Mineralogie

Kristalle (grch. κρύσταλλοσ = Eis, übertragen auf den Bergkristall; Abb. 1.1) sind feste, homogene, anisotrope Körper mit dreidimensional periodischer Anordnung ihrer chemischen Bausteine (Atome, Ionen, Moleküle). Der Kristallbegriff greift weit über die Mineralwelt hinaus. Nicht nur Minerale, sondern fast alle anorganischen und viele organische Festkörper sind kristallin. Viele synthetische Kristalle, die in technischen Betrieben künstlich gezüchtet oder durch Massenkristallisation hergestellt werden, haben grundlegenden Einfluss auf unser tägliches Leben, vom Zucker zum Aspirin, vom Schwingquarz in Uhren zu Mikrochips in Computern, von Laserkristallen zu Katalysatoren.

Minerale sind chemisch homogene, natürliche Bestandteile der Erde und anderer Himmelskörper, wie Mond, Meteoriten, erdähnliche Planeten unseres und anderer Sonnensysteme. Von wenigen Ausnahmen abgesehen sind Minerale anorganisch, fest und kristallisiert.

GesteineGestein sind Mineralaggregate, die räumlich ausgedehnte, selbständige geologische Körper bilden und wesentliche Teile der Erde, des Mondes und der erdähnlichen Planeten aufbauen. Gesteine können auch natürliche Gläser enthalten oder ganz aus ihnen bestehen.

Im elementaren Zustand treten in der Natur etwa 20 chemische Elemente auf. Darunter befinden sich gediegene (ged.) Metalle, Metalloide (Halbmetalle) und Nichtmetalle. Die Metalle sind meistens legiert: Sie neigen zur Mischkristallbildung, z. B. (Au, Ag). Die wichtigsten Vertreter sind in Tab. 4.1 zusammengestellt.

Zu dieser Mineralklasse gehört die größte Anzahl der Erzminerale. Viele von ihnen sind opak, d. h. sie sind auch in Dünnschliffen von 20–30 µm Dicke undurchsichtig; sie besitzen Metallglanz mit unterschiedlichem Farbton. Nichtopake sulfidische Erzminerale sind bei geringer Korngröße durchscheinend oder zumindest kantendurchscheinend, besitzen eine sehr hohe Lichtbrechung und zeigen z. T. Diamantglanz. Alle zeigen bei der Mineralbestimmung nach äußeren Kennzeichen eine diagnostische Strichfarbe.

Die Minerale dieser Klasse (Tab. 6.1) enthalten in ihren Strukturen große einfach negativ geladene Halogen-Anionen Cl−, F−, Br− und J−. Diese sind mit ebenfalls relativ großen Kationen von niedriger Wertigkeit koordiniert. Der Bindungscharakter ist bevorzugt heteropolar (Ionenbindung).

In der Klasse der Oxide bildet der Sauerstoff Verbindungen mit ein, zwei oder mehreren Metallen. In ihren Kristallstrukturen liegen im Unterschied zu den Sulfiden jeweils annähernd Ionenbindungen mit teilweisen Übergängen zur homöopolaren Bindung (Atombindung) vor.

Chemisch sind die Karbonate Salze der Kohlensäure H2CO3. Strukturell ist ihnen ein inselartiger Anionenkomplex [CO3]2− gemeinsam. Die zugehörigen Kationen können dabei einen kleineren oder einen größeren Ionenradius besitzen als das Ca2+ mit 1,08 Å.

Die grundlegende Struktureinheit der Sulfatminerale ist der Anionenkomplex [SO4]2−. In ihm ist ein S-Atom, das sich im Mittelpunkt eines leicht verzerrten Tetraeders befindet, mit vier O-Atomen an dessen Ecken durch starke homöopolare Bindungskräfte verknüpft. Demgegenüber sind die Bindungen zwischen [SO4]2− und den Kationen überwiegend heteropolar.

Diese Mineralklasse (Tab. 10.1) ist wegen umfangreicher Diadochie-Möglichkeiten ganz besonders artenreich. Alle Strukturen dieser Klasse enthalten tetraedrische Anionenkomplexe [PO4]3−, [AsO4]3− bzw. [VO]3− als prinzipielle Baueinheiten, wobei sich P5+, As5+ und V5+ diadoch vertreten können. Die Kationen sind gegenüber O [9]-koordiniert.

Die Silikate haben ein gemeinsames Strukturprinzip, nach dem eine relativ einfache Gliederung der zahlreich auftretenden silikatischen Minerale erfolgen kann (Abb. 11.1).

Viele Mineralkörner beinhalten unzählige Einschlüsse von Flüssigkeiten und/oder Gasen (Fluideinschlüsse), deren Größe typischerweise im Bereich von einigen Mikrometern liegt. Sie werden beim Wachstum oder der Rekristallisation des Wirtsminerals oder im Zuge dessen späterer Deformation und Verheilung hermetisch eingeschlossen. Mikrothermometrische Messungen sowie die direkte Analyse mittels Laser- und Ramanstrahlen, Gaschromatographie und Massenspektrometrie ermöglichen es, Informationen über Druck, Temperatur, Dichte und Zusammensetzung des Fluids und somit über die äußeren Zustandsbedingungen – sei es bei der Bildung des Wirtsminerals oder seiner späteren Alterationsgeschichte – zu gewinnen.

Magmatische Gesteine (Magmatite, engl. „igneous rocks“) sind (im Wesentlichen) Kristallisationsprodukte aus einer natürlichen glutheißen Schmelze, die aus dem Erdinnern stammt. Die überwältigende Mehrzahl dieser Schmelzen hat silikatische Zusammensetzung, während karbonatische, oxidische oder sulfidische Schmelzen viel seltener vorkommen. In den allermeisten Fällen handelt es sich hierbei nicht um homogene Schmelzen, sondern um einen heterogenen Brei von Schmelze, darin gelöster Gase und unterschiedlicher Anteile an Mineralkörnern, Mineralaggregaten und Gesteinsfragmenten.

Der aktive Vulkanismus ist für Geologen und Petrologen von besonderem Interesse, da er einer der wenigen geologischen Prozesse ist, die sich unmittelbar beobachten lassen. Vulkane sind geologische Strukturen, die durch den Ausbruch von magmatischen Schmelzen und/oder Gasen aus dem Erdinnern an die Erdoberfläche oder auf den Meeresboden entstehen. Als Vulkane im geographischen Sinne bezeichnet man die Hügel oder Berge, die durch Anhäufung von vulkanischem Gesteinsmaterial gebildet wurden.

Bleiben Magmen im Erdinnern stecken und kristallisieren unter der Auflast mächtiger Gesteinsmassen, d. h. bei erhöhten Drücken, so bilden sich Plutonite (Tiefengesteine). Im Gegensatz zum Vulkanismus entziehen sich die Prozesse des Plutonismus der unmittelbaren Beobachtung; sie lassen sich daher nur indirekt aus den Verbandsverhältnissen und Gefügen der Plutonite erschließen.

Wie wir gesehen haben, werden bei Vulkanausbrüchen glutheiße Gesteinsschmelzen aus dem Erdinnern gefördert, die unter stürmischer Entgasung ausfließen oder explosiv herausgeschleudert werden. Man muss daraus schließen, dass im Erdinnern heiße Schmelzen existieren, in denen leichtflüchtige (volatile) Komponenten gelöst sind. Die meisten Laven, die an die Erdoberfläche gefördert werden, enthalten bereits Kristalle, die in einer Magmakammer oder beim Aufstieg gewachsen sind; sie bilden Einsprenglinge in vulkanischen Gesteinen.

Schon lange ist bekannt, dass die zahlreichen Typen von magmatischen Gesteinen nicht isoliert betrachtet werden dürfen. Vielmehr haben Feldforschungen und experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass die einzelnen Typen von vulkanischen und plutonischen Gesteinen, die in einer gegebenen Region über einen bestimmten Zeitabschnitt gebildet wurden, miteinander zusammenhängen und eine magmatische Provinz bilden, also das Ergebnis bestimmter Perioden von magmatischer Aktivität darstellen. Die unterschiedlichen Gesteinsarten einer magmatischen Provinz sind häufig durch Übergänge miteinander verknüpft.

ZumExperiment Verständnis der Regeln, die bei der Kristallisation von Mineralen, Mineralparagenesen und Gesteinen aus Silikatschmelzen herrschen, haben experimentelle Untersuchungen in HochtemperaturöfenHochtemperaturofen unschätzbare Beiträge geliefert. Solche Experimente wurden seit Beginn des 20. Jahrhunderts im Geophysical Laboratory der Carnegie Institution in Washington, D.C. (USA), später auch an vielen anderen Instituten durchgeführt, und zwar zunächst an sehr einfachen Silikatsystemen unter trockenen Bedingungen und bei 1 bar Druck.

BasalteBasalt stellen die wichtigste Gruppe der vulkanischen Gesteine dar, die weltweit in großer Verbreitung auftreten. Bildung, Differentiation und Förderung basaltischer Magmen zeigen enge Beziehungen zur Plattentektonik Plattentektonik (z. B. Pearce und Cann 1973; Tab. 19.1). Experimentelle Untersuchungen in vereinfachten Modellsystemen und an natürlichen Gesteinen haben entscheidend dazu beigetragen, die Entstehung von Basaltmagmen durch partielle Aufschmelzung von Peridotit im Oberen Erdmantel besser zu verstehen.

Zusammen mit Granodiorit und Tonalit stellen GraniteGranit die wichtigste Gruppe von Plutoniten dar. Durch experimentelle Untersuchungen im vereinfachten Modellsystem Qz–Or–Ab(–An)–H2O(–CO2) konnte nachgewiesen werden, dass sich granitische Magmen durch partielle Aufschmelzung von Gesteinen der unteren Erdkruste bilden. Damit wurden ältere Modelle der „Transformisten“, nach denen Granite nicht magmatisch, sondern durch metasomatische Umwandlung metamorpher Gesteine entstehen, widerlegt (vgl. Read, The granite controversy, Murby, London, 1957).

BeiErzlagerstätteorthomagmatische derErzlagerstätte Kristallisation basischer Magmen kommt es oft zur syngenetischen Anreicherung von Erzmineralen, wodurch wirtschaftlich bedeutsame Erzlagerstätten von Chrom, Titan, Nickel, Kupfer und Platingruppenelementen (PGE) entstehen können. Zwei Bildungsmechanismen sind dabei von großer Wichtigkeit.

PegmatitePegmatit (grch. πήγνυμι = verfestigen) sind sehr grobkörnige bis riesenkörnige magmatische Ganggesteine, in denen Einzelkristalle bis mehrere Meter groß werden können. Beispiele von solchen Riesenkristallen sind ein MikroklinMikroklin von 49,4 × 36 × 13,7 m Größe und nahezu 15.000 t Gewicht oder eine PhlogopitPhlogopit-Platte der Größe 10 × 4,3 m (Rickwood,.The largest crystals. Amer Mineral 66:885–907, 1981). Pegmatite bilden sich aus silikatischen Restschmelzen, die an H2O, OH−, CO2, HCO32−, CO32−, SO42−, PO43−, H3BO3, F−, Cl− und anderen leichtflüchtigen Komponenten hoch angereichert sind.

VieleErzlagerstättehydrothermale Mineral-Lagerstätten bilden sich nicht aus einem Magma, sondern aus hydrothermalen FluidenFluid, die genetisch mit Magmatismus verknüpft sein können aber nicht müssen. Während man unter dem Begriff „hydrothermal“ lediglich „heißer als die Umgebung“ versteht, ist der Begriff „Fluid“ für die meisten Erdwissenschaftler relativ unscharf definiert und beschreibt sowohl überkritische als auch unterkritische Lösungen, je nach Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung, insbesondere dem Anteil der leichtflüchtigen Komponenten in dem betreffenden System. Hydrothermale Lagerstätten können in unterschiedlichen plattentektonischen Positionen innerhalb der Erdkruste und durch eine Reihe von Prozessen entstehen, von denen die folgenden besonders hervorzuheben sind.

Der Begriff VerwitterungVerwitterung umfasst alle Veränderungen, welche Gesteine und Minerale durch Kontakt mit der Atmosphäre und Hydrosphäre erleiden und die dementsprechend als subaerische Verwitterung bzw. subaquatische Verwitterung bezeichnet werden. In der komplexen äußersten Schicht der Erde, der Kritischen ZoneKritische Zone (CZ) (CZ), erzeugen natürliche Agenzien wie Schwerkraft, Klimabedingungen, Oberflächenbeschaffenheit und Grundwasser sowie Tiere und Pflanzen eine Kombination von geologischen, physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen (z. B. Brantley et al. 2007; Reich und Vasconcelos 2015; Dill 2015; Zammit et al. 2015). Wenn Verwitterungsprodukte am Ort ihrer Entstehung verbleiben, bilden sie Böden;Boden werden sie dagegen forttransportiert und andernorts abgelagert, entstehen LockersedimenteLockersediment, die durchTransport DiageneseDiagenese allmählich zuSedimentgestein Sedimentgesteinen verfestigt werden können.

DieSedimentgestein sedimentäreSediment Abfolge umfasst die folgenden Prozesse, die sich in einem zeitlichen Ablauf aneinander reihen:

UnterMetamorphit GesteinsmetamorphoseMetamorphose (von grch. μεταμóρϕωσις = Umwandlung) versteht man sämtliche Umwandlungsprozesse, mit denen ein Gestein auf Veränderungen der physikalisch-chemischen Bedingungen im Erdinnern, insbesondere von Druck und Temperatur, reagiert. Dabei entstehen aus magmatischen, sedimentären oder (bereits) metamorphen Ausgangsgesteinen neue, metamorphe Gesteine (Metamorphite), die sich in ihrem Gefüge, ihrem Mineralbestand, bisweilen sogar in ihrem Chemismus vom Ausgangsgestein unterscheiden. Während der Metamorphose bleibt der feste Zustand des Gesteins erhalten, obwohl gewöhnlich eine intergranulare fluide Phase vorhanden ist.

WieMetamorphose wirPhasengleichgewicht im vorausgehenden Kapitel gezeigt haben, führt die Gesteinsmetamorphose zu tiefgreifenden Veränderungen im Gefüge und im Mineralbestand von Gesteinen. Durch prograde und retrograde Mineralreaktionen entstehen neue Mineralassoziationen, die eine schrittweise Anpassung an sich verändernde P-T-Bedingungen dokumentieren. Meist werden beim Höhepunkt der Metamorphose, d. h. bei maximaler Temperatur, Gleichgewichtsgefüge in den dabei gebildeten Mineralassoziationen gebildet, die daher annähernd als thermodynamische GleichgewichtsparagenesenGleichgewichtsparagenese interpretiertParagenese werden können.

DurchFazies, metamorphe prograde Mineralreaktionen entstehen in metamorphen Gesteinen – je nach ihrer chemischen Zusammensetzung – charakteristische Mineralparagenesen. Diese bilden sich meist beim Höhepunkt der Metamorphose und stellen zumindestens angenähert ein thermodynamisches Gleichgewicht dar. Folglich spiegeln sie die erreichten Drücke und Temperaturen wider DurchFazies, metamorphe prograde Mineralreaktionen entstehen in metamorphen Gesteinen – je nach ihrer chemischen Zusammensetzung – charakteristische Mineralparagenesen.

Durch die bahnbrechenden Forschungsergebnisse der Geophysik seit Beginn des 20. Jh. ist der SchalenbauSchalenbau der Erde, der bereits durch Descartes (1644) vorausgeahnt worden war, gesicherte Erkenntnis. Demnach gliedert sich die Erde in drei relativ scharf begrenzte Schalen von unterschiedlicher Dichte, Masse und Volumen: ErdkrusteErdkruste, ErdmantelErdmantel und ErdkernErdkern (Tab. 29.1). Darüber hinaus haben Ergebnisse der experimentellen Petrologie und Geochemie wesentlich dazu beigetragen, plausible Modelle vom inneren Aufbau sowie von der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung des Erdinnern zu entwickeln.

DerMond Mond umkreist die Erde in einer Entfernung von durchschnittlich 384.400 km. Er besitzt einen Radius von 1738 km, d. h. ca. ¼ des Erdradius; seine mittlere Dichte beträgt nur 3,341 g/cm3, ist also wesentlich geringer als die der Erde. Schon die unbemannten Weltraummissionen der UdSSR LunikLunik (Weltraummission), LunaLuna (Weltraummission) und ZondZond (Weltraummission) (seit 1959) und der NASA (USA) RangerRanger (Weltraummission), SurveyorSurveyor (Weltraummission), LunarLunar Orbiter (Weltraummission) Orbiter und ExplorerExplorer (Weltraummission) (seit 1964) lieferten grundlegende Erkenntnisse über den Aufbau des Mondes und die petrographische Zusammensetzung der Mondoberfläche. Von unschätzbarem Wert für die geologische Erforschung waren die bemannten Apollo-MissionenApollo-Mission der NASANASA, die erstmals eine direkte Probenahme und geophysikalische Experimente auf der Mondoberfläche erlaubten.

MeteoriteMeteorit sind Bruchstücke extraterrestrischer Körper, die den Flug durch die Erdatmosphäre überlebt haben und auf der Erdoberfläche aufschlugen. Die Meteoriten stammen aus drei verschiedenen Quellen. In ihrer weit überwiegenden Mehrzahl (bisher >60.000) stellen Meteoriten Bruchstücke von kollidierten planetarischen Körpern dar, die den AsteroidengürtelAsteroidengürtel bilden. In dieser Zone unseres Sonnensystems, die sich im Wesentlichen zwischen den Umlaufbahnen der Planeten Mars und Jupiter befindet, rotieren unzählige Kleinstplaneten und ihre Fragmente um die Sonne (Abschn. 32.2 ).

Nach ihrer Entfernung von der Sonne, ihrer Größe, Masse und Dichte sowie ihrem inneren Aufbau gliedern sich die planetarischen Körper unseres Sonnensystems in vier unterschiedliche Gruppen (Abb. 32.1, Tab. 32.1):

AusGeochemie den bisherigen Kapiteln sollte deutlich geworden sein, dass die Verbreitung und Verteilung der chemischen Elemente in der Natur wesentlich durch gesteinsbildende Prozesse kontrolliert wird. Die erdähnlichen Planeten, die ursprünglich chondritische Zusammensetzung hatten, entmischten sich schon sehr früh in der Entwicklungsgeschichte unseres Sonnensystems in einen metallischen KernErdkern und einen silikatischen MantelErdmantel. Krustenbildende Prozesse werden durch partielle Aufschmelzung im Erdmantel ausgelöst. Dabei entstehen Stammmagmen, die sich in weiterer Folge durch verschiedene Prozesse der magmatischen Differentiation, beispielsweise durch fraktionierte Kristallisation oder Assimilation von Nebengestein in ihrer Zusammensetzung mehr oder weniger stark verändern. Daraus resultieren unterschiedliche magmatische Serien, die durch jeweils serienspezifischen geochemischen Charakter geprägt sind.

BevorSonnensystem wir uns der Frage zuwenden, welche Prozesse zur Entstehung unseres Sonnensystems geführt haben, müssen wir uns zunächst einige grundlegende Tatsachen ins Gedächtnis rufen, die in einer Reihe von einschlägigen Büchern näher erläutert werden (Unsöld und Baschek 2005; Chambers 2005; Weigert et al. 2005; Rollinson 2007; Faure und Mensing 2007).