Einführung
Das Reich der Minerale fesselt schon seit Jahrtausenden die Aufmerksamkeit des Menschen - sowohl aus rein praktischen Gesichtspunkten als auch wegen der Farbenpracht und Schönheit seiner Kristalle. Die bedeutende Rolle der mineralischen Rohstoffe für die Entwicklung der Zivilisation kommt in den Bezeichnungen für die frühen Entwicklungsabschnitte der Menschheit zum Ausdruck: Stein-, Bronze- und Eisenzeit. Minerale, die von altersher in der Arbeit der Menschen ihren Platz haben, gehören auch heute, in der Zeit der industriellen Revolution und der Kunststoffe, zum grundlegenden Bedarf der weiteren technischen Entwicklung.
Dank einer breit angelegten wissenschaftlichen Forschung steigt der Verbrauch mineralischer Rohstoffe in der modernen Industrie sowohl quantitativ, d.h. im Verarbeitungsumfang, als auch qualitativ, also in der Nutzung weiterer, bislang scheinbar nutzloser Arten. Neue Entdeckungen im Bereich der Festkörperphysik bilden die Grundlage für eine aussichtsreiche Entwicklung von Elektronik, Elektrotechnik, Optik und anderen wichtigen Fachrichtungen. Die speziellen Eigenschaften bestimmter Kristalle gaben den Anstoß zur Geburt von Transistoren, Laser, Datenspeichersystemen, Hochleistungscomputern und der Holographie, aber auch zur allmählichen Miniaturisierung der verschiedensten modernen Gerätetechnik.
Die Bedeutung einiger Minerale wird durch den Begriff "strategischer Rohstoff` charakterisiert und von Machtkonflikten und Kriegen unterstrichen, die seit Menschengedenken um die Beherrschung solcher Rohstoffquellen geführt wurden.
Aber auch die ästhetische Wirkung der Minerale hatte beträchtliche Bedeutung für ihre Geltung in der menschlichen Gesellschaft. Archäologische Funde von steinverzierten Schmuckgegenständen zeigen, dass dieser Aspekt bereits in der Urzeit zum Tragen kam. Besonderer Aufmerksamkeit erfreuen sich seit jeher solche Minerale, deren geometrische Form, bizarre Zeichnung, Hochglanz, angenehme Farbe, Durchsichtigkeit und Klarheit bzw. ihr außergewöhnliches Farbenspiel von beträchtlicher Härte und Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen, z. B. durch Abrieb begleitet werden. Der genannten Eigenschaften halber, die durch einen geeigneten Schliff noch gesteigert werden, wie auch wegen ihres normalerweise seltenen Vorkommens in der Natur, wurden solche Minerale zur Gruppe der Edelsteine erhoben. Sie wurden und sind hochgeschätzt. Geringere Qualitäten werden meist als sog. Schmucksteine verarbeitet.
Ziel dieser Publikation ist es, den interessierten Leser mit den grundlegenden Erkenntnissen der Wissenschaft von den Mineralen bekannt zu machen, wichtige Minerale und ihre Abarten (130 Mineralarten) zu charakterisieren, über mineralbildende Prozesse zu informieren und auf bewährte Behandlungs- und Pflegemethoden der Mineralsammlung hinzuweisen. (zurück zum Anfang)
Die Bezeichnung Mineralogie stammt von den griechischen Worten "minera" = Erz und "logos" = Verstand; ihre Anfänge als selbstständige Disziplin liegen im 16. Jahrhundert. Sie gliedert sich in zwei grundlegende Teilbereiche: in die allgemeine und systematische (spezielle) Mineralogie. Die allgemeine Mineralogie charakterisiert die allgemeinen Eigenschaften der Minerale und behandelt die mineralbildenden Prozesse in der Natur. Die systematische Mineralogie beschäftigt sich mit der wissenschaftlichen Ordnung des Mineralsystems aufgrund der chemischen Zusammensetzung und der inneren Struktur der einzelnen Mineralarten.
Die allgemeine Mineralogie umfasst mehrere selbstständige Fachrichtungen: Die beschreibende Mineralogie ist die historisch älteste Disziplin. Sie charakterisiert die Variabilität von Mineralindividuen und ganzen Akkumulationen und spezifiziert Art und Weise ihres Vorkommens in der Natur. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde eine Fachterminologie erarbeitet, mit der sich jeder Mineralien- und Gesteinsfreund bekannt machen sollte. Die morphologische (geometrische) Kristallographie wurde um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert zur exaktesten mineralogischen Disziplin und schuf die Grundlagen für die Entwicklung der strukturalen und physikalischen Mineralogie. Die Strukturkristallographie erforscht die räumliche Anordnung der Mineralbausteine, innere Symmetrie und Struktur des Kristallgitters. Die Kristallchemie untersucht die Beziehungen zwischen chemischer Zusammensetzung und Baustruktur der Kristalle und die Minerogenese enthüllt die Prinzipien der Entstehungsprozesse der Minerale. Gegenstand der Mineralontogenese, einer neuen Disziplin der genetischen Mineralogie ist die Erforschung der Entstehung einzelner Individuen und Aggregate. Die Experimentalmineralogie untersucht die physikalischen und chemischen Bedingungen der Mineralbildung an Modellprozessen unter Laborbedingungen. Allen genannten Fächern liefert die Geochemie, die Wissenschaft der Gesetzmäßigkeiten von Vorkommen und Migration der chemischen Elemente auf der Erde, wichtige Informationen. Die physikalische Mineralogie, die sich mit den von Zusammensetzung und Baustruktur in der festen Phasebedingten und bestimmten Eigenschaften der Minerale befasst, war ursprünglich den übrigen Disziplinen gleichgestellt. Im Lauf der letzten 25 Jahre hat sie aber eine dominierende Stellung als ein Wissensfach errungen, das an den Berührungsstellen von Mineralogie, Petrologie und Geochemie mit der Festkörperphysik liegt. (zurück zum Anfang)
Ein Mineral ist ein chemisch und physikalisch gleichartiger (homogener) anorganischer Naturstoff in festem Zustand (eine Ausnahme bildet Quecksilber), dessen Zusammensetzung man mit einer chemischen Formel ausdrücken kann. Dadurch unterscheidet es sich grundsätzlich vom Gestein, das ein Mineralgemenge darstellt (z. B. Granit). Ein Gestein kann aber auch von einem einzigen Mineral gebildet werden (z. B. Kalkstein, Quarzit). Mit dem Studium der Gesteine befasst sich die Petrologie. Minerale werden aus Schmelzen, Lösungen oder Gasen entweder als Kristalle oder als Aggregate (d. h. als feste Anhäufung unregelmäßiger Körner) abgeschieden.
Kristalle sind in der Regel frei (nicht an der Unterlage festgewachsen), eingewachsen (allseitig in eine feste Umgebung eingeschlossen) oder aufgewachsen (von einer festen Unterlage in einen Hohlraum wachsend). Sie wachsen einzeln oder in Gruppen.
Ein Kristall kann als einzelnes Individuum abgeschieden werden, als sog. Einzelkristall oder als Verwachsung von zwei oder mehreren nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit zueinander orientierten Individuen (Drillinge bis Viellinge). Durch doppelte Verwachsungen entstehen Zwillinge (z. B. Gips) oder Kontaktzwillinge (Aragonit), zyklische Zwillinge (Rutil) oder Durchwachsungszwillinge (Staurolith).
Die auf einer gemeinsamen Unterlage wachsende Kristallgruppe heißt Druse. Eine Kristallgruppe, deren aufragende Gipfel zur Mitte eines ovalen oder runden Hohlraums weisen, wird Geode genannt. Je nach Aussehen unterscheidet man Kristalle, die nach allen Richtungen hin gleich entwickelt (isometrisch) sind, z. B. Granate, Kristalle, bei denen zwei Richtungen überwiegen (tafelig, blättrig), z. B. Glimmer und Kristalle mit nur einer Richtung - lineare (säulig, nadelig), z. B. Beryll, Antimonit, Millerit.
Aggregate können grob- oder feinkörnig bis dicht sein, stengelig (Antimonit), faserig (Asbest), schuppig (Hämatit - Spekularit), gleichmäßig (isometrisch) (Sphalerit) und dendritisch, d. h. platt strauch- oder baumförmig (Psilomelan). Neben diesen kompakten Aggregaten entstehen auch poröse, filzige, erdige und pulverige. Ein einzelnes Mineral, ein zusammenhängender Komplex aus mehreren Mineralen oder ein Gesteinsstück, die einer natürlichen Fundstätte entnommen wurden, heißen Stufe. Als Probe bezeichnet man Mineral und Gesteinsmaterial, das einer Fundstätte oder einer Stufe zu Analysezwecken entnommen wurde. (zurück zum Anfang)
Ein Kristall ist ein Körper mit einheitlich periodischer Anordnung seiner Bausteine (Partikel) - der Atome, Ionen und Moleküle - von natürlichen Flächen begrenzt, deren gegenseitige gesetzmäßige Zuordnung auf verschiedenen Symmetriestufen liegt. Ein Kristall wächst durch Apposition, d. h. von außen durch die Anlagerung von Bauteilchen auf der Oberfläche eines Keims und der älteren Kristallflächen.
Dadurch unterscheidet er sich von biologischen Geweben, die durch Interposition, d. h. durch das Einwachsen jüngerer Zellen zwischen die älteren entstehen.
Der gesetzmäßige innere Bau des Strukturgitters bei einem findet seinen Ausdruck in der äußeren geometrischen Form des Kristalls, die sich allerdings nur beim Kristallwachstum im freien Raum oder in einem nachgiebigen Medium entwickeln kann. Ein vollkommener und regelmäßig begrenzter sog. idiomorpher (ebenmäßiger) Kristall ist selten, normalerweise entwickeln sich verzerrte Kristalle (s. Bild: 1). Allerdings bleibt sowohl bei verschiedenen Ausmaßen der Kristalle eines bestimmten Minerals als auch bei ihrer verzerrten Ausbildung die Größe des von zwei gleichliegenden Flächen eingeschlossenen Winkels unter gleichbleibenden Bedingungen stets gleich groß, also konstant. Dieses wichtige Gesetz der Winkelkonstanz hatte im Jahr 1669 der dänische Naturwissenschaftler Niels Stensen formuliert. Die Größe des Flächenwinkels (d. h. die Größe der Kristallkanten) wird am Kristall mit dem Anlege- oder Reflexionsgoniometer gemessen. Das letztere Gerät verarbeitet das Signal eines von den Kristallflächen reflektierten Lichtstrahls. Die gewonnenen Werte gestatten die Bestimmung der Kristallsymmetrie und anderer spezifischer Merkmale.
Ein Kristall ist ein dreidimensionaler Körper, die gegenseitigen Positionen der einzelnen Flächen werden daher mit Hilfe eines dreiachsigen Koordinatensystems ausgedrückt. Fällt der Nullpunkt dieses Systems mit dem Kristallzentrum zusammen, entsteht ein sog. Achsenkreuz, das aber nicht nur eine rein geometrische Abstraktion darstellt. Als Vektoren, also als Richtung und Quantität angebende Abszissen stellen die kristallographischen Achsen gleichzeitig die höchsten Werte bestimmter physikalischer Eigenschaften (Härte, Leitfähigkeit von Elektrizität und Wärme usw.) des Kristalls in der zugehörigen Richtung dar.
Aufgrund der Morphologie kann man die Kristalle in sieben Gruppen mit unterschiedlichem Achsenkreuz einteilen. Diese Kristallsysteme sind: triklin, monoklin, rhombisch, tetragonal, hexagonal, trigonal (rhomboedrisch) und kubisch. Die Achsenkreuze der einzelnen Systeme unterscheiden sich in Achsenlänge und -schnittwinkeln. Die Kristalle jedes Minerals besitzen eine gewisse Symmetrie, völlige Asymmetrie ist eine Seltenheit. Die Kristallsymmetrie ist durch die sog. Symmetrieelemente gegeben, durch Zentrum, Achsen und Spiegelebenen. Durch ihre schrittweise Kombination entstehen in den Kristallsystemen insgesamt 32 Kristallklassen (einschließlich einer einzigen asymmetrischen) und alle Kristalle von Mineralen (aber auch von künstlich entstandenen Stoffen) lassen sich in eine davon einordnen. Für jedes Kristallsystem ist die sog. allgemeine Grundform des Systems charakteristisch - das ist ein Körper, der aus der Verbindung der Achsenkreuzspitzen entsteht. Bild 2 veranschaulicht die kristallographischen Systeme mit den Achsenkreuzen und allgemeinen Grundformen. In der anschließenden Übersicht werden die grundlegenden Charakteristiken der einzelnen Systeme angeführt, detaillierte Angaben wie z. B. die Symmetrie der einzelnen Klassen überschreiten den Rahmen dieses Buches.
A - Triklines System: Das Achsenkreuz besteht aus drei unterschiedlich langen, miteinander schiefe Winkel bildenden Achsen (a, b, c). Das System teilt sich in zwei Kristallklassen - asymmetrisch und mit einem Symmetriezentrum. Triklin kristallisieren Plagioklase, Mikrolin, Disthen, Pektolith, Amblygonit, Chalkantit (Kupfervitriol) und einige weitere Minerale.
B - Monoklines System: Das Achsenkreuz besteht aus drei unterschiedlich langen Achsen (a, b, c); zwei stehen senkrecht aufeinander, die dritte steht schief zur vertikalen Achse. Das System teilt sich in drei Klassen, die höchstsymmetrische Klasse besitzt Zentrum, Spiegelebene und Symmetrieachse. Monoklin kristallisieren Orthoklas, Glimmer, Augit, Amphibol, Titanit, Wolframit und andere Minerale.
C - Rhombisches System: Das Achsenkreuz besteht aus drei unterschiedlich langen, aufeinander senkrecht stehenden Achsen (a, b, c). Das System teilt sich in drei Klassen, die höchstsymmetrische Klasse in diesem System hat ein Zentrum, drei zueinander senkrechte Spiegelebenen und Symmetrieachsen. Rhombisch kristallisieren Baryt, Aragonit, Cerussit, Arsenopyrit, Markasit, Antimonit, Hemimorphit, Olivin, Topas und viele weitere Minerale.
D - Tetragonales System: Das Achsenkreuz besteht aus drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen (al, a2, c), wobei die zwei waagerechten (horizontalen) gleich lang sind. Das System umfasst sieben Klassen, die höchstsymmetrische Klasse hat ein Zentrum, fünf Spiegelebenen und fünf Symmetrieachsen. Tetragonal kristallisieren Cassiterit, Rutil, Scheelit, Chalkopyrit, Vesuvian und andere.
E - Hexagonales System: Das Achsenkreuz hat vier Achsen; die drei gleich langen horizontalen Achsen schneiden einander unter einem Winkel von 60°, die vertikale Achse (der sechszähligen Symmetrie) steht senkrecht auf ihnen (al, a2, a3, c). Das System gliedert sich in fünf Symmetrieklassen. Die höchstsymmetrische Klasse hat ein Zentrum, sieben Spiegelebenen und sieben Symmetrieachsen. Hexagonal kristallisieren Beryll, Apatit, Quarz ("Hochquarz"), Nephelin, Pyrrhotin, Molybdänit, Nickelin, Wurtzit u. a.
F - Trigonales (rhomboedrisches) System: Das Achsenkreuz ist das gleiche wie im hexagonalen System, doch hat die Vertikalachse nur eine dreizählige Symmetrie. Das System ist in sieben Klassen gegliedert, die höchstsymmetrische Klasse hat ein Zentrum, vier Spiegelebenen und vier Symmetrieachsen. In diesem System kristallisieren viele "gemeine" Minerale, z. B. Calcit, Dolomit, Siderit, Quarz ("Tiefquarz") Korund, Turmalin, Hämatit, Cinnabarit, Proustit, Pyrargyrit, von den gediegenen Elementen sind es Graphit, Arsen, Wismut.
G - Kubisches System: Das Achsenkreuz besteht aus drei aufeinander senkrecht stehenden gleichlangen Achsen (al, a2, a3). Das System umfasst fünf Klassen, die höchstsymmetrische Klasse hat ein Zentrum, neun Spiegelebenen und dreizehn Symmetrieachsen. In diesem System kristallisieren ebenfalls zahlreiche Minerale, z. B. Halit, Fluorit, Granate, einige gediegene Elemente, z. B. Gold, Kupfer, Silber, Diamant, ferner Magnetit, Pyrit, Galenit, Sphalerit, Tetraedrit, Cuprit und weitere.
Der von den gleichwertigen Flächen einer einzigen Kristallform umschlossene Kristall (z. B. Hexaeder, Oktaeder bzw. Tetraeder) wird einfache Form genannt. Wird ein Kristall von zwei oder mehreren einfachen Formen begrenzt, bezeichnet man ihn als Kombination (s. Bild: 3). Manche Kristallformen sind für bestimmte Minerale typisch, z. B. das Oktaeder für Magnetit, das rhombische Dodekaeder für Granat, das Hexaeder für Halit.
Andere Minerale hingegen besitzen eine sehr reiche Kristallreihe. Bei Calcit wurden bisher etwa 1200 grundlegende und abgeleitete Formen gefunden. Die Kristallform ist bei manchen Mineralen auch ein wichtiges Merkmal. Schon anhand der Kristallform lässt sich z. B. Amphibol zuverlässig vom ähnlichen Pyroxen unterscheiden, Magnetit von Hämatit, Tetraedrit von Bournonit, Bergkristall von klarem Gips oder Aragonit, Vesuvian von Granat und viele andere, einander ähnliche Minerale.
Beachtenswert sind die kristallinen Stoffe, die in der Natur mehrere selbstständige Minerale hervorbringen, die sog. Kristallmodifikationen. Kristallmodifikationen ein und desselben Stoffs haben die gleiche chemische Zusammensetzung, unterschiedliche physikalische Eigenschaften, kristallisieren in verschiedenen Kristallsystemen und weisen daher ganz verschiedene Kristallformen auf (s. Bild: 4). So kristallisiert beispielweise Calcit im trigonalen System, Aragonit im rhombischen, doch sind beide chemisch Kalziumkarbonate. Pyrit ist kubisch, Markasit ist rhombisch, chemisch sind beide Eisendisulfide. Ein Beispiel für zwei chemisch gleichartige, jedoch im Aussehen und physikalischen Eigenschaften maximal unterschiedene Minerale sind auch zwei Modifikationen des reinen Kohlenstoffs, Diamant (kubisch) und Graphit (hexagonal).
Eine interessante Besonderheit unter den Kristallen stellen die sog. Scheingestalten (Truggestalten) oder Pseudomorphosen dar. Sie entstehen durch die sekundäre Ersetzung eines älteren Minerals durch ein völlig anderes jüngeres, wobei die Kristallgestalt des ursprünglichen Minerals vollkommen erhalten bleibt. Das kommt auf verschiedene Weisen zustande, z. B. durch Verwitterung des älteren Minerals zu einem sekundären Zersetzungsprodukt oder durch die hydrothermale Verdrängung des leichter löslichen ursprünglichen Kristalls durch ein anderes, in den zirkulierenden Lösungen schwerer lösliches Mineral. War diese Umwandlung nicht vollkommen, bleibt das ältere Mineral im Kern der Pseudomorphose als Relikt zurück. Manchmal kann man aber anhand des Aussehens nicht immer eine echte Pseudomorphose von einem bloßen Überzug eines jüngeren Minerals auf einem älteren Träger unterscheiden.
Man kennt aber auch komplizierte Pseudomorphosen Entstehungsprozesse. Im ganzen handelt es sich um ein in der Natur recht verbreitetes Phänomen, z. B, Limonitpseudomorphosen nach Pyrit oder Siderit, Malachitpseudomorphosen nachgediegenem Kupfer, Cuprit oder Azurit, Quarz nach Baryt und Pyrit nach Calcit.
Ändert sich bei der Umwandlung eines Minerals in ein anderes die chemische Zusammensetzung nicht, entsteht eine sog. Paramorphose. Aus der Natur ist die Verwandlung von kristallinem Aragonit zu Calcit, von Markasit zu Pyrit, selten auch von Diamant zu Graphit (niemals umgekehrt) bekannt. Jede Paramorphose ist die Folge einer Änderung im Kristallstrukturgitter des gegebenen Minerals (s. Bild: 4). (zurück zum Anfang)
Die Vorstellung von der Materie als einem Komplex unteilbarer Partikel haben bereits antike Philosophen ausgesprochen. Im 18. und 19. Jahrhundert hat das die analytische, stöchiometrische und organische Chemie mit ihren Erkenntnissen ausgearbeitet, für den festen Zustand die Kristallographie. Erst im Jahr 1912 hat der deutsche Physiker Max von Laue diese Hypothese mit seinem berühmten Versuch nachgewiesen.
Dabei wurden auf einer Photoplatte Figuren aufgefangen, die beim Durchgang von Röntgenstrahlen durch einen Einzelkristall (s. Bild: 5) entstanden waren. Gleichzeitig hat dieser Versuch gezeigt, dass X-Strahlen (Röntgenstrahlen) elektromagnetische Schwingungen mit ultrakurzer Wellenlänge sind und keineswegs ein Strom aus einzelnen Materieteilchen (Korpuskeln). Mit dieser bedeutenden Entdeckung, die den Beweis für den atomaren Bau der Stoffe erbrachte ' hat die Wissenschaft die Möglichkeit zur direkten Erforschung ihrer Mikrostruktur erhalten. So entstand eine neue Disziplin, die sog. Strukturkristallographie.
Stoffe in festem Zustand teilt man in amorphe (gestaltlose) und kristalline ein, d. h. solche mit einem gesetzmäßigen Feinbau. In der Terminologie darf man die Begriffe "kristallines Mineral" (auf den inneren Bau bezogen) und "kristallisiertes Mineral" (die äußeren Begrenzungen charakterisierend) nicht verwechseln. Jedes Materiesystem enthält innere Energie und tendiert dahin, möglichst wenig dieser Energie zu besitzen. Der energetisch vorteilhafteste ist der kristalline Bau, der den Allgemeinzustand der festen Materie schlechthin darstellt.
Amorphe Minerale bestehen aus Bausteinen (Atomen, Ionen, Molekülen) in völlig zufälliger, unregelmäßiger Anordnung. Die Wissenschaft betrachtet sie heute als "unterkühlte Flüssigkeiten". Das Ganze hat in allen Richtungen gleiche Eigenschaften, es ist isotrop und solche Minerale sind daher häufig nierig bis kugelig begrenzt. Allerdings zeigen manche Opale, obschon sie typische amorphe Minerale sind, in ihrem inneren Bau Regelmäßigkeiten und Symmetrie. Der Edelopal ist aus riesigen Kugelhaufen von amorphem Silikagel (Siliciumoxid mit Wasser) mit einem einheitlichen Durchmesser von maximal einigen Mikron aufgebaut, die zu einem regelmäßigen Gerüst geordnet sind. Diese geometrische Gestaltung verursacht das charakterische Farbenspiel des Edelopals.
Charakteristisch für kristalline Minerale ist der regelmäßige, Gesetzen unterliegende Feinbau des Kristallstrukturgitters. Der äußere Ausdruck dieser inneren Symmetrie ist der Kristall. Ein Kristall hat (im Gegensatz zu amorphen Stoffen) in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften, er ist also anisotrop. Ein direkter Beweis für die Anisotropie ist die Kristallgestalt selbst. Hätte nämlich der Kristall nach den verschiedenen Richtungen gleiche Eigenschaften, sähe er wie eine Kugel aus.
Die Symmetrie des Kristallfeinbaus und der kristallinen Stoffe überhaupt kann man durch sieben Symmetrieelemente zum Ausdruck bringen. Diese Symmetrie lässt sich folgendermaßen ableiten: Man wählt im Raum einen Punkt und verschiebt ihn so, wie es die Achsenkreuze der Kristallsysteme vorgeben. So entstehen 14 elementare Translationsgitter. Durch Kombination dieser Gitter nach sieben Symmetrieelementen gewinnt man 230 Raumgruppen. Der Typ des elementaren Translationsgitters, in dem der Keim eines bestimmten Minerals kristallisiert, ist zum einen durch die relative Größe der Atome, lone oder Moleküle des künftigen Minerals gegeben, zum anderen durch ihre gegenseitigen chemischen Bindungen. Die Orientierung der räumlichen Verbindung dieser Gitter bestimmt das Gesamtbild des Kristalls. Überwiegen allseitige Verbindungen, ist der Kristall isometrisch (z. B. Diamant); sind die Verbindungen vorwiegend flächig, ist der Kristall meist tafelig bis blättrig (z. B. Graphit, Glimmer), bei kettenförmiger oder linearer Verbindung entstehen säulige bis faserige Kristalle (z. B. Pyroxene, Asbest). Durch die Orientierung der Raumverbindungen in den Elementargittern werden auch die mechanischen Eigenschaften des kristallinen Minerals bedingt, d. h. seine Härte, Kohäsion, Spaltbarkeit und Bruch.
Die kleinste Einheit im Kristallstrukturgitter bzw. die Keimkonfiguration ist das sog. Parallelepiped oder die Elementarzelle. Die Länge ihrer Kanten, die a0, b0, c0 bezeichnet werden, heißen grundlegende Gitterparameter (Gitterkonstanten) des Minerals. Sie geben in drei Richtungen die kürzesten Entfernungen zwischen den Atomen (Ionen, Molekülen) an, aus denen die Elementarzelle besteht und sind die wichtigsten spezifischen Merkmale eines jeden Kristalls.
Wachstumsergebnis eines, kristallinen Stoffs mit vollkommener Ausbildung aller Bausteine in einem streng symmetrischen perfekten Gitter wäre ein sog. Idealkristall. In der Natur, aber auch unter normalen Laboratoriumsbedingungen entsteht der sog. Realkristall, der sich durch verschiedene Fehler und Störungen auszeichnet. Erst wenn deren Anzahl verschwindend gering ist, entsteht ein fast vollkommener Kristall. Die vollkommene Begrenzung eines Kristalls ist also weder ein Beweis noch ein Maßstab für die innere strukturelle Vollkommenheit.
Die Begriffe Kristallbaufehler und Fehlordnungen bezeichnen alle punktuellen, linearen, flächigen und raumhaften Unregelmäßigkeiten, die die chemische und symmetrische Homogenität der inneren Struktur stören. Dazu gehören verschiedene chemische Beimengungen, Fehlstellen an einigen Positionen im Gitter (sog. Vakanzen) oder Einlagerungen überzähliger Teilchen sowie verschiedene Mikrodislokationen, die den Zerfall des Einzelkristall-Feinbaus in verschiedene untereinander kohärente Blöcke bewirken. Die eingehende Erforschung all dieser Kristallbaufehler ist von grundsätzlicher theoretischer und praktischer Bedeutung, denn sie sind Träger vieler wichtiger physikalischer Eigenschaften der Realkristalle. An einem vollkommenen oder gar idealen Kristall kämen diese Eigenschaften gar nicht zustande. Realkristalle finden in Halbleitern, Dioden und Transistoren Verwendung.
Die Erforschung des inneren Baues von kristallinen Mineralen greift am häufigsten zur sog. Röntgenstrukturanalyse. Sie beruht auf Beugung, Reflexion und Interferenz (Diffraktion) der Röntgenstrahlen beim Passieren durch das Kristallgitter.
Die von den englischen Physikern Bragg Vater und Sohn formulierte mathematische Gleichung drückt die Beziehung zwischen Wellenlänge der Röntgenstrahlen, Entfernungen der Netzebenen im Kristallgitter und dem Winkel der abgelenkten Röntgenstrahlen aus. Sind zwei Werte bekannt, lässt sich der unbekannte dritte berechnen. Die systematische Röntgenstrukturanalyse aller kristallinen Minerale hat nicht nur wichtige Fakten über ihren inneren Bau erbracht, sondern auch die Messung der tatsächlichen Durchmesser von Atomen und ihren Ionen vor verschiedener Wertigkeit bei allen chemischen Elementen ermöglicht und die Größe verschiedener Moleküle. (zurück zum Anfang)
Die Eigenschaften der Minerale
Die physikalischen Eigenschaften der Minerale rühren einerseits von den Eigenschaften der Atome eines bestimmten Elements her, andererseits von den Eigenschaften des ganzen Kristallgitters. In die erste Gruppe gehören z. B. die Radioaktivität, teilweise die Luminiszenz. In die andere Gruppe werden die übrigen Eigenschaften eingereiht, also die mechanischen, elektrischen u. a. In einigen Fällen ist aber die wirkliche Ursache für bestimmte Eigenschaften unbekannt.
Bei den Mineralen unterscheidet man skalare Eigenschaften, z. B. Dichte und spezifische Wärme von vektoriellen Eigenschaften wie etwa Härte und Magnetismus. Die Tatsache, dass die Werte mancher Eigenschaften an einem und demselben Kristall von der Messrichtung abhängen, ergibt sich aus der Anisotropie der Kristalle. Die physikalischen Eigenschaften sind für jede Mineralart charakteristisch, sie sind konstant und dienen als wichtige diagnostische Merkmale bei der Bestimmung.
Das spezifische Gewicht ist das Gewicht von 1 cm3 Mineralmasse, ausgedrückt in Gramm. Die Dichte (auch Masse der Raumeinheit) ist das Verhältnis von Gewicht des Stoffes zu seinem Volumen. Sie wird in der Mineralogie mit einer Zahl angegeben, die anzeigt, um wie viel das Mineral schwerer als volumengleiches Wasser bei 4 °C ist. In Abhängigkeit von verschiedenen Einsprenglingen usw. ist die Dichte recht schwankend. Die Härte ist der Widerstand des Minerals gegen das Eindringen eines anderen Körpers. Ihr Grad wird entweder relativ bestimmt oder mit einem Gerät, dem Sklerometer gemessen. Bei vielen Mineralen, insbesondere bei Disthen, leistet eine und dieselbe Kristallfläche dem eindringenden (d. h. ritzenden) Körper einen unterschiedlichen Widerstand, je nachdem, ob in Längs- oder Querrichtung geritzt wird. In der Praxis hat sich die Mohssche Härteskala sehr gut bewährt, sie enthält Minerale der zunehmenden Härte nach. Jedes folgende Mineral ritzt die vorhergehenden: 1 - Talk, 2 - Gips, 3 - Calcit, 4 - Fluorit, 5 - Apatit, 6 - Feldspat (Orthoklas), 7 -Quarz, 8 - Topas, 9 - Korund, 10 - Diamant. Diese Skala hat nur Vergleichswert, die Zahlen sagen nichts darüber, um wie viel härter ein genanntes Mineral gegenüber anderen Skalengliedern ist.
Die Festigkeit wird als Widerstand eines Körpers gegenüber Veränderungen durch Druck, Zug oder Torsion definiert. Überschreitet die Belastung die Grenzen der Kohäsion, entstehen dauerhafte Verformungen - klastische (Bruch, Spaltung) oder plastische (Biegung, Gleitung).
Die optischen Eigenschaften ergeben sich aus der physikalischen Wirkung des Minerals auf das Licht. Mit bloßem Auge kann man erkennen, dass die Lichtstrahlen vom Mineral teilweise reflektiert werden (dann glänzt es), selektiv absorbiert werden (so entsteht eine bestimmte resultierende Farbe), oder hindurchgehen, wenn das Mineral durchsichtig bis klar ist. Eine typische, unter allen Bedingungen gleichbleibende Farbe haben nur einige Minerale, z. B. Malachit und Azurit. Viele Minerale sind verschiedenfarbig, z. B. Fluorit, Turmalin. Die Farbe der sog. pleochroischen Minerale hängt von der Beobachtungsrichtung ab. Cordierit hat beispielweise in drei zueinander senkrecht stehenden Richtungen drei verschiedene Farbtöne. Bei der Bestimmung wird daher die konstante Strichfarbe festgestellt, d. h. die Farbe eines feinen Pulvers, das entsteht, wenn man mit dem Mineral einen Strich auf einer unglasierten weißen., Porzellanplatte zieht.
Ein auffallender Lichtstrahl. Wird beim Durchgang durch das Mineral gebrochen. Die mathematische Beziehung zwischen Einfallswinkel und Brechungswinkel, der sog. Brechungsindex ist ein wichtiges spezifisches Kennzeichen für jedes Mineral. Die Polarisation des Lichts ist eine komplizierte physikalische Erscheinung, die nur unter der Verwendung von Spezialgeräten festzustellen ist, etwa mit dem Polarisationsmikroskop. Sie wird vor allem in der Petrologie beim Studium von Gesteinsschliffen genutzt.
Der Magnetismus ist eine Eigenschaft solcher Minerale, die in ihrem Kristallgitter Atome mit sog. Magnetmoment, also mit unpaarigen Elektronen auf den äußeren Orbitalen haben. Die gegenseitige Orientierung dieser Atome ist die Ursache für die Magnetstruktur eines Kristallgitters. Die Magnetmomente der einzelnen Atome bringen sog. Domänen hervor und diese bilden dann die Magnetachse des Ganzen. Diamagnetische Minerale sind nicht magnetisch und lassen sich nicht magnetisieren (Kupfer), paramagnetische Minerale lassen sich schwach magnetisieren (Pyrit), ferromagnetische sind stets magnetisch (Magnetit, Pyrrhotin). Eine Magnetisierung durch die Einwirkung eines stärkeren äußeren Felds kommt auch in der Natur vor - Gesteine mit einem entsprechenden Mineralgehalt können z. B. durch Blitzschlag zu Dauermagneten werden. Die magnetische Eigenschaft der Minerale gestattet eine breite Nutzung. Die Geländemagnetometrie dient zum geophysikalischen Aufspüren von Eisenerzlagerstätten, magnetische Separation wird bei der Erzaufbereitung durchgeführt, Magnetismus kann die Mineralbestimmung erleichtern, z. B. die Unterscheidung von Magnetit und dem ähnlichen Chromit. Magnetische Minerale finden eine breite Verwendung in der Elektrotechnik und auf anderen Gebieten.
Der sog. Paläomagnetismus hat eine besondere Bedeutung für die Geologie. Er beruht auf dem Prinzip der orientierungsmäßigen Abhängigkeit der Magnetachse eines entstehenden kristallinen Minerals vom Erdmagnetfeld. Vor der Entnahme aus einem Felsen wird die Lage der entnommenen Probe genau durch kartographische Koordinaten festgehalten, denn ihre Magnetachse weist auf die Lage des Nordpols zur Zeit, als diese Probe kristallisierte. Auf diese Weise kann man anhand von Proben aus den verschiedenen geologischen Epochen die einstige Lage der magnetischen Erdpole feststellen, ihre Wanderung im Lauf der historischen Erdentwicklung rekonstruieren bzw. die Bewegung ganzer Kontinentalblöcke feststellen. Umgekehrt kann man anhand der Magnetachsenorientierung das geologische Alter einer Probe bestimmen.
Elektrische Eigenschaften machen sich erst dann bemerkbar, wenn sich ein Mineral zwischen den Polen einer elektrischen Spannung befindet. Sie werden von der Anwesenheit freier Elektronen und Ionen im Mineral bedingt und hängen von deren Bewegungsmöglichkeiten im Strukturgitter ab. Der entscheidende Faktor dieser Bewegung ist die Art und Weise, wie die Bausteine untereinander verbunden sind (sog. chemischer Bindungstyp). Je nach Beweglichkeitsstufe der Elektronen im Gitter teilt man die Minerale in drei Gruppen ein. Isolatoren leiten die elektrische Ladung nicht, Leiter enthalten freie Elektronen und sind leitfähig, Halbleiter sind Isolatoren, die unter bestimmten Bedingungen eine elektrische Ladung übertragen. Die Halbleiterforschung hat bedeutende Entdeckungen gebracht, auf deren Grundlage die Herstellung von Transistoren, Mikrogleichrichtern, Computern, Mikroprozessoren und anderen Geräten mit minimalem Stromverbrauch fußt. Sie gestatten die Miniaturisierung der verschiedensten Gerätetechniken und die automatische Steuerung komplizierter Prozesse.
Enthält ein Mineral eine sog. polare kristallographische Achse (jedes Achsenende hat andere Eigenschaften), kann es selbst zur Quelle einer statischen Aufladung werden und eine elektrische Spannung tragen. Dieser Effekt tritt ein, wenn durch einen äußeren Eingriff (z. B. mechanisch, durch Wärme) die elektrisch neutrale Grundbaueinheit im Gitter verzerrt wird und sich in einen Dipol umwandelt: durch Druckdeformation des Kristallstrukturgitters entsteht Piezoelektrizität. Dann tritt bei Streckung oder Stauchung des Gitters in der Richtung der polaren Achse an den Achsenenden eine elektrische Ladung auf. Lässt man umgekehrt eine elektrische Wechselspannung auf die Enden der polaren Achse einwirken, dehnt und verkürzt sich der Kristall abwechselnd. Ein Beispiel für piezoelektrische Minerale ist Quarz, dessen zugeschnittene orientierte Plättchen in Geräten zur Herstellung von Ultraschwingungen verwendet werden. Die Pyroelektrizität entsteht bei einigen Mineralen mit polarer Achse (normalerweise die vertikale Achse) nach Erwärmung. An ihren Spitzen tritt eine elektrische Ladung auf, die z. B. feine Asche aus einer Feuerstelle anzieht. Ein Beispiel dafür sind die Kristalle von Turmalin und Hemimorphit.
Die Wärmeeigenschaften werden von der Wärmeleitfähigkeit des Minerals bedingt, die in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich ist, genau wie die Ausdehnung bei Erwärmung. Die Wärmeenergie des Gitters kommt durch die Oszillation seiner Teilchen zustande. Überschreitet die Amplitude dieser Schwingungen die Entfernung, auf die ihre gegenseitigen Bindungskräfte wirksam sind, schmilzt bzw. verflüssigt sich das Mineral.
Die Radioaktivität ist die Eigenschaft ausschließlich solcher Minerale, die radioaktive Elemente der Zerfallsreihen von Uran, Thorium, Aktinium enthalten bzw. Spurenbeimengungen radioaktiver Isotopen, z. B. von Kalium und anderen Elementen. Der radioaktive Zerfall bewirkt in einem Mineral Veränderungen der chemischen Zusammensetzung, die Strahlung wirkt auf das Kristallgitter destruktiv.
In manchen Mineralen entstehen sog. pleochroische Höfe, z. B. in Biotit um Zirkoneinschlüsse herum. Andere verwandeln sich in metamikte Minerale, z. B. Betafit in Samarskit. Ihr ursprüngliches Kristallgitter gruppiert sich durch Einwirkung der in ihnen enthaltenen radioaktiven Stoffe, in einen amorphen Zustand um, doch bleibt ihre äußere Kristallgestalt erhalten. Die Mengenbestimmung des Endprodukts bei radioaktivem Zerfall der Elemente bildet zusammen mit den Werten der Zerfallgeschwindigkeit (sog. Halbzerfallszeit) die Grundlage für die Berechnung des absoluten Alters der Minerale. Auf diese Weise lässt sich auch die absolute Geochronologie der erdgeschichtlichen Entwicklung bestimmen. Die Radiometrie ist eine höchst wirkungsvolle geophysikalische Methode beim Aufspüren von Lagerstätten radioaktiver Rohstoffe.
Die Lumineszenz ist die Fähigkeit einiger Minerale zu leuchten, zu sog. Luminophoren zu werden. Ihr physikalisches Wesen besteht in der Umwandlung verschiedener vom Mineral absorbierter Energiearten (Wärme-, Lichtenergie, elektrische, chemische, mechanische) in Lichtstrahlen. Für die Mineralogie ist die Photolumineszenz von größter Bedeutung. Sie kommt durch die Bestrahlung einiger Minerale mit UV-Strahlen zustande, hauptsächlich mit Strahlen von der Wellenlänge 253,7 und 336 Nanometer. Lumineszenz tritt nur dann auf, wenn in einem bestimmten Mineral Spuren von sog. Aktivatoren vorhanden sind, das sind meist Mangan, Kupfer, Blei, Silber, Uran, Elemente seltener Erden (TR), Wassermoleküle u. a. Da für gewöhnlich nicht alle Stufen desselben Minerals lumineszieren, ist diese Eigenschaft kein geeignetes und zuverlässiges Bestimmungsmerkmal. (zurück zum Anfang)
Neue Erkenntnisse über die Mineraleigenschaften
Die Wissenschaft kann heute viele Mineraleigenschaften durch die Verhaltensänderungen der freien Atome nach ihrem Eintritt in den festen Zustand erklären. Es handelt sich dabei um Eigenschaften, deren Träger die Elektronenhülle der Atome ist. Dazu gehören neben den chemischen Eigenschaften vor allem die gegenseitigen Bindungen von Atomen, Ionen und Molekülen im Mineral und auch einige seiner physikalischen Eigenschaften. Im Kristallgitter beeinflussen sich die Atome gegenseitig und passen sich einander an. Werden die charakteristischen Merkmale des Minerals vom Bindungs- und Strukturgittertyp bedingt, kann man daraus folgern, dass auch seine mechanischen, optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften von den Eigenschaften der Elektronen in den Verbindungen herrühren.
Die moderne physikalische Kristallographie fußt auf der Theorie der chemischen Bindung und geht von drei grundlegenden Typen aus: von der Ionenbindung (heteropolar), der kovalenten (homöopolaren) und metallischen Bindung. Sie beschreibt mathematisch die wellenmechanische Bewegung der Elektronen im Atom, Molekül und im ganzen Kristallgitter. Zur Erklärung dieser Bewegung in den drei genannten Systemen formuliert sie drei Theorien, die sog. Kristallfeldtheorie, die Molekülorbitaltheorie und die Energiebändermodelltheorie.
Das Wesen des Kristallfelds ist elektrostatisch. Es entsteht bei Mineralen mit lonenbindung, in denen Eigenschaften und Verhaltensweisen jedes Ions durch Anzahl und Lage der nächsten Nachbarionen (sog. Ligande) bedingt werden. Durch die Wirkung des Kristallfeld-Elektropotentials kommt es beim von Anionen umgebenen Kation zur Spaltung der Schalen (Orbitale) seiner Elektronenhülle. Dadurch ändert sich die Größe der Energie. die mit den interorbitalen Übergängen der Elektronen im Atom verbunden ist. In einem Kristall können sich aber nur die Schalen von sog. Übergangsmetallen, d. h. Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel und Kupfer spalten.
Die Molekülorbitaltheorie erklärt die Bewegung der Elektronen nicht auf den Orbitalen eines einzigen Atoms, sondern auf den gemeinsamen Orbitalen zweier oder mehrerer Atome. Sie kommt in Mineralen bei komplexen Bausteinen mit kovalenter Bindung der Atome (Ione) zu Molekülen zur Geltung, z. B. bei Karbonat-, Sulfationen usw., bei Schwefelmolekülen im Kristallgitter u. a.
Die Energiebändermodelltheorie erklärt die Bewegung der Elektronen im ganzen Kristallgitter des Minerals. Sie unterscheidet beim Kristall Energieniveaus, ähnlich wie die Orbitale im Atom: das Valenzband und das Leitungsband. Überlagern sich beide, ist das Mineral ein Leiter. Sind sie durch die sog. Bandlücke ("verbotene Zone" - Zone ohne Orbitale) voneinander getrennt, ist das Mineral ein Halbleiter. Wird diese Lücke von der Beimengung eines geeigneten Elements ausgefüllt, ist das Mineral ein sog. doppierter Halbleiter. Bei einer sog. breiten Bandlücke ist das Mineral ein Isolator.
Anhand der hier angeführten Erkenntnisse lassen sich viele verschiedene physikalische Erscheinungen erklären, unter anderem auch die Farben der Minerale. Die Farbigkeit der Minerale kommt durch die selektive Absorption bestimmter Wellenlängen des auffallenden Lichts zustande. Je nach Absorptionsgrad werden die Minerale in vier Gruppen eingeteilt: Klare, d. h. farblose (achromatische), aber durchsichtige Minerale lassen Licht ohne selektive Absorption durch, Z B. Bergkristall. Eigenfarbige (idiochromatische) Minerale enthalten ein farbbildendes Element (sog. Chromophor) in erheblicher Menge, z. B. Kupfer in Azurit. Gefärbte (allochromatische) Minerale enthalten den Chromophor nur Spurenweise als Beimengung, z. B. Chrom in Rubin und Smaragd. Ein Sonderfall sind die durch Mikroeinschlüsse anderer Stoffe gefärbten Minerale, z. B. Chlorit und Hämatit in Jaspis. Scheinfarbige (pseudochromatische) Minerale zeichnen sich durch Farbeffekte aus, die im durchsichtigen Mineral durch Brechung, Beugung und Interferenz des Lichts zustandekommen, z. B. das "Feuer" des Diamants oder das Farbenspiel des Edelopals. Diese Klassifizierung liefert aber keinen Ausgangspunkt zu einer exakten Erklärung für die Ursachen der Mineralfarbigkeit.
Traditionsgemäß werden z. B. dem Kupfer grüne und blaue Farben zugeschrieben, dem Chrom Rot, dem Kobalt ein sattes Blau. In Wirklichkeit können aber Chromverbindungen rot, orange, gelb, grün, auch violett sein. Und umgekehrt: einen fast identischen sattblauen Farbton können Eisen und Titan bei Saphir, Kobalt bei Spinell, Kupfer bei Shattuckit, Schwefel bei Lasurit und ein durch Bestrahlung entstandenes sog. Farbzentrum bei Beryll vom Maxix-Typ hervorrufen. Diese und andere Unklarheiten löst die moderne physikalische Kristallographie durch komplexe Laboratoriumsuntersuchungen jeder konkreten Probe und anschließende Anwendung einer der erwähnten Theorien über die Elektronenbewegung im System.
Die Kristallfeldtheorie erklärt die Farbentstehung auf mehrere Weisen. Eine davon besagt dass die in den folgenden Mineralen als Bestandteile auftretenden Übergangsmetalle deren charakteristische Farbe zustandebringen. Durch die unterschiedliche Wirkung des Kristallfelds in den einzelnen Mineralarten kommt es auch zu einer unterschiedlichen Spaltung der Elektronenorbitalen ein und desselben farbbildenden Elements (Chromophor) und somit zur Entstehung verschiedener Farben.
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Chrom: grün - Uwarowit und Grossular (Granate), Smaragd, Hiddenit, Verdelith; orange - Krokoit; rot - Rubin, Spinell; rot mit grün - Alexandrit (Chrysoberyll)·
Mangan: rosa Rhodochrosit, Rhodonit, Rubellit, Morganit, Kunzit; orange - Spessartin, gelb – Ganophyllit·
Eisen: blau - Lazulith, Indigolith; grün - Olivin, Verdelith, Demantoid; rot - Pyrop, Almandin, Ludlockit; gelb - Goethit, Zitrin·
Kobalt: rosa - Erythrin, Rosalith, Sphärokobaltin·
Nickel: grün - Chrysopras, Bunsenit·
Kupfer: blau - Azurit, Chrysokoll, Türkis; grün - Malachit, Dioptas; rot - Cuprit.
Ursache der Farbe können auch sog. Farbzentren, d. h. Defekte im Kristallgitter sein, die für gewöhnlich von der Bestrahlung des Minerals mit harten (Gamma-) Strahlen herrühren, z. B. wenn nicht alle Ionenpositionen besetzt sind (dann entstehen sog. Vakanzen) oder von einem freien Elektron ausgefüllt werden. In die Mineralgruppe mit Farbzentren gehören Fluorit, Rauchquarz und Morion, strahlenbehandelte Diamanten (verschiedene Farben) und braune Topase, wahrscheinlich auch blaues und gelbes Halit, blaues Baryt und Coelestin, gelber Calcit u. a.
Die Molekülorbitaltheorie erklärt die Farbe durch den Übergang bzw. Übertragung von Elektronen zwischen zwei gleichen oder verschiedenen Elementen, hauptsächlich Metallen. Beispiele sind der blaue Saphir und Benitoit mit Elektronenübertragung zwischen Eisen und Titanionen, Vivianit mit Elektronenübertragung zwischen Eisenionen, Covellin mit Elektronübertragung zwischen Kupferionen, ferner Pyrit, Markasit, Skutterudit, Sylvanit u. a., deren Farbe durch den Elektronenübergang zwischen Metall und Nichtmetall zustandekommt.
Die Bändermodelltheorie erklärt die Mineralfarbe - von Leitern und Halbleitern - durch die selektive Absorption des Lichts durch solche Elektronen, die sich zwischen Valenz- und Leitungsband, evtl. auch in der verbotenen Zone" bewegen können. Bei den Isolatoren wird die Beimengung eines bestimmten Elements zum Farbträger, das mit seinen Orbitalen die "verbotene Zone" des Minerals ausfüllen kann und ist darüber hinaus in der Lage, den Isolator zum Leiter umzuwandeln. Beispielweise wird Diamant durch eine Bordbeimengung bläulich gefärbt und zum Leiter gemacht (der berühmte Hope-Diamant).
In ihrer neuen Konzeption sind die physikalische Mineralogie und die Kristallographie sehr aussichtsreiche Disziplinen, da sie unter anderem auch eine Methodik zur exakten Erklärung für die Ursachen vieler physikalischer Eigenschaften der Minerale erarbeitet und so das Feld ihrer Nutzung erschlossen haben. Die aus der klassischen Physik hervorgegangene physikalische Mineralogie war von Barrieren eingeengt, deren Überwindung erst die Quantentheorie mit dem dazugehörigen mathematischen Rüstzeug in ihrer Anwendung auf das Verhalten der Atome in der festen Phase geschaffen hat. (zurück zum Anfang)
Minerale und Gesteine, aus denen unser Planet Erde aufgebaut ist, sind zu allen Zeiten seiner historischen Entwicklung entstanden. Die sich mit Mineralentstehung und -vorkommen befassende Wissenschaft heißt Minerogenese. Als Hilfsdisziplinen zieht sie die Geochemie, Geologie, Lagerstättenkunde, Petrologie und einige Fachrichtungen der Chemie heran. Die Prozesse, bei denen Minerale abgeschieden wurden, waren sehr mannigfaltig, ein und dasselbe Mineral konnte sogar auf mehrere Weisen entstehen. Die Mineralentstehung ist nur in Ausnahmefällen für eine Direktbeobachtung zugänglich. Wichtige Fakten liefert z. B. die Erforschung tätiger Vulkane oder mancher Mineralwasserquellen, aber auch die Beobachtung von Mineralbildungen auf dem Grund von Seen und Ozeanen oder in alten Abbauräumen ("Alter Mann") von Rohstofflagerstätten. Von großer Bedeutung sind auch Laborexperimente, die Herstellung von synthetischen Kristallen oder die zufällige Entstehung verschiedener kristalliner Produkte, z. B. bei Verhüttungs- und Chemieprozessen. Die Anwendung solcher empirisch gewonnener Erkenntnisse auf die Erklärung verschiedener mineralbildender Prozesse in der Erdrinde trug zur Enthüllung der minerogenetischen Entwicklungsdynamik der Erde bei und half die Gesetzmäßigkeiten zu formulieren, von denen die Mineralentstehung gelenkt wird. Die Klassifizierung der mineralbildenden Prozesse wurde bisher noch nicht endgültig festgelegt.
Ihrem Ursprung nach wurden die Minerale (und werden immer noch) unzutreffend in primäre, die aus Schmelzen, hydrothermalen Lösungen und Gasen abgeschieden werden und sekundäre, die durch Zerfall oder Verwitterung von Primärmineralen entstehen, eingeteilt. Den Tatsachen näher kommt die Einteilung in Minerale, die in ihrer Entstehung mit tieferen (endogenen), normalerweise magmatischen Quellen verbunden sind (hypogene, aszendente Minerale) und in Minerale, die durch die Einwirkung oberflächenbezogener (exogener) Faktoren der Erdrinde entstehen, z. B. durch atmosphärische Niederschläge u. a. (supergene, deszendente Minerale).
Bei verschiedenen mineralbildenden Prozessen können manche Minerale außerordentlich angereichert werden und bauwürdige Mineralrohstoff-Lagerstätten hervorbringen. Je nach Ursprung und Form kennt man z. B. Ganglagerstätten, d. h. Spalten in der Erdrinde, deren Füllung (sog. Gangmittel) jüngere Erz- und Nichterzminerale bilden. Ein anderer Typ sind (stratiforme) Schichtlagerstätten, in denen der Rohstoff in den Sedimenten parallel (konkordant) zur Schichtung des Gesteinskomplexes gelagerte Bänke, Lager und Imprägnationen bildet.
Einige Minerale sind gleichzeitig mit den Gesteinen entstanden, in denen sie angelagert sind (syngenetische Minerale), z. B. Olivin in Basalt, Lager (Schichtungen) von sedimentärem Pyrit in Schiefern usw. Andere Minerale sind bei jüngeren mineralbildenden Prozessen in den bereits fertigen Gesteinskomplexen entstanden (epigenetische Minerale). Erzgänge sind beispielsweise durch Auffüllung von Spalten und Rissen in der Erdkruste mit Mineralen entstanden, die aus zirkulierenden heißen Lösungen ausgefällt wurden.
Eine selbständige Gruppe stellen die an Metamorphoseprozesse in der Erdkruste gebundenen Minerale dar. Ihr Ausgangsmaterial waren ältere Minerale, die unter den neuen Bedingungen mit veränderten Temperaturen und Druckverhältnissen nicht stabil genug waren und sich in andere umwandelten.
Die Mineralverwitterung ist gleichfalls eine Umwandlung und zwar in Produkte, die unter den an der Erdoberfläche herrschenden Bedingungen stabil sind. Sie wird in der Regel von der Migration solcher Elemente begleitet, die aus zersetzten älteren Mineralen frei wurden. Durch Verwitterung entstehen oft reiche Lagerstätten, z. B. von Kaolin oder Bauxit aus Feldspat und sog. Oxidations- und Zementationszonen von Erzgängen ("eiserner Hut"). Eiserne Hüte liegen dort, wo Erzgänge und -körper an die Erdoberfläche stoßen. Dieser Raum enthält eine Zone mit Verwitterung (Oxidation) bis zur Auslaugung der Primärminerale. Darunter, gewöhnlich auf der Höhe des Grundwasserspiegels, liegt eine Zone des erneuten Ausfällens (Zementation) der in den zirkulierenden oberflächennahen Wässern gelösten Bestandteile. Zementationszonen sind meist stark angereichert, z. B. mit Gold, Silber und anderen Metallen, deren Gehalt in den unverwitterten tieferen Partien des Gangs gering, sogar unterhalb der Bauwürdigkeit ist.
Die Mineralisationsprozesse (mineralbildende) lassen sich in Abfolgen (Reihen) aneinander anschließender Vorgänge einteilen. Wichtig ist die Reihe, die an die Magmaerstarrung in der Tiefe gebunden ist. Die glutflüssige Schmelze, die ursprünglich nahezu alle chemischen Elemente in unterschiedlichen Mengen enthielt, hat sich beim Abkühlen nach und nach in Magmateilkörper von unterschiedlicher Zusammensetzung differenziert. Aus diesen haben sich in Abhängigkeit von sinkender Temperatur, gegebenenfalls auch sinkendem Druck allmählich verschiedene Tiefengesteine auskristallisiert. Der Rückstand, das sog. Restmagma, enthielt Wasserdampf, flüchtige Gase, z. B. Fluor, Chlor und vor allem eine höhere Konzentration solcher Elemente, die in der ursprünglichen Schmelze nur spurenhaft vertreten waren. Das Restmagma wurde zu einem Reservoir hydrothermaler Lösungen, die in die Intrusivgesteinskörper und deren Nebengesteine vordrangen. Aus diesen in den Rissen zirkulierenden Lösungen wurden Minerale in einer Reihenfolge abgesetzt, die in etwa ihrem Löslichkeitsgrad entspricht. Sie bildeten hydrothermale Gänge bzw. haben poröse Gesteine imprägniert. Durch Verdrängung, d. h. durch die chemische Ersetzung löslicher Gesteine (z. B. Kalksteine) durch Erz- und Nichterzminerale wurden auch mächtige Lagerstätten sog. metasomatischen Ursprungs aufgebaut.
Die sedimentäre Mineralisationsreihe ließ chemische Ablagerungen entstehen, z. B. Lager von Steinsalz, Gips und Boraten. An ihrer Entstehung waren auch verschiedene Mikroorganismen beteiligt. Die metamorphe Mineralisationsreihe umfasst zwei Haupttypen von Gesteinsbildungsprozessen: Dringt glutflüssige Schmelze in vorhandenes Gestein vor, kommt es an den Berührungsstellen zur sog. Kontaktmetamorphose durch die Glut. Sinken bei gebirgsbildenden Prozessen Komplexe bestehender Gesteine in große Tiefen ab, kommt es hier durch die Einwirkung hoher Temperaturen und Drücke zu ihrer regionalen (großflächigen) Umwandlung, z. B. in Glimmerschiefer oder Gneise. Zu den Metamorphoseprozessen gehört auch die Umwandlung basischer, tiefer Intrusivgesteine (z. B. Olivinite) und Effusivgesteine zu Serpentin, dessen Körper beim Prozess ein größeres Volumen einnimmt als das ursprüngliche Gestein.
Die Mineralbildung ist kein Zufallsprozess, sondern unterliegt globalen und lokalen Gesetzmäßigkeiten des entsprechenden geologischen Komplexes. Daher ist das Mineralvorkommen (also der Ort ihrer Lagerung) von den gesetzmäßigen Beziehungen zwischen Fundstelle und geologischem Milieu sowie dessen Entwicklung bestimmt. Das Produkt eines bestimmten Mineralisationsprozesses ist manchmal nur ein einziges normalerweise ganz gewöhnliches Mineral, z. B. Kalkspat, Gips, Quarz, Steinsalz. Häufig entstehen mehrere Minerale gemeinsam und bilden charakteristische Assoziationen, die sog. Paragenesen. Ein typisches Beispiel liefern die Intrusivgesteine, etwa der aus Quarz, Feldspat und Glimmer bestehende Granit. Das gemeinsame Vorkommen bestimmter Minerale in den abgebauten Gängen war den Bergleuten schon in alten Zeiten bekannt.
Die Kunde von der Erzlagerstättenentstehung, der sog. Metallogenese unterscheidet mehrere rohstoffmäßig wichtige Paragenesen: die Goldformation, bestehend aus gediegenem Gold, Arsenopyrit und Pyrit in Gangquarz; Quarzgänge mit Antimonit und gediegenem Gold; die Erzen von Zinn - Wolfram - Molybdän in Quarzgängen mit Topas, Zinnwaldit, Fluorit, Apatit u. a.; die Formation der Erze von Silber, Blei, Zink in Quarz-Karbonatgängen, die Fünf-Elemente-Formation der Erze von Nickel - Kobalt - Wismut - Silber -Uran auf Karbonatgängen; die Sideritformation mit den Erzen von Kupfer und Quecksilber.
Der Begriff "alpine Paragenese" bezeichnet eine typische Mineralgesellschaft, die Klüfte in einigen kristallinen Schiefern auffüllt. Diese Gesteine wurden zu einem Reservoir von Elementen, die von den zirkulierenden Lösungen unter hoher Temperatur und Druck ausgelaugt und dann bei hinreichender Konzentration zu reichen Drusen von charakteristischen Mineralen (Bergkristall, Albit, Rutil, Hämatit u. a.) wieder ausgefällt wurden.
Die Mineralzusammensetzung aller Paragenesen wird vor allem von geochemischen Faktoren bestimmt. Paragenesen können einerseits jeweils typische Minerale enthalten, andererseits auch solche, die in ganz unterschiedlichen Paragenesen auftreten, z. B. Quarz, Calcit u. a. Nie können aber an verschiedene Mineralisationen gebundene Minerale gemeinsam entstehen, z. B. Granat mit Gips, Galenit mit Diamant, Feldspat mit Steinsalz u. ä. Alle Minerale mit gleichem Alter und gemeinsamem Mineralisationsprozeß an einer Lokalität gehören einer Generation an, in der man wieder die Reihenfolge ihrer Abscheidung, die sog. Sukzession der Minerale feststellen kann. An einer und derselben Fundstelle können aber die gleichen Minerale in mehreren Generationen vorkommen, die zeitlich an verschiedene Mineralisationsphasen gebunden sind. Die Kenntnis der Paragenesen als spezifischer Mineralgesellschaften hat eine beträchtliche praktische Bedeutung, vor allem bei der Suche nach Lagerstätten nutzbarer Minerale. (zurück zum Anfang)
Die Unbeständigkeit der Minerale
Ein Mineral unterliegt als unstabiles Naturprodukt sowohl draußen in der Natur als auch in Sammlungen verschiedenen Veränderungen, die manchmal sogar zu seiner Zerstörung führen können. Sollen die charakteristischen Merkmale der Minerale erhalten bleiben, muss man der Sammlung fachmännische Pflege angedeihen lassen. Die Umwelt wirkt nämlich physikalisch und chemisch auf die Minerale ein.
Zu den physikalischen Faktoren gehören hauptsächlich Licht, Temperaturwechsel und Feuchtigkeit, die wiederum eine chemische Zersetzung fördert.
Eine der unerwünschten Erscheinungen ist der Farbwechsel. Ein wirklicher Farbwechsel hat bei Mineralen physikalischen und physikalisch-chemischen Charakter. Durch die Einwirkung von Licht und Strahlung überhaupt verändern sich nur photosensitive Minerale. Dazu gehören manche Amethyste, Rauchquarz, braune Topase. Fluorite, Zirkone, Diamanten, Hackmanit (eine Sodalith-Abart) und weitere. Das farbbildende Element (Chromophor) dieser Minerale ist ein Farbzentrum. Ihre ursprüngliche Farbe ist meist unter speziellen Bedingungen wiederherstellbar z. B. durch Glühen oder Bestrahlung mit harten (Gamma-) Strahlen. Bei den Silbermineralen Proustit und Pyrargyrit geht die Farbe unwiederbringlich verloren. Ursprünglich durchsichtig und hell- bzw. kirschrot dunkeln sie am Licht nach, bis sie schwarz werden, der Diamantglanz verwandelt sich in Metallglanz. Als Ursache dafür gilt ein photochemischer Effekt, bei dem im Kristallgitter beider Minerale Silber reduziert wird. Am Licht verwandelt sich auch das Aussehen -von Realgar unwiderruflich, doch ist dieser Prozess bisher noch nicht hinreichend erforscht. Die klare rote Farbe des Realgar geht in Orange und Gelb über, der Diamantglanz verschwindet und die Oberfläche überzieht sich mit einem pulverförmigen, auripigmenthaltigen Gemenge. Ein wirksamer Schutz vor der schädlichen Lichteinwirkung ist eine lichtundurchlässige Hülle oder die dauernde Aufbewahrung im Dunkeln.
Der scheinbare Farbwechsel der Minerale ist ein chemischer Prozess. Er wird von einem dünnen Film sekundärer Verwitterungsprodukte hervorgerufen, manchmal geht ein Entweichen von gebundenem Wasser damit einher; in anderen Fällen wird Wasser aus der Luft absorbiert. Beispiele liefern der ursprünglich weiße Ankerit, der nach der Verwitterung von Limonit braun gefärbt wird, die Anlauffarben einiger Sulfide, die trübe und aufgeweichte Oberfläche von Steinsalz. Schutz vor der Verwitterung gewährt eine trockene Umgebung, frei von chemischen Schadstoffen (inerte Umgebung). Die Dehydrierung der Minerale verhindert eine hermetische, am besten durchsichtige Hülle, in die ein feuchter Wattebausch gelegt wurde. Eine gleiche Hülle (ohne die Watte) schützt hingegen die verschiedenen hygroskopischen Salze vor Feuchtigkeit.
Der chemische Zerfall von Mineralen ist eine häufige Erscheinung. Die größte Gefahr für Mineraliensammlungen besteht in der Verwitterung der Kiese, vor allem von Markasit, Pyrit, Arsenopyrit, Argentopyrit, Sternbergit u. a. Der eigentliche chemische Vorgang dieser Verwitterung besteht in der Oxidation der Sulfide, unter der Beteiligung von Wasser. Sie geht kompliziert in mehreren Phasen vor sich und produziert neben Eisensulfaten, reinem Schwefel und Limonit auch Schwefelsäure. Die löst dann die übrigen chemisch unstabilen (irresistenten) Minerale auf, wodurch viele Sekundärsulfate entstehen, z. B. Gips, Epsomit, Halotrichit u. ä. Im fortgeschrittenen Verwitterungszustand zerfallen sie gänzlich, in Sammlungskästen werden sogar die hölzernen Trennwände angegriffen, so dass auch benachbart gelagerte Minerale Schaden nehmen. Von diesem Destruktionsprozess werden auch Minerale erfasst, in denen Kiese nur eine unerhebliche Beimengung darstellen.
Das einzige wirksame Mittel gegen die Kiesverwitterung ist die Konservierung der Stufe und ihre Aufbewahrung an einem trockenen Ort. Kieshaltige Stufen müssen noch vor dem Einordnen in die Sammlung konserviert werden, auch wenn sie scheinbar völlig unbeschädigt sind. Bereits sichtbar verwitternde Stufen kann man nur durch einen rechtzeitigen Eingriff vor der Zerstörung retten. Eine kieshaltige Stufe wird zuerst mechanisch (z. B. mit einem Pinsel ) von den verschiedenen Verwitterungsausblühungen befreit, sie darf nicht mit Wasser abgespült werden. Den Rest, der nicht mit dem Pinsel erreichbaren Verwitterungsprodukte, löst ein Methylalkoholbad (giftig!) auf, das auch gleichzeitig die Schwefelsäure absorbiert. Diese Operation führen wir in einem Exikator (Glasgefäß mit Vakuum) durch, damit das Lösungsmittel auch in alle mikroskopisch feinen Risse eindringt. Sie wird so lange wiederholt, bis der sich braun verfärbende Methylalkohol klar bleibt. Die durch diese Präparation gereinigte Stufe wird nach dem Abtrocknen in ein Bad mit einem geeigneten Konservierungsmittel getaucht, am besten in ein Polymer mit entsprechender Eigenschaft und Viskosität. Dazu wählt man nur ein chemisch unwirksames (inertes) Polymer, das auch in festem Aggregatzustand klar bleibt. Unzweckmäßig ist es, eine kieshaltige Stufe mit Lack zu bestreichen oder mit Wachs zu überziehen.
Die Imprägnierung mit dem Polymer wird gleichfalls im Exikator durchgeführt und beendet, sobald keine entweichenden Luftbläschen mehr im Bad aufsteigen. Nach Abtropfen der Flüssigkeit kann man die Schlussphase beschleunigen, indem man die Stufe für etwa 24 Stunden in einen elektrischen Trockner bei einer Temperatur bis zu 40 'C steckt. Der dünne Polymerüberzug (Film) isoliert das Mineral dauerhaft gegenüber den chemischen Einwirkungen der Atmosphäre und festigt es gleichzeitig innerlich.
Manche Minerale werden auch durch atmosphärische Stoffe, vor allem durch Kohlendioxid, Schwefel- und Stickstoffoxide, Staub, Vibration und ähnliche geschädigt. (zurück zum Anfang)
In der Natur kommen rund 3 000 Mineralarten vor, von denen viele auch noch verschiedene Abarten aufweisen. Als Mineralart gilt ein natürliches Mineral von bestimmter chemischer Zusammensetzung und einem bestimmten Strukturgitter. Stoffe von gleicher chemischer Zusammensetzung, aber mit unterschiedlichem inneren Bau werden daher als selbstständige Mineralarten angesehen. Beispiele dafür sind Graphit - Diamant, Calcit - Aragonit, Pyrit - Markasit u. a.
Das auf Chemismus und Struktur basierende mineralogische System fasst die einzelnen Minerale zu höheren Einheiten (Klassen) anhand dieser beiden wichtigsten Merkmale zusammen und ist daher ein natürliches System. Die Zugehörigkeit des einzelnen Minerals zur jeweiligen Klasse und vor allem zur Untergruppe ist aber häufig nicht endgültig, da weitere Strukturforschungen zusätzliche Korrekturen der ursprünglichen Einordnung herbeiführen können. (zurück zum Anfang)