Institut für Geowissenschaften (IGW)

Chemisch-Geowissenschaftliche Fakultät
Institut für Geowissenschaften (IGW)
Lehrstuhl für Allgemeine Mineralogie
Prof. Dr. Juraj Majzlan
FACH / FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE


Thermodynamische Eigenschaften der Minerale
Mineralogie und Geochemie der Umweltkontamination,
Verwitterung der Minerale

Kristallstrukturen und Kristallchemie der Minerale

Bio-Geo-Interaktionen

Mineralogie und Geologie der Erzlagerstätten
Zum Lehrstuhl für Allgemeine und Angewandte Mineralogie
gehört auch die Mineralogische Sammlung in Jena. Die 1779
gegründete Mineralogische Sammlung ist eine der ältesten
und größten deutschen Universitätssammlungen. Mit einem
Bestand von ca. 80.000 Objekten ist sie intensiv sowohl in
Forschung als auch Lehre im Bereich von Geo- und Biogeowissenschaften eingebunden.
UMWELTMINERALOGIE UND -GEOCHEMIE
Abbildung 1. Die Verteilung der Elemente Kupfer (links) und Antimon (rechts) in den Verwitterungsprodukten der Fahlerze. Der Maßstab entspricht 20 m.
Fahlerze sind Minerale mit komplexer chemischer Zusammensetzung und der Bereitschaft, viele chemische
Elemente in ihre Kristallstruktur aufzu-nehmen. Sie
sind häufige Erzminerale in vielen Erzlagerstätten, wo
sie für die Gewinnung von Kupfer, Silber oder Quecksilber dienen. Es ist deswegen interessant zu überprüfen,
wie mobil die individuellen Elemente, besonders die
stark umweltschädlichen (z.B. Arsen) in den Fahlerzen
sind. Ebenso ist von Interesse, wie mobil die Summe
der Elemente in den Fahlerzen ist. In dieser Arbeit verwenden wir sorgfältig ausgewählte Proben aus einer
Oxidationszone einer Kupfer-erzlagerstätte. Die Kombination von Geländearbeit, Röntgenbeugung mit Mikrometer-Auflösung und intensiven bild-gebenden Untersuchungen mit unserer Elektronenstrahlmikrosonde
und mit dem Transmissionselektronenmikroskop bietet die Antworten auf unsere Fragen vom Mesomaß-
stab (mehrere Meter) bis zum Nanomaßstab. Kupfer
ist in den initialen Stadien der Verwitterung immobil
und bleibt in einfachen Sulfiden wie Covellit, CuS (s.
Abbildung) gebunden. Später wird Kupfer mobilisiert,
gelöst, und kristallisiert in Form von Kupfer-Sulfaten, Karbonaten, und -Arsenaten auf den Nebengesteinen.
Arsen assoziiert sehr stark mit dem Kupfer. Eisen und
Antimon weisen ein anderes Verhalten auf – diese beiden Elemente verbinden sich in einem schwerlöslichen Mineral namens Tripuhyit, FeSbO4 (s. Abbildung).
Silber und Quecksilber binden sich chemisch mit dem
restlichen sulfidischen Schwefel und bleiben essentiell
immobil. Die Belastung der Gewässer in der untersuchten Region ist wegen der Bildung der moderat- oder schwerlöslichen Minerale nicht so hoch. Deswegen
ist der Sanierungsbedarf, entweder zur Zeit oder in der
Zukunft, nicht als kritisch anzusehen.
THERMODYNAMIK UND KRISTALLCHEMIE
Arsen ist eine der Kontaminanten, die als Umweltgift in
der Öffentlichkeit bekannt ist. Eine akute Gefahr durch
Arsen besteht nur selten, aber die Folgen der chronischen Aufnahme sind eher besorgniserregend. In mehreren Überblicksartikeln (Majzlan et al. 2014, Nordstrom et al. 2014), die 2014 erschienen sind, haben wir
auf fast 200 Seiten den jetztigen Kenntnisstand über
die Mineralogie, Geochemie, Kristallchemie und Thermodynamik der Arsenminerale zusammengefasst. Zur
Erweiterung dieser Kenntnisse tragen wir intensiv bei.
In einer der letzten Studien konnten wir die Kristallstruktur des Minerals Kankit, FeAsO4·3.5H2O, lösen. Das
Mineral kommt oft an den kontaminierten Lokalitäten
vor, ist aber immer feinkörnig und schwierig zu erkennen. Die Kristallstruktur ist als ein wesentliches Identifikationsmerkmal in internationalen Mineraldatenbanken enthalten. Durch unsere Arbeiten kann das Mineral
Kankit nun besser und zuverlässiger identifiziert werden. Weil das Mineral sehr feinkörnig ist und die Kristalle gebogen sind, haben wir die Struktur mit hochauflösender Elektronenbeugung gelöst, einem innovativen Verfahren, das erlaubt, Kristallstrukturen von Kristallen, die nicht größer als 20 nm sind, zu bestimmen.
Dieses Verfahren öffnet uns die Türe in die Welt der
Kristallstrukturen und Kristallchemie der Nanophasen,
die in der Umwelt Arsen und andere giftige Elemente
speichern. Schon früher haben wir die thermodynamischen Eigenschaften des Minerals Kankit und weiterer
Eisen-Arsenate gemessen, und festgestellt, dass das
Mineral metastabil im Bezug zu dem stabilen und häufigeren Eisen-Arsenat Mineral Skorodit, FeAsO4·2H2O, ist.
Abbildung 2. oben: Die Kristallstruktur des Minerals Kankit, gelöst bei
Elektronenbeugung. unten: Thermodynamisches Modul für die Reaktionen zwischen Eisenarsenaten und Eisen Oxiden in der Natur (aus Majzlan et al. 2012).
ERZLAGERSTÄTTEN
Für die Exploration und Suche nach Gold wird global so viel ausgegeben wie für keinen anderen
Rohstoff. Deswegen richten wir unser Interesse überwiegend – allerdings aus einer wissenschaftlichen Perspektive – auf die Golderzlagerstätten. Die orogenen Goldlagerstätten beinhalten dazu
noch kritische Elemente wie Antimon. Die jungen epithermalen Lagerstätten von Gold weisen
auch ein großes Potenzial auf, besonders die feinverteilten Erze, die in der langen Abbaugeschichte in Europa unberührt blieben. Weiterhin untersuchen wir die Baryt-/ Fluorit-Gänge im Thüringer
Wald und im Thüringer Schiefergebirge, die vielfältige Informationen über die Zirkulation der Paläofluide beinhalten. Neben den klassischen Methoden der Erzlagerstättenkunde
(Auflichtmikroskopie, Elektronenstrahlmikrosonde, Mikrothermometrie) datieren wir die untersuchten Mineralisationen mittels neuartiger Verfahren (U/Pb Datierung an Karbonaten, Feldspäten) und analysieren auch nicht-traditionelle stabile Isotope (z.B. Cu). Es ist geplant, die Fluideinschlüsse im Stibnit mit der Infrarot-Mikrothermometrie zu untersuchen. Unsere enge Zusammenarbeit mit Strukturgeologie liefert zusätzliche Informationen über die Mineralisationen, deren Alter und geologische Position.
KONTAKT
Prof. Dr. Juraj Majzlan / Institut für Geowissenschaften / Burgweg 11 / 07749 Jena /
Telefon: 03641 948700 / E-Mail: [email protected]
http://www.igw.uni-jena.de/mineral/