Mineralbildung

Handstück mit ineinander verwachsenen Pyritkristallen, 11 Zentimeter lang

Minerale sind natürlich vorkommende Festkörper mit einer definierten chemischen Zusammensetzung und einer bestimmten physikalischen Kristallstruktur. Aus historischen Gründen wird auch das flüssige Quecksilber von der International Mineralogical Association (IMA) als Mineral anerkannt. Amorphe Substanzen, welche die übrigen Kriterien erfüllen, bezeichnet man als Mineraloide. Die Mehrzahl der heute bekannten ca. 4.600 Minerale (Stand: 2008) sind anorganisch, doch auch einige organische Substanzen wie die Nierensteinbildner Whewellit und Wedellit sind als Minerale anerkannt, weil sie sich auch natürlich bilden.

Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie, sie zu bearbeiten die Lithurgik.

Vorkommen

Mit Ausnahme der natürlichen Gläser sind alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die so genannten Gesteinsbildner. Daneben findet man Minerale auch als Kolloide im Wasser oder als Feinstaub in der Luft.

Mineralbildung

Minerale bilden sich durch Kristallisation aus Schmelzen (magmatische Mineralbildung), wässrigen Lösungen (hydrothermale und sedimentäre Mineralbildung) und aus der Luft (Sublimation von Gasen, zum Beispiel an Vulkanen) oder während der Metamorphose durch Festkörperreaktionen aus anderen Mineralen oder natürlichen Gläsern. Primärminerale entstehen zeitgleich mit dem Gestein, dessen Teil sie sind, während sich Sekundärminerale durch eine spätere Veränderung des Gesteins (Metamorphose, hydrothermale Überprägung oder Verwitterung) bilden. Man unterscheidet zwei Phasen der Mineralbildung: Zunächst koagulieren mehrere Atome oder Ionen und bilden einen Kristallisationskeim (Keimbildung). Wenn dieser einen kritischen Keimradius überschreitet, wächst er weiter und es entsteht ein Mineral (Kristallwachstum). Nach zahlreichen Umwandlungsreaktionen mit anderen Mineralen, mit der Luft oder mit dem Wasser kommt es schließlich zur Zerstörung der Minerale durch die Verwitterung. Die Ionen, aus denen das Kristallgitter aufgebaut war, gehen wieder in Lösung oder gelangen bei der Anatexis in eine Gesteinsschmelze (Magma). Schließlich beginnt der Zyklus an einem anderen Ort von vorn.

(Zur Bestimmung des Abkühlalters siehe: Spaltspuren)

Eine besondere Form der Mineralbildung aus der Lösung ist die Biomineralisation. Darunter versteht man die Bildung von Mineralen durch Organismen. Folgende Minerale können auf diesem Wege entstehen:

• Calcit, Vaterit und Aragonit bilden die Schalen von Schnecken, Muscheln, Kammerlingen, Foraminiferen und Coccolithophoriden.
• Hydroxylapatit baut die Knochen aller Wirbeltiere und zusammen mit Fluorapatit den Zahnschmelz von Säugetieren auf.
• Magnetit dient einer Reihe von Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt und ist heute auch von Insekten, Weichtieren, Fischen, Vögeln und Säugetieren bekannt.

Weitere Formen der Mineralbildung aus der Lösung bzw. durch die Reaktion von Mineralen mit Wasser spielen in der Technischen Mineralogie eine Rolle:

Calcit dient der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, Pyrit wirkt als Reduktionsmittel bei der bakteriellen Elimination von Nitrat durch Denitrifikation, während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukte bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO₂, Calcit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen Wässern Troilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht.

Kristallographie

Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz (Nicolaus Steno, 1638–1686) bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Hexagonales und trigonales System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Zwei oder mehr Mineralindividuen, die in einer bestimmten kristallographischen Orientierung miteinander verwachsen sind, bezeichnet man als Zwillinge. Sie entstehen beim Wachstum oder bei der Deformation des Gesteins. Vielfachzwillinge bilden oft so genannte Zwillingslamellen, die nicht mit den Entmischungslamellen verwechselt werden dürfen, die entstehen, wenn ein Mischkristall bei der Abkühlung thermodynamisch instabil wird und sich Präzipitate bilden.

Eigenschaften

Optische Eigenschaften

- Bestimmung mit bloßem Auge:

• Farbe: Man unterscheidet idiochromatische Minerale (zum Beispiel Cinnabarit), die durch die formelwirksamen Elemente gefärbt sind, und allochromatische Minerale (zum Beispiel Quarz, deren oft verschiedene Farben aus verschiedenen Spurenelementen und Defekten des Kristallgitters resultieren. In der Erzmikroskopie sieht man stets die Komplementärfarbe der wirklichen Farbe, da im Auflicht gearbeitet wird.
• Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Bei Silikaten ist der Strich heller als die Eigenfarbe, bei Sulfiden ist er dunkler. Der Strich wird üblicherweise an einem unglasierten Keramikplättchen geprüft.
• Glanz: Man unterscheidet zwischen Mattglanz (zum Beispiel Tennantit), Glasglanz (zum Beispiel Quarz), Diamantglanz (zum Beispiel Diamant) und Metallglanz (zum Beispiel Galenit.
• Transparenz: Man unterscheidet durchsichtige (zum Beispiel Calcit), durchscheinende (zum Beispiel Hämatit) und opake Minerale (zum Beispiel Kassiterit. In der Regel sind Gesteinsbildner durchsichtig oder durchscheinend und Erze opak. Daher werden erstere im Durchlicht und letztere im Auflicht untersucht.

- Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie in Durchlicht:

• Pleochroismus: Bei einigen durchsichtigen Mineralen sind die Farben und Farbtiefen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Erscheinen zwei Farben nennt man dies Dichroismus, bei drei Farben Trichroismus bzw. Pleochroismus. Die Bezeichnung wird auch als Sammelbezeichnung für beide Arten der Mehrfarbigkeit verwendet.
• Brechzahl: Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in Luft zur Lichtgeschwindigkeit im Mineral und wird durch Immersionsmethoden, näherungsweise auch durch die Stärke des Reliefs und die Bewegung der Becke’schen Linie, einer hellen Linie an einer Korngrenze, beim Bewegen des Mikroskoptisches bestimmt. Dabei gilt der Merksatz: Hinunter (mit dem Tisch), höher (Mineral mit der höheren Lichtbrechung als das Nachbarmineral), hinein (Bewegung der Becke’schen Linie).
• Doppelbrechung: Differenz der Brechungsindizes in den verschiedenen Richtungen des Kristalls. Sie wird unter gekreuzten Polarisatoren mit Hilfe von Farbtafeln aus der Interferenzfarbe bestimmt.

- Bestimmung mit der Polarisationsmikroskopie im Auflicht (Erzmikroskopie):

• Reflexionsgrad: Anteil des zurückgeworfenen Lichtes. Bestimmung mittels Erzmikroskopie. Charakteristisch für die Unterscheidung von Gold von Sulfidmineralen.
• Bireflektanz: Richtungsabhängigkeit der Farbe in der Erzmikroskopie, die unter einem Polarisator erkennbar ist.
• Anisotropieeffekte: Unter gekreuzten Polarisatoren in der Erzmikroskopie beobachtbare Farberscheinungen in opaken Mineralen.
• Innenreflexe: Diffuse Reflexion des Lichtes an Grenzflächen zu Verunreinigungen, die der Strichfarbe entspricht und unter gekreuzten Polarisatoren in Dunkelstellung am besten sichtbar ist.

- Bestimmung mit speziellen Mikroskopen:

• Lumineszenz: Einige Minerale emittieren Licht, wenn Sie eine wie auch immer geartete Anregung erfahren. Nach Art der Anregung unterscheidet man Chemolumineszenz, Tribolumineszenz, Kathodolumineszenz und Thermolumineszenz, nach Art des ausgesandten Lichtes UV-, VIS- und IR-Lumineszenz. Kurze Lumineszenz heißt Fluoreszenz, länger anhaltende Phosphoreszenz.

Mechanische Eigenschaften

• Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. Minerale mit einer Dichte von > 3,0 heißen Schwerminerale. Die Dichtetrennung ist eine wichtige Aufbereitungsmethode. Wird die Dichte auf die Dichte von Wasser bezogen, so wird sie relative Dichte genannt und ist dann einheitenlos.
• Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
• Spaltbarkeit: Tendenz eines Minerals, entlang bestimmter kristallographischer Ebenen zu spalten. Man unterscheidet nicht vorhandene Spaltbarkeit (zum Beispiel Quarz), undeutliche Spaltbarkeit (zum Beispiel Beryll), deutliche Spaltbarkeit (zum Beispiel Apatit), gute Spaltbarkeit (zum Beispiel Diopsid), vollkommene Spaltbarkeit (zum Beispiel Sphalerit) und äußerst vollkommene Spaltbarkeit (zum Beispiel Glimmer).Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwache Kräfte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Calcit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
• Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen, treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Man unterscheidet muscheligen Bruch (zum Beispiel Quarz), faserigen Bruch (zum Beispiel Kyanit), splittrigen Bruch (zum Beispiel Chrysotil), ebenen Bruch und unebenen Bruch.
• Zähigkeit oder Tenazität: Man unterscheidet spröde Minerale (zum Beispiel Quarz) von biegsamen (zum Beispiel Muskovit).

Magnetische Eigenschaften

• Magnetismus: Man unterscheidet ferromagnetische Minerale (zum Beispiel Eisen), ferrimagnetische Minerale (zum Beispiel Magnetit), paramagnetische Minerale (zum Beispiel Biotit), diamagnetische Minerale (zum Beispiel Quarz) und antiferromagnetische Minerale (zum Beispiel Hämatit). Üblicherweise werden nur Ferro- und Ferrimagnetismus mit Hilfe einer Kompassnadel bestimmt.

Elektrische Eigenschaften

• Leitfähigkeit: Die meisten Minerale sind Nichtleiter, einige Sulfide und Oxide sind Halbleiter, gediegene Metalle sind Leiter. Covellin ist mit einer Sprungtemperatur von 1,63 Kelvin der einzige bekannte natürliche Supraleiter.^[1]
• Piezoelektrizität: Fähigkeit zum Beispiel des Quarzes, eine mechanische Schwingung in eine Wechselspannung umzuwandeln und umgekehrt.
• Pyroelektrizität: Fähigkeit zum Beispiel des Turmalins, eine Temperaturdifferenz in eine Ladungstrennung umzuwandeln.

Chemische Eigenschaften

• Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am Besten geeignet.
• Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, d. h. die Schmelzreaktion.

Geruchseigenschaften

Schwefelhaltige Minerale lassen sich oft am Geruch erkennen, der beim Anschlagen entsteht.

Geschmackseigenschaften

Die Unterscheidung von Halit und Sylvin erfolgt traditionell dadurch, dass letzterer bitter schmeckt.

Sonstige Eigenschaften

• Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem so genannten Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich. Radioaktive Minerale sind zum Beispiel Uraninit, aber auch Apatit, der Uran als Spurenelement anstelle von Phosphor einbaut.

Bedeutung

Petrologische Bedeutung

Jedes Mineral ist nur unter bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen thermodynamisch stabil. Außerhalb seines Stabilitätsbereiches wandelt es sich mit der Zeit in die dort stabile Modifikation um. Einige Phasenumwandlungen erfolgen schlagartig beim Verlassen des Stabilitätsfeldes (zum Beispiel Hochquarz-Tiefquarz), andere sind kinetisch gehemmt und dauern millionen Jahre. Teilweise ist die Aktivierungsenergie sogar so hoch, dass die thermodynamisch instabile Modifikation als metastabile Phase erhalten bleibt (zum Beispiel Diamant-Graphit). Diese Hemmung der Reaktion führt zu einem „Einfrieren“ des thermodynamischen Gleichgewichts, das zu einem früheren Zeitpunkt herrschte. Daher liefert der Mineralbestand eines Gesteins Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei (siehe auch: Präsolares Mineral).

Lagerstättenkundliche Bedeutung

Mineralische Rohstoffe werden in Energierohstoffe, Eigenschaftsrohstoffe und Elementrohstoffe unterteilt. Energierohstoffe sind zum Beispiel die Minerale Uraninit und Thorit als Kernbrennstoffe. Eigenschaftsrohstoffe werden ohne chemische Zerlegung in der Technik verwendet, darunter fallen zum Beispiel Quarz für die Glas- und Tonminerale für die keramische Industrie. Elementrohstoffe werden mit dem Ziel abgebaut, ein bestimmtes chemisches Element zu gewinnen. Handelt es sich dabei um ein Metall, so spricht man von einem Erz. Eine Anreicherung von Rohstoffen bezeichnet man als Lagerstätte, wenn sie wirtschaftlich abbaubar ist. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebenes Vorkommen kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbau- und Aufbereitungskosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab – während der Eisenanteil von Mineralen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Neben der Gliederung nach der Verwendung des Rohstoffs ist auch eine Klassifizierung nach der Entstehung üblich. Sedimentäre Lagerstätten, wie zum Beispiel die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, bildeten sich durch Fällungsreaktionen bei Änderung von pH-Wert, Druck und Temperatur oder durch den Einfluss von Bakterien oder durch Verwitterungsprozesse und den Transport von Mineralen aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet und ihre Ablagerung als (Seifen), zum Beispiel von Seifengold, am Grund von Flüssen, Seen oder flachen Meeren. Hydrothermale Lagerstätten bilden sich, indem Oberflächen- oder Tiefenwässer bestimmte Elemente aus den umgebenden Gesteinen lösen und diese an anderer Stelle ablagern oder aus Restfluiden nach der Erstarrung eines Magmas. Magmatische Lagerstätten entstehen durch die Kristallisation eines Magmas. Ein Beispiel sind viele Platin- und Chromit-Lagerstätten. Metamorphe Lagerstätten entstehen erst durch die Umwandlung von Gesteinen, zum Beispiel Marmor-Lagerstätten.

Gemmologische Bedeutung

Diamanten im Brillantschliff

Einige Minerale finden als Schmuck Verwendung. Wenn sie transparent sind und ihre Härte größer als 7 ist, bezeichnet man sie als Edelsteine, andernfalls als Schmucksteine. 95 % des weltweiten Umsatzes auf diesem Markt wird mit Diamanten erzielt, der Rest fast überwiegend mit Saphiren, Smaragden, Rubinen und Turmalinen. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den so genannten Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten sowie von seinen Proportionen ab.

Sonstige Bedeutung

Das gemahlene Tonmineral Lavaerde aus dem marokkanischen Atlasgebirge wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet.

Systematik der Minerale

Siehe Hauptartikel: Systematik der Minerale

Esoterik

Lapislazuli, 3 Zentimeter lang

Vielen Mineralen wird in der Esoterik eine Bedeutung als Symbol- oder Heilstein zugesprochen. So werden unter anderem verschiedenen Gestirnen, Tierkreiszeichen und Monaten bestimmte Minerale oder Gesteine zugeordnet:

Monatssteine

• Januar – Granat, Rosenquarz
• Februar – Amethyst, Onyx
• März – Aquamarin, Heliotrop (Blutjaspis)
• April – Bergkristall, Diamant
• Mai – Chrysopras, Smaragd
• Juni – Mondstein, Perle
• Juli – Karneol, Rubin
• August – Aventurin, Peridot
• September – Lapislazuli, Saphir
• Oktober – Opal
• November – Tigerauge, Topas
• Dezember – Türkis, Zirkon

Planetensteine

• Sonne – Diamant, Chrysoberyll
• Mond – Mondstein, Perle, Smaragd
• Merkur – gelber Saphir, Topas
• Venus – orange-gelber Saphir (Hyazinth)
• Mars – roter Granat, Rubin
• Jupiter – Amethyst, Lapislazuli, blauer Saphir
• Saturn – Aquamarin, blauer Spinell, Quarz, Tigerauge
• Uranus – Amazonit, Aquamarin, Malachit, Chrysoberyll
• Neptun – Amethyst, Diamant, Fluorit, Opal, Quarz
• Pluto – Almandin, Blutstein, Obsidian, Pyrop, Zirkon

Tierkreiszeichensteine

• Wassermann – Falkenauge, Türkis
• Fische – Amethyst
• Widder – roter Jaspis oder Karneol
• Stier – oranger Karneol, Rosenquarz
• Zwillinge – Citrin, Tigerauge
• Krebs – grüner Aventurin-Quarz, Chrysopras
• Löwe – Bergkristall, goldgelber Quarz
• Jungfrau – gelber Achat, gelber Citrin
• Waage – oranger Citrin, Rauchquarz
• Skorpion – roter Karneol (Sarder)
• Schütze – Blauquarz, Chalcedon
• Steinbock – Onyx, Katzenaugen-Quarz

Einzelnachweise

1. ↑ Francesco Di Benedetto et. al.: First evidence of natural superconductivity: covellite. In: European Journal of Mineralogy, 2006, 18, 3, S. 283-287, doi:10.1127/0935-1221/2006/0018-0283.

Literatur

• Deer, W.A., Howie, R.A., und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
• Rösler, H. J.: Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1991 ISBN 3-342-00288-3
• Kleber, W.: Einführung in die Kristallographie, Oldenbourg, 18. bearb. Aufl. 1998, ISBN 3-486-27319-1
• Edition Dörfler: Mineralien Enzyklopädie, Nebel Verlag, ISBN 3-89555-076-0
• Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. 4. Auflage. Christian Weise Verlag, München 2002, ISBN 3-921656-17-6
• Landmann, Dr. Andreas: Edelsteine und Mineralien, Verlag EDITION XXL, Aufl. 2004. ISBN 3-89736-705-X
• Schumann, Prof. Dr. Walter: Edelsteine und Schmucksteine, BLV Verlags GmbH (11. Aufl. 1999), ISBN 3-405-15808-7

Weblinks

• Definition des Mineralbegriffs
• GeologieInfo – Mineralogie: Mineraleigenschaften
• The official IMA-CNMNC List of Mineral Names (engl.)
• Hauptseite des Mineralienatlas
• MinMax - Mineralien und Fundstellen – Hauptseite
• Webmineral (Mineraldatenbank) – Hauptseite (engl.)
• Mineralogy Database (MinDat) – Hauptseite (engl.)
• Herkunft von Mineraliennamen
• Das Projekt Riesenkristalle (engl.)
• Aufbau einer Mineraliensammlung