Mg)2(Al, Fe3+, Ti)9O6[(Si,Al)O4]4(O,OH)2 pseudorhombisch (Klasse mmm, eigentlich monoklin 2/m) breitstengelige bis langprismatische Kristalle; Durchkreuzungszwillinge sind hufig keine Spaltbarkeit, aber Querbrche der Stengel braun bis schwarz 7 3.7 metamorph; oft von Disthen begleitet und manchmal mit die-

010

Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften

Verwendung:

sem verwachsen gelegentlich als Schmuckstein001 101 110 110 010 110 001101

Staurolith

001 010 c p p m 001102

110

110

110 101

110

prismatischer Kristall Chloritoid Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Farbe: Hrte: Vorkommen: Titanit Kristallsystem: Ausbildung: Farbe: Hrte: Vorkommen:

Durchkreuzungszwillinge

(Fe2+, Mg, Mn)Al2O(SiO4)(OH)2 monoklin (Klasse 2/m) oder triklin (Klasse 1) tafelige Kristalle eine gute Spaltbarkeit dunkelgrn bis schwarz 67 metamorph (Sphen) CaTiO(SiO4) monoklin (Klasse 2/m) tafelige, oft keilfrmige, briefkuvertfrmige Kristalle meist gelb bis braun oder rotbraun; auch grnlich 5 51/2 plutonisch (v.a. in dioritischen Gesteinen); metamorph in Grnschiefern, Amphiboliten, Eklogiten, hufig in Klften (Hierzulande wird der Name Sphen oft allein fr diese Titanite auf Klften verwendet.) selten als Ti-Erz

m

Titanit

111

111

Verwendung: Zirkon Kristallsystem: Ausbildung:

110

100

110

110 100

010

Bruch: Hrte: Kristalle:

Glanz: Farbe:

ZrSiO4 tetragonal (Klasse 4/ 011 101 mmm) Zirkon 112 Kristalle von prisma2 301 11 21 031 tischem bis pyrami1 011 101 101 011 12 1 1 21 dalem Habitus 010 100 eine unvollkommene 110 100 010 Spaltbarkeit 301 21 121 71/2 1 211 101 1 101 011 1 gut ausgebildete Kri 0 112 011 101 stallflchen selten; fast immer eingewachsen; sekundr in abgerollten Krnern nichtmetallischer hoher Glanz grau, braun, braunrot, seltener gelb, grn oder farblos03 1 121

31

Minerale

Vorkommen: Verwendung:

magmatisch und metamorph; sekundr in Sedimenten (wichtiges Schwermineral) Rohstoff fr ZrO2 (Feuerfestmaterial, Glasuren, Pigmente), zur Gewinnung der Metalle Zr und Hf, als Schmuckstein; wegen seines Gehaltes von U und Th wichtiges Mineral fr die radiometrische Altersbestimmung Al2(SiO4)(F,OH)2 orthorhombisch (Klasse mmm) eine vollkommene Spaltbarkeit (quer zum Prisma) farblos, weigelb, hellblau, selten auch rosa 8 plutonisch (postmagmatisch), selten auch metamorph als Edelstein10 112 113

Topas Kristallsystem: Bruch: Farbe: Hrte: Vorkommen: Verwendung:

001 113 112 111

001 112 011 021 110

Topas

3

01 1

111

101 111

120

110

110

120

001 120 112

011 021 111

120

101 112 111 111 112 011

1.5.2

Gruppensilikate (Sorosilikate)Epidot Ca2(Al, Fe3+)Al2O(SiO4)(Si2O7)(OH) Die Fe3+-arme Variett heit Klinozoisit; im Allanit (= Orthit) ist Ca teilweise durch Seltene Erden (insbes. La, Ce, Nd) ersetzt monoklin (Klasse 2/m); der chemisch mit Klinozoisit identische (meist graue) Zoisit ist rhombisch (2/m m) prismatische, oft gestreckte und in Lngsrichtung gestreift Kristalle, die zu strahligen oder spieigen Bscheln aggregiert sein knnen; auch krnig oder dicht und derb102 311 410 305

Kristallsystem: Ausbildung:

Zoisit001

Epidot 102 11 1 011 1

101301 401

31

1

001 011 100 111 101

111

11

610

100 401 301 101

610

41011 1 011

311

1 31

011

Farbe: Hrte: Dichte: Bruch: Vorkommen:

Verwendung:

oft gelbgrn bis dunkelgrn, pistaziengrn (Pistazit), rosa (Mn-reicher Piemontit) 67 3.4 eine gute und eine schlechte Spaltbarkeit metamorph (vor allem in Grnschiefern und Kalksilikatgesteinen), oft in Klften; Zoisit auch in Amphiboliten und Eklogiten; Allanit akzessorisch in Graniten, Syeniten, Pegmatiten, Skarnen gelegentlich als Schmuckstein (Epidot, Zoisit); Allanit gelegentlich als Erz der leichten Seltenen Erden (La, Ce, Pr, Nd)

32

Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften

Vesuvian Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Glanz: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen: Lawsonit Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen:

(auch: Idokras) Ca10(Mg,Fe)2Al4(SiO4)5(Si2O7)2(OH)4 tetragonal (Klasse 4/m m) kurz- und dicksulig, seltener langsulig und dipyramidal uneben, splittrig 001 2 11 Glasglanz; auf Bruchflchen 011 101 Fettglanz 2 001 braun, grn, gelb 11 011 101 100 110 1 10 110 0 100 6 /2 101 11 11 0 2 112 3.4 11 101 1 2 11 kontaktmetamorph 01 2 11010 120 210 110 210 120 210

120 110

11

2

CaAl2(Si2O7)(OH)2H2O orthorhombisch (Klasse mm2) quaderfrmige bis rhomboedrische Kristalle mit typischen rechteckigen Querschnitten; fast immer sehr kleine Kristalle zwei vollkommene Spaltbarkeiten farblos bis wei 6 3.7 hochdruckmetamorph 11 2 001 2 11 012 102 12 122 112 2

1.5.3

Ringsilikate (Cyclosilikate)Beryll Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Hrte: Farbe: Vorkommen: Verwendung:

21

2

Be3Al2(Si6O18) hexagonal (Klasse 6/mmm) 100 010 oft hexagonal-sulige Kristalle 100 eine schlechte Teilbarkeit nach der Basis der suligen Kristalle 71/2 8 2 21 112 12 2 012 102 grn (= Smaragd), blau (= Aquamarin), gelb, rtlich, grau; durchsichtig bis undurchsichtig pegmatitisch wichtigstes Be-Erz (Be z.B. fr Legierungen, BeO als feuerfestes Material), Smaragd und Aquamarin als Edelsteine 110001 (Mg,Fe2+)2Al3(AlSi5O18) 001 1 12 112 101 111 111 112 orthorhombisch (Klasse mmm) oft prismatische bis sulige Kri 110 100 110 110 100 stalle, aber auch krnig 110 eine gute und eine schlechte Spalt 111 111 barkeit 112 101 7 Cordierit grau, brunlichblau, tiefblau bis schwarz; durchsichtige Kristalle zeigen auffallenden Dichroismus (violettblau gelb) metamorph; sehr selten magmatisch (Granite) Rohstoff fr Keramiken (v.a. synthetisch hergestellt); wegen hoher Temperaturwechselbestndigkeit Trgermaterial fr Automobilkatalysatoren und fr feuerfestes Haushaltsgeschirr010

31

2

Cordierit Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Hrte: Farbe: Vorkommen: Verwendung:

110

210

112

120

1 12

2

11

2

33

Minerale

Turmalin Kristallsystem: Ausbildung:

(Na,K)(Mg,Fe,Li,Al)3Al6(Si6O18)(BO3)3(OH,F)4 (komplexes Mischkristallsystem) trigonal (Klasse 3m) sulige Kristalle; oft lngsgestreift; hufig in radialstrahligen Aggregaten (Turmalinsonnen) 841

Turmalin001 221101

101

11 1 021 441 481

Kopfbild: 201 011 221 101 021 111

021 210 120 110 120 110 100

210

100 110

011

011

Farbe:

Hrte: Bruch: Vorkommen: Verwendung:

je nach chemischer Zusammensetzung wechselnd; hufig schwarz (Fe-reich = Variett Schrl) aber auch grn, blau, rot, braun, farblos; oft zonar (mehrfarbig); transparente, farbige Turmaline werden als Edelsteine verwendet (meist Variett Elbait) 71/2 keine Spaltbarkeit; jedoch Querbrche der Sulen pegmatitisch, magmatisch, metamorph in der Schmuckindustrie; selten als Rohstoff fr Bor

1.5.4

Ketten- und Bndersilikate (Inosilikate)Pyroxen-Gruppe Allgemeine Formel: AB[(Si,Al)2O6] mit A = Na, Ca, Mg, Fe2+, Mn B = Mg, Fe2+, Mn, Fe3+, Al, Ti, Cr Orthopyroxene [Opx]: Mg2(Si2O6) (Mg,Fe)2(Si2O6) Fe2(Si2O6)Hypersthen 11 11

Enstatit Hypersthen, Bronzit Orthoferrosilit 210

1 11 1 21

1121

1

Kristallsystem: Ausbildung: Bruch: Farbe:

Klinopyroxene [Cpx]: 100 CaMg(Si2O6) Diopsid; CaFe2+(Si2O6) Hedenbergit 1 21 21 1 2+ 3+ 1 Ca(Mg,Fe ,Fe ,Al,Ti)[(Si,Al)2O6] Augit 11 NaAl(Si2O6) Jadeit 3+ NaFe (Si2O6) girin (Akmit) (Na,Ca)(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)(Si2O6) Omphacit der Name Diallag wird fr einen diopsidischen Cpx mit blttriger Absonderung durch Entmischung von Opx verwendet; Orthopyroxene = orthorhombisch (Klasse mmm) Klinopyroxene = monoklin (Klasse 2/m) prismatische Kristalle mit quadratischem, meist achtseitigem Querschnitt zwei gute Spaltbarkeiten im Winkel von nahezu 90 dunkelbraun bis schwarz (Augit, Hypersthen bis Orthoferrosilit), grn bis schwarzgrn (Diopsid bis Hedenbergit bis Augit, Jadeit210

010

34

Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften

c p p

11 1

p

p 110 100

11 1

111 010 a m

b 110 110

010

(010)

m a

100

110

92-93 87-88 (100)

(1 10 )

111

Diopside

basaltischer Augit

Titanaugit

girin

Hrte: Dichte: Vorkommen: Verwendung:

bis Omphacit), wei (Diopsid, Jadeit) 56 3.1 3.5 magmatisch (Diopsid, Augit, Opx, girin); metamorph (DiopsidHedenbergit, Opx, Jadeit, girin) reine Enstatitgesteine fr feuerfeste Materialien; Diopsid und vor allem Spodumen [LiAlSi2O6] als Schmucksteine Allgemeine Formel: A01X2Y5[(Si,Al)8O22](OH,F,Cl)2 mit A = K, Na X = Na, Ca, Mg, Fe2+, Mn Y = Mg, Fe2+, Mn, Fe3+, Al, Ti Orthoamphibole: (Mg,Fe2+)7(Si8O22)(OH)2

Amphibol-Gruppe

Anthophyllit Gedrit

Kristallsystem:

Klinoamphibole: (Na,K)01(Ca,Na)2(Mg,Fe2+,Mn,Fe3+,Al,Ti)5 (Al0.52.0Si7.56.0O22)(OH)2 Hornblende 2+ Ca2(Mg,Fe )5(Si8O22)(OH)2 Tremolit Aktinolith (Mg,Fe2+)7(Si8O22)(OH)2 Cummingtonit 2+ Na2(Mg,Fe )3Al2(Si8O22)(OH)2Glaukophan Na 2 (Fe 2+ , Mg)3 Fe3+ (Si 8O 22 )(OH)2 Riebeckit 2 Orthoamphibole = orthorhombisch (Klasse mmm) Klinoamphibole = monoklin (Klasse 2/m) 011

Typische Spaltwinkel und Spaltbarkeiten von Amphibolen54.55656 124

Hornblendekristalle011

011

101 011 31 121 0

Aktinolith 101 121

r

r 110 b m 110

(010)

110

110

010

110

010

100

110

(11

0) 101

m a

e

121

031

121

Ausbildung:

prismatische Kristalle mit meist sechseckigem Querschnitt; oft

100

o

o

310 310

b

110

87

m

110

661 661

Spaltwinkel Typische Pyroxenvon Pyroxenen spaltbarkeit

001

22 1

Klinopyroxenkristalle

221

35

Minerale

Bruch: Farbe:

Hrte: Dichte: Vorkommen:

Verwendung:

auch nadelig oder faserig zwei gute Spaltbarkeiten im Winkel von 56 bzw. 124 dunkelbraun oder dunkelgrn bis schwarz (Hornblende), grn bis schwarzgrn (Aktinolith), wei (Tremolit), blau bis schwarzblau (Glaukophan, Riebeckit), grau (Anthophyllit) 56 2.9 3.2 magmatisch (Hornblende, Riebeckit); metamorph (Hornblende, Tremolit, Aktinolith, Anthophyllit, Cummingtonit, Glaukophan, Riebeckit) faserige Amphibole [Tremolit-, Aktinolith-, Anthophyllit-, Krokydolithasbeste (Krokydolith ist ein faseriger Riebeckit)] frher zur Herstellung von hitze- und surebestndigen Materialien; wegen potentieller Gesundheitsgefhrdung durch Einatmen der Stube ist die Verwendung in der EG jetzt verboten; CaSiO3 triklin (Klasse 1) oder monoklin (Klasse 2/m) oft nadelige Kristalle, die zu fein 101 1 11 11 faserigen Aggregaten vereint sein 2 001 011 0 101 knnen; auch krnig und derb 11 201 310 210 601 100 zwei vollkommene Spaltbarkeiten 41/2 5, oft schwer bestimmbar Glasglanz, auch perlmuttartig; bei faserigen Aggregaten Seidenglanz durchscheinend wei bis leicht gefrbt in kontaktmetamorphen Kalken; selten vulkanisch (z.B. in Phonolith vom Kaiserstuhl) v.a. Rohstoff fr die Feuerfestindustrie

Wollastonit Kristallsystem: Ausbildung:

Bruch: Hrte: Glanz: Farbe: Vorkommen: Verwendung:

1.5.5

Schichtsilikate (Phyllosilikate)Glimmergruppe sie umfat die fast immer dunklen MgFe-Glimmer (Biotitgruppe) und die hellen Al-reichen Glimmer (Muskovit, Phengit, Paragonit und andere als Hellglimmer zusammengefat); K(Mg,Fe2+,Fe3+,Al,Ti)2.53.0[(Al,Fe3+)Si3O10](OH)2 (Mischkristallreihe; das Fe-freie dann helle Endglied heit Phlogopit) monoklin (Klasse 2/m) oft tafelige, pseudohexagonale Kristalle; blttrig bis schuppig Schlagfigur in Glimmer: Biotit001 001 110 110 010 112 111 101 010 110 110

Biotit Kristallsystem: Ausbildung:

010

132

112 111

132

010

110

110

Bruch:

eine ausgezeichnete Spaltbarkeit; dnne Spaltblttchen sind im Unterschied zu anderen Schichtsilikaten elastisch biegsam; An-

36

Wichtige Minerale und ihre Eigenschaften

Farbe: Hrte: Dichte: Vorkommen:

schlagen mit einem nicht allzu spitzen Gegenstand produziert die charakteristische sechsstrahlige Schlagfigur (siehe Skizze); braun bis schwarz; selten auch dunkelgrn (Ti-arm) 21/2 3 ca. 3.0 (je nach Zusammensetzung) magmatisch (Diorit, Tonalit, Granodiorit, Granit, Rhyolith), metamorph (u.a. in Phyllit, Schiefer, Gneis) Muskovit KAl2(AlSi3O10)(OH)2; Paragonit NaAl2(AlSi3O10)(OH)2; Phengit unterscheidet sich von Muskovit durch einen hheren Si-Gehalt (Si:Al auf den Tetraederpltzen ist grer als 3; dafr wird ein gleicher Anteil des oktaedrisch koordinierten Al durch Mg-Ionen ersetzt, also AlIV + AlVI SiIV + MgVI) monoklin (Klasse 2/m) oder triklin tafelige, oft pseudohexagonale Kristalle; blttrig bis schuppig, manchmal feinschuppig (= Muskovit/Phengit-Variett Serizit) eine ausgezeichnete Spaltbarkeit (Blattspalter) wie Biotit farblos, in dickeren Tafeln auch grau, gelblich, brunlich perlmuttartig; in kleinen Schuppen (Serizit) silberglnzend 2 21/2 Muskovit metamorph, magmatisch; Phengit und Paragonit nur metamorph; die Hellglimmer knnen voneinander nur chemisch unterschieden werden! in der Elektroindustrie (Isolatormaterial), in der Kosmetikindustrie (als Flitter in Lippenstiften), in Lacken (K,Na,Ca) Na; er sollte infolge der fehlenden Entmischung zumindest partienweise klar durchsichtig sein; Orthoklas = K > Na; Al und Si sind teilweise geordnet; Kristallsystem = morphologisch monoklin (Klasse 2/m), strukturell eigentlich triklin; gebildet bei mittleren Temperaturen oder aus Sanidin bei langsamer Abkhlung entstanden; in Plutoniten und Metamorphiten Adular ist ein meist hydrothermal gebildeter und oft wasserklarer Orthoklas; Mikroklin = K > Na; Tieftemperatur-Alkalifeldspat; Kristallsystem = triklin (Klasse 1); Al und Si weitgehend geordnet; in Plutoniten und Metamorphiten; Amazonit ist grner Mikroklin; Perthit = Beim langsamen Abkhlen entstandener, entmischter Kristall eines ursprnglich homogenen, K-reichen Alkalifeldspats: Matrix (Wirt) = Orthoklas oder Mikroklin, Lamellen oder Adern (Gast) = Albit Antiperthit = wie Perthit, jedoch aus einem ursprnglich Na-rei-

Feldspatgruppe

41

Minerale

chen homogenen Alkalifeldspat entstanden: Matrix = Albit, Lamellen oder Adern = Orthoklas oder Mikroklin Mesoperthit = wie Perthit, aber aus einem Ausgangskristall mit Na K entstanden Plagioklas (Kristallsystem = triklin (Klasse 1)) ist ein Mischkristall zwischen Albit und Anorthit. Der Name der einzelnen Mischkristallglieder richtet sich nach dem Gehalt an Anorthitkomponente (An): Albit 0 10 Mol.% An Oligoklas 10 30 Mol.% An Andesin 30 50 Mol.% An Labradorit 50 70 Mol.% An Bytownit 70 90 Mol.% An Anorthit 90 100 Mol.% AnCaAl2Si2O8 AnAnorthit

se

kla

gio

Pla

La

bra

doMischungslcke(ein Plagioklas und ein Alkalifeldspat existieren nebeneinander)

Ol

igo

Alb it

kla

s

Anorthoklas

An

de

sin

rit

By

tow

nitSanidin

Ab NaAlSi3O8

Alkalifeldspte

Or KAlSi3O8

ABBILDUNG 21

Einteilung von Plagioklasen und Hochtemperatur-Alkalifeldspten