Skripte - Institut für Mineralogie
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Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Grundlagen der Geowissenschaften: Mineralogie Gerhard Heide Institut für Mineralogie Professur für Allgemeine und Angewandte Mineralogie Direktor der Geowissenschaftlichen Sammlungen Brennhausgasse 14 03731-39-2665 oder -2628 [email protected] 16., 19., 23. und 26. Oktober 2006 26.10.: Hörsaal Silbermannstr.: PHY-0010 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Welt“-Reise Geowissenschaften ” Sonnensystem Erde Kontinente und Ozeane Gebirge Gesteine Minerale Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 2 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Aufgaben der Mineralogie Verständnis: Mineralbildung, -wachstum, -umwandlung Bestimmung: Mineraleigenschaften Mineralnutzung Mineralbestimmung: Dienstleistung“ Gesteinsbestimmung ” Gneis ⇒ Gesteinsbildende Minerale 3 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Aufgaben der Mineralogie: Mineralbildung und -umwandlung Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 4 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Aufgaben der Mineralogie: Mineralbildung und -umwandlung Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 5 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Teildisziplinen der Mineralogie Spezielle Mineralogie Petrologie/Petrographie Kristallographie Geochemie Kosmochemie Lagerstättenkunde Angewandte und Technische Mineralogie Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 6 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Nachbardisziplinen der Mineralogie Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 7 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Aufbau der Erde 8 kontinentale Kruste < 50 km ozeanische Kruste < 15 km ⇒ Geophysik, Kosmochemie, Petrologie oberer Mantel unterer Mantel äußerer Kern ≈ 700 km ≈ 2200 km ≈ 2200 km innerer Kern Mantel obere untere äußerer Erdkern ≈ 1200 km ≈ 2000◦C zähflüssig-fest fest ≈ 2900◦C flüssig 4000–5000◦C ≈ 4 Mio bar fest innerer Erdkern Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Aufbau der Erde Erdkruste Erdmantel Erdkern Volumen [%] 0.8 83.0 16.2 9 Masse [%] 0.4 67.2 32.4 mittlere Dichte [g/cm3 ] 2.8 4.5 11.0 direkte Aufschlüsse (Erdradius 6370 km) Mont Blanc-Tunnel: 11.6 km, 3000 m (unter den Westalpen) tiefstes Bergwerk: 4 500 m (Goldrevier Südafrika) tiefste Bohrung: 12 260 m (1985, Halbinsel Kola) übertiefe Bohrungen: 4 000 m (1989) und 9 101 m (1994, Windischeschenbach) tiefste ozeanische Bohrung: 3 930 m (1976, spanische Küste, Atlantik) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Elementverteilung (in Ma.-%) Kern Mantel Si obere kontinentale (Hydrosphäre) Kruste Ozean Atmosphäre O O O Fe O Ni Si Mg Element [Ma.-%] O Na Mg Al Si S K Ca Fe Ni 10 Si Mantel 4.1 44.8 0.3 22.8 2.2 21.5 ozeanische Kruste 49.5 1.0 4.6 4.1 23.1 0.03 2.3 5.8 0.1 8.9 6.8 7.4 2.3 79.4 4.9 H Al Kern N kontinentale Kruste untere obere 46.4 47.9 2.1 2.6 3.2 1.6 8.2 7.7 27.1 30.3 1.3 4.9 5.7 2.9 2.9 3.1 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Elementverteilung Masse-% Atom-% Volumen-% O Si Al Element Sauerstoff Silizium Aluminium Eisen Magnesium Calcium Natrium Kalium Ma.-% 46,60 27,72 8,13 5,00 2,09 3,63 2,83 2,59 Atom-% 62,55 21,22 6,47 1,92 1,84 1,94 2,64 1,42 Vol.-% 93,77 0,86 0,47 0,43 0,29 1,03 1,32 1,83 11 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ionengröße – Platzbedarf 12 Koordiantionszahl 4 [SiO4 ]4− [SO4 ]4− [PO4 ]4− Koordiantionszahl 6 [AlO6 ]3− [FeO6 ]3− Ionenradius O2− Si4+ Al3+ Fe3+ 1.44 Å 0.42 Å 0.51 Å 0.64 Å 1 Å= 10−10 m = 0.1 nm = 100 pm Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Anteil Mineralgruppe [Ma.-%] Feldspäte 58.0 Quarz 12.5 Pyroxene Amphibole 16.5 Olivine Glimmer 3.5 Tonminerale 1.0 Eisenoxide 3.5 Calcit 1.5 Rest 3.5 Minerale der Erdkruste: > 99% Sauerstoffverbindungen } 13 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Oberer Erdmantel: Minerale/Mineralgruppen Kruste Mantel O Elementverteilung O Si Si Mg Al Mineralverteilung [Ma.-%] ⇓ ⇓ Feldspäte (58%) Pyroxene Quarz Olivine (> 50%) Pyroxene Spinell • O • Si • Al • Fe • Mg • Ca • Na 14 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Mineraldefinition mina“ - Schacht, minare“ - Bergbau, minera“ - Erzstufe (lat.) ” ” ” Ein Mineral ist ein unter Normalbedingungen fester (Außnahme: Hg), natürlicher, anorganischer (Ausnahme: natürliche Oxalate und Kohlenwasserstoffe), makroskopisch homogener (chemisch und strukturell definiert) meistens kristalliner (Ausnahme: z. B. Opale, Miktamite) Teil der Materie. 15 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Mineraldefinition: I NTERNATIONAL M INERALOGICAL A SSOCIATION In general terms, a mineral is an element or chemical compound that is normaly crystalline and which has been formed as a result of geolocical processes. A mineral can be described as a solid, inorganic and crystallised substance having a well-defined chemical composition and physical properties. It is the result of a terrestrial or extra-terrestrial geological process, with no intervention of Man. Metallurgical slags and chimney deposits are therefore not considered as minerals. E. H. Nickel, Definition of a Mineral. N. Jb. Mineral. Mh. 8 (1995) 359–362. 16 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Definition: Gestein Gesteine sind vielkörnige (heterogene), natürliche Mineralaggregate, auch einige natürliche Gläser. Charakteristisch für ein Gestein sind Mineralbestand, Gefüge (Größe, Form, Verteilung und Orientierung) der Mineralkörner und ihre genetische Beziehung. 17 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Mineral: Definitionen Mineralindividuum konkretes, fundortbezogenes Mineral, charakterisiert durch seine Besonderheiten (z. B. Amethyst von Oberschlottwitz) Mineralart verallgemeinertes Mineralindividuum (z. B. Quarz) Mineralvarietät Untergruppe einer Mineralart mit bemerkenswerter, aber gemeinsamer Besonderheit (z. B. Bergkristall, Amethyst, Rauchquarz) Primärmineral zeitgleiche Bildung mit dem / im Gestein Sekundärmineral spätere Bildung durch Stoffumwandlung (Verwitterung, Metamorphose) aus den Primärmineralen 18 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Mineralklassifikation: kristall-chemisch (H. Strunz) 19 1970: ca. 2000 2005: ca. 4400 Minerale Mineralklassen (chemisch) I. Elemente II. Sulfide III. Halogenide IV. Oxide und Hydroxide V. Nitrate, Carbonate, Borate VI. Sulfate, Chromate, Molybdate, Wolframate VII. Phosphate, Arsenate, Vanadate VIII. Silicate IX. Organische Verbindungen Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Klassifikation: Gesteinsbildende Minerale bzw. Mineralgruppen Quarz Oxid Feldpäte Gerüst-Silicate Glimmer Schicht-Silicate Pyroxene Ketten-Silicate Amphibole Ketten-Silicate Granat Insel-Silicate Olivin Insel-Silicate Gips, Anhydrit Sulfate Calcit, Dolomit Carbonate Fluorit, Halit Halogenid 20 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Eigenschaften 21 Farbe Strichfarbe Transparenz Glanz Ritzhärte Bruch und Spaltbarkeit Spalt- und Wachstumsformen Dichte Magnetismus Lumineszenz Löslichkeit Bestimmungswerkzeuge Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Chemie und Phasenbestand Phasenbestand Polarisationsmikroskopie Röntgenbeugung (XRD) Chemismus RöntgenfluoreszensAnalyse (RFA) Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA) Spektroskopie (Infrarot-, Raman-) 22 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Farben 23 auffälligste Eigenschaft: selten gleichbleibend (Einschlüsse, Spurenelemente, Anlauffarbe) typische, konstante Farben: grün blau Azurit Malachit gelb Schwefel violett Amethyst eisenschwarz messing-gelb Magnetit Chalkopyrit Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Ritzhärte komplexe physikalische Eigenschaft (besser Schleifhärte, Ritzhärte, Eindruckhärte) Mohssche Härteskala (F RIEDRICH M OHS) Mineral Vergleich 1 Talk ⇑ 2 Gips mit Fingernagel ritzbar 3 Calcit 4 Fluorit ⇑ 5 Apatit mit Messer ritzbar 6 Orthoklas ritzt Glas 7 Quarz ⇓ 8 Topas 9 Korund 10 Diamant 24 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Kristallform Wachstums- oder Spaltflächen Beispiel: Fluorit (CaF2 ) Wachstumsform Spaltform Hexaeder Oktaeder fundamentale Eigenschaft des kristallinen Zustandes: ⇒ Anisotropie des Wachstums 25 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Kubisches Kristallsystem a=b=c α = β = γ = 90◦ Pyrit typisch: 4× 3-zählige Drehachsen Galenit Almandin 26 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Tetragonales Kristallsystem a = b 6= c α = β = γ = 90◦ Zirkon Anatas typisch: eine 4-zählige Drehachse bzw. Drehinversionsachse 27 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Hexagonales Kristallsystem a = b 6= c (a1 = a2 = a3 6= c) α = β = 90◦ , γ = 120◦ typisch: eine 6-zählige Eis Beryll Drehachse bzw. Drehinversionsachse 28 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie derKristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Trigonales Kristallsystem (rhomboedrisch) a = b = c (a1 = a2 = a3 ) α = β = γ 6= 90◦ Quarz typisch: eine 3-zählige Drehachse Calcit 29 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Rhombisches Kristallsystem (orthorhombisch) a 6= b 6= c α = β = γ = 90◦ Topas Schwefel typisch: 2-zählige Drehachsen oder Spiegelebenen 30 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Monoklines Kristallsystem a 6= b 6= c β 6= 90◦ , α, γ = 90◦ Gips Orthoklas typisch: eine 2-zählige Drehachse oder Spiegelebene 31 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Symmetrie der Kristallform ⇒ 7 Kristallsysteme Triklines Kristallsystem a 6= b 6= c α, β, γ 6= 90◦ typisch: Inversionszentrum oder Albit kein Symmetrieelement 32 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bestimmung: Dichte (Massendichte [g/cm3 ] 1,00 2,17 2,32 2,56 2,65 2,72 2,90 2,93 3,18 3,57 3,85 4,00 4,30 Wasser Halit Gips Orthoklas Quarz Calcit Dolomit Biotit Fluorit Topas Siderit Sphalerit Rutil H2 O NaCl CaSO4 ·2H2 O Ca-Feldspat SiO2 CaCO3 CaMg(CO3 )2 Fe-Glimmer CaF2 Al2 SiO4 (F,OH)2 FeCO3 ZnS TiO2 4,48 4,80 5,10 5,26 7,00 7,5 7,57 8,9 10,50 13,55 19,30 21,50 Baryt Zirkon Chromit Hämatit Kassiterit Eisen Galenit Kupfer Silber Quecksilber Gold Platin ⇒ Chemische Zusammensetzung und Struktur BaSO4 ZrSiO4 FeCr2 O4 Fe2 O3 SnO2 Fe PbS Cu Ag Hg Au Pt 33 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Gesteinsbildende Minerale 34 Silicate Quarz (SiO2 ) Feldspäte (Alumosilicat) Glimmer (Alumosilicat) Amphibole Pyroxene Olivin ((Mg,Fe)2 SiO4 ) Sulfate Gips (CaSO4 · 2H2 O) Anhydrit (CaSO4 ) Carbonate Calcit (CaCO3 ) Dolomit (CaMg(CO3 )2 ) Halogenide Fluorit (CaF2 ) Halit (NaCl) (Gerüstsilicat) Gerüstsilicat Schichtsilicat Bandsilicat Kettensilicat Inselsilicat Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Aufbau der Silicate Baustein: SiO4 -Tetraeder sp3 -Hybrid: SiO4 -Tetraeder (KZ 4) kovalent-ionisch, 15 % Ionencharakter dSi−O = 1, 62 Å Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 35 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Aufbau der Silicate SiO4− 4 : Ladungsausgleich? Verknüpfung ≡Si–O–Si≡ ( Brückensauerstoff“) ” Quarz Kationen (z. B. [SiO4 ]4− + 2Mg2+ ) SiO2 + 2MgO ⇒ Mg2 SiO4 Inselsilicate (Olivin: Forsterit) Kombinationen: Kettensilicate (Amphibole, Pyroxene) Substitution des Si durch Al: AlO5− 4 [AlO4 ]5− : Al3+ + M+ ⇋ Si4+ manche Schichtsilicate (Glimmer) Gerüstsilicate (Feldspäte) 36 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Aufbau der Silicate 37 (a) Insel(b) Gruppen(c), (d) Ring(f) Ketten(g) Band(h) Schicht(i) Gerüstsilicate Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz 38 IV/D.01: SiO2 -Familie IV/D.01-10 IV/D.01-20 IV/D.01-30 IV/D.01-35 IV/D.01-40 IV/D.01-50 IV/D.01-60 IV/D.01-70 IV/D.01-80 Quarz trigonal Hoch-Quarz hexagonal Tridymit tiklin Hoch-Tridymit hexagonal Cristobalit tetragonal Hoch-Cristobalit kubisch Moganit monoklin Melanophlogit tetragonal SiO2 ·n(CH4 , CO2 , N2 , SO2 ) Coesit monoklin Stishovit tetragonal Lechatelierit glasig Opal amorph SiO2 ·n(H2 O) Polymorphie! 2,65 2,51 2,27 2,26 2,32 2,20 ≈ 2,15 ≈ 2,04 ≈ 2,93 ≈ 4,32 2,20 ≈ 2,2 Dichte [g/cm3 ] Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz 39 Polymorphie: Gleiche Chemie – Unterschiedliche Symmetrie Quarz P 31 2 1 P 32 2 1 Tridymit C 2c Cc Cristobalit P 41 21 2 P 43 21 2 Keatit P 41 21 2 P 43 21 2 Lechatelierit glasig SiO2 Druck - und Temperaturabhängig! Coesit C 2c Hoch-Quarz P 62 2 2 P 64 2 2 Hoch-Tridymit P 6m3 m c Hoch-Cristobalit F d3m Stishovit P 4m2 n m Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Quarz 40 IV/D.01: SiO2 -Familie Polymorphie Polymorphie unter Normaldruck 573◦ C Quarz → Hochquarz 870◦ C → Hochtridymit 1470◦ C → → 1720◦ C Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Hochcristobalit Schmelze Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz: Genese aus sauren“ Schmelzen (endogen) ” liquid-magmatische Haupt-Kristallisation: 900–650◦C in Plutoniten (Tiefengesteinen) in Rhyolithen (Ergussgesteine) magmatische Restkristallisation: 650–450◦C Pegmatite (Pegmatitquarze und Bergkristall): grobkristallin postmagmatische Kristallisation Greisen“ und Zwitter“ (Zinnlagerstätten) ” ” 41 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz: Genese 42 hydrothermale Bildung katathermal: 375–300◦C mesothermal: 300–200◦C epithermal: 200–100◦C telethermal: <100◦ C Gangquarz, Bergkristall, Amethyst, Achat synthetischer Quarz (endogen) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz: Genese Bildung durch Metamorphose Rekristallisation magmatischer Gesteine Rekristallisation sedimentärer Gesteine Quarzsand → Quarzit 43 (endogen) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz: Genese sedimentäre Bildung 44 (exogen) hohe Härte und chemische Stabilität: ⇒ hohe Verwitterungsresistenz ⇒ Sande und Kiese (Lockergestein) kolloidale Fällung aus wässrigen Lösungen biogene Bildung (Kieselgur, Flint) Diagenese Verfestigung geringe Drücke und Temperaturen Verfestigung durch chemische Reaktionen ⇒ Sedimentgestein Sandstein: Quarzsand mit neugebildeten Quarzsäumen (exogen) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Quarz: Genese Durchläufermineral“ und sehr häufig ” Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 45 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Quarz 46 viele Varietäten: Bergkristall, Rauchquarz, Amethyst, Citrin, Rosenquarz, Milchquarz, Chalcedon wichtiger Rohstoff Baustoffe (Kiese und Sande) Rohstoff für Glas- und Keramik (Sande) Chemie (Silikone, Silikagel) Halbleiterrohstoff synthetische Piezoquarze (Ultraschall, Schwingquarze), Mahl-, Schleif- und Poliermittel und -steine (Achat), Schmucksteine Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Mineralgruppe Feldspäte Quarz Pyroxene Amphibole Olivine Glimmer Tonminerale Eisenoxide Calcit Rest } Anteil [Ma.-%] 58.0 12.5 16.5 3.5 1.0 3.5 1.5 3.5 Oberer Mantel Olivine Pyroxene Granate 57 29 14 47 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [(Al,Si)n O2n ]n− gute Spaltbarkeit helle Farben hohe Härte: 6 nach Mohs (ritzt Glas) niedrige Symmetrie: monoklin oder triklin häufig Zwillinsgbildung wasserfreie Alkali- bzw. Kalk-Alumo-Silicate verwittert leicht wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen große wirtschaftliche und geowissenschaftliche Bedeutung 48 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte [(Al,Si)n O2n ]n− Struktur 4 OB , 0 OE : 3-dim. Verknüpfung ⇒ 3-dim. Gerüst Alumosilicate mit Kationen Na+ , K+ , Ca2+ offene, weitmaschige Gerüste: Ringgröße“ ≥ 8 ” Einbau großer Kationen: (r >1 Å) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 49 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [(Al,Si)n O2n ]n− [AlSi3 O8 ] – Anionenkomplex: Al- bzw. SiO4 -Tetraeder Systematik Endglieder K[AlSi3 O8 ] Orthoklas Or Na[AlSi3 O8 ] Albit Ab Ca[Al2 Si2 O8 ] Anorthit An Isomorpher Ersatz [SiO4/2 ] ⇋ [AlO4/2 ]− + Na+ 2[SiO4/2 ] ⇋ 2[AlO4/2 ]− + Ca2+ Kalifeldspat“ ” Natronfeldspat“ ” Kalkfeldspat“ ” → Alumo-Silicate 50 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte Systematik Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [(Al,Si)n O2n ]n− 51 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [(Al,Si)n O2n ]n− Systematik: Mischkristallbildung Plagioklas-Reihe (Na,Ca)[(Si,Al)4 O8 ]: lückenlos mischbar Na+ + Si4+ ⇋ Ca2+ + Al3+ gekoppelte Substitution rNa+ = 1.24 Å, rCa2+ = 1.29 Å (∆r = 4%) Sanidin (K,Na)[(Si,Al)4 O8 ]: begrenzte Mischbarkeit Na+ + ⇋ K+ (∆r = 28%) rNa+ = 1.24 Å, rK + = 1.59 Å ⇒ zwei verschiedene Feldspäte nebeneinander im Gestein Mischungslücke: temperaturabhängig 52 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gerüstsilicate: Feldspäte Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [(Al,Si)n O2n ]n− Bildung typisch für saure magmatische Gesteine auch in manchen basischen Bildung in vielen metamorphen Gesteinen kaum in Sedimenten verwittert leicht zu Tonmineralen: 2K[AlSi3 O8 ] + 3H2 O → Al2 [Si2 O5 (OH)4 ] + 4SiO2 + 2 KOH 53 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Mineralgruppe Feldspäte Quarz Pyroxene Amphibole Olivine Glimmer Tonminerale Eisenoxide Calcit Rest } Anteil [Ma.-%] 58.0 12.5 16.5 3.5 1.0 3.5 1.5 3.5 Oberer Mantel Olivine Pyroxene Granate 57 29 14 54 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− vollkommene Spaltbarkeit k Schicht geringe bis sehr niedrige Härte Silicate mit Schichtstruktur: ebene, unendliche Netzwerke starke Si–O- bzw. Al–O-Bindungen in der Schicht schwache van-der-Waals- und schwächere ionische Bindungen zwischen den Schichten wasserhaltige Silicate wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen große wirtschaftliche und geowissenschaftliche Bedeutung 55 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− Systematik 3 Verknüpfung, 3 Brückensauerstoff, 1 endständiger Sauerstoff pro Tetraeder (Q 3 , NBO/T=1) Stapel-Varianten 2-Schicht-Silicat (Tonminerale) 3-Schicht-Silicat (Talk) 3-Schicht-Alumosilicat (Glimmer-Gruppe) 4-Schicht-Alumosilicat (Chlorit) 56 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Systematik 2-Sch. 3-Sch. 3-Sch. 4-Sch. Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 57 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− Schichtsilicate (Phyllosilicate) Systematik Verknüpfung der Tetraeder- (⊤, ⊥) und Oktaeder- () Schichten EinSchichtsilicat ZweiSchichtsilicat DreiSchichtsilicat DreiSchichtalumosilicat VierSchichtalumosilicat (nicht bekannt) ⊥ ⊤ ⊥ ⊤ ⊥ ⊤ ⊥ Tonminerale TalkGruppe GlimmerGruppe ChloritGruppe 58 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 2-Schicht-Silicate Kaolinit-Reihe Serpentinit-Reihe AlO6 Oktaeder SiO4 Tetraeder Tonminerale Kaolinit Al4 [(OH)8 |Si4 O10 ] Chrysotil-Asbest Mg6 [(OH)8 |Si4 O10 ] 59 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) 2-Schicht-Silicat Kaolinit Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 60 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) 3-Schicht-Silicate Talk-Gruppe SiO4 Tetraeder T MgO6 Oktaeder O SiO4 Tetraeder Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− Talk Mg3 [(OH)2 |Si4 O10 ] 61 T Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 3-Schicht-Alumosilicate Glimmer-Gruppe Muskovit-Reihe Biotit-Reihe K+ AlO4 -/SiO4 Tetraeder T AlO6 Oktaeder O AlO4 -/SiO4 Tetraeder Muskovit KAl2 [(OH,F)2 |AlSi3 O10 ] Biotit K(Mg,Fe,Mn)3[(OH,F)2 |AlSi3 O10 ] 62 T Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 3-Schicht-Alumosilicat Muskovit K+ (Si,Al)O4 Tetraeder AlO6 Oktaeder (Si,Al)O4 Tetraeder K+ 63 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− Bentonite Muskovit + Wasser → Montmorillonit ( expandierter Talk“) ” Oktaeder Tetraeder H2 O Na+ H2 O Tetraeder Oktaeder 64 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− 4-Schicht-Alumosilicate Chlorit-Gruppe Chlorit (Mg,Fe)3 (OH)6 · (Mg,Fe)3 [(OH)2 |AlSi3 O10 ] (Mg,Fe)(OH)6 Oktaeder SiO4 Tetraeder T Mg(OH)6 Oktaeder O (Al,Si)O4 Tetraeder 65 T Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Schichtsilicate (Phyllosilicate) Feldspäte Schicht. Ketten. Inse [Si2n O5n ]2n− Bildung Tonminerale, Bentonite: Verwitterung, auch hydrothermale Talk, Chlorit: niedriggradige Metamorphose Glimmer: in Magmatiten und Metamorphiten 66 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Mineralgruppe Feldspäte Quarz Pyroxene Amphibole Olivine Glimmer Tonminerale Eisenoxide Calcit Rest } Anteil [Ma.-%] 58.0 12.5 16.5 3.5 1.0 3.5 1.5 3.5 Oberer Mantel Olivine Pyroxene Granate 57 29 14 67 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate Pyroxen- und Amphibol-Familien wichtige gesteinsbildene Mineralgruppen ähnliche chemische, strukturelle und physikalische Eigenschaften weitgehend gleiche Kationen Amphibole zusätzlich OH− -Ionen Pyroxene: keine OH-Gruppen ⇒ Bildung bei höheren Temperaturen 68 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate 69 Pyroxen- und Amphibol-Familien 2er-Kette: [Si2 O6 ]4− ∞ 2er-Band: [Si4 O11 ]6− ∞ VIII/F.01-02: Pyroxene VIII/F.07-13: Amphibol e Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate Pyroxen- und Amphibol-Familien Pyroxene: kurze, säulige Kristalle Amphibole: lange, stenglige, nadlige Kristalle wichtiges Unterscheidungsmerkmal: Spaltwinkel Pyroxerne: 87◦ Amphibole: 124◦ kaum wirtschaftliche, aber große geowissenschaftliche Bedeutung 70 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate 71 A[VIII] – Koordinationszahl 8: 8 Liganden (CaO8 -Hexaeder) Pyroxen-Familie A[VIII] B[VI] [X2 (O,OH)6 ] [Si2 O6 ]4− ∞ A[VIII] = Na+ , K+ , Ca2+ , Fe2+ , Mg2+ , Mn2+ B[VI] = Fe2+ , Mg2+ , Mn2+ , Zn2+ , Fe3+ , Al3+ , Cr3+ , V3+ , Ti4+ , Li+ X = Si4+ , Al3+ abnehmende Größe: A-B-X rhombisches und monoklines Kristallsystem Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate 72 Pyroxen-Familie lückenlose Mischkristallreihen Augit (Ca,Na) (Mg,Fe,Al,Ti) [(Si,Al)2 O6 ] Ferrosilit Fe2 [Si2 O5 ] Enstatit Mg2 [Si2 O5 ] Hypersten (Mg,Fe)2 [Si2 O5 ] Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Ketten- und Bandsilicate 73 Amphibol-Familie A0−1 B2 C5 [(OH,F)|X4 O11 ]2 Bänder mit [Si4 O11 ]6− ∞ A[X−XII] = Na+ (auch K+ ), (Leerstelle) B[VIII] = Ca2+ , Na+ , Mg2+ , Fe2+ , Mn2+ C[VI] = Mg2+ , Fe2+ , Mn2+ , Al3+ , Fe3+ , Ti4+ X[IV] = Si4+ , Al3+ Kettenmitte (im Ring“) = OH− , F− ” rhombisches und monoklines Kristallsystem umfangreiche Mischkristallreihen Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz VIII/F: Ketten- und Bandsilicate Mischkristallereihen Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 74 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Geochemische Vielfalt 75 Einfache Substitution Mg2+ — Fe2+ Al3+[VI] — Fe3+ Einfache Substitution mit Koordinationswechsel Mg2+ — Ca2+ Gekoppelte Substitutionen Ca2+ + Mg2+ — Na+ + Al3+[VI] Ca2+ + Fe2+ — Na+ + Fe3+[VI] Mg2+ + Si4+ – Al3+ + Al3+[IV] Mg2+ + Si4+ — Fe3+ + Al3+[IV] Na+ — K+ Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Ketten- und Bandsilicate Bildung wichtige metamorphe Minerale weite Verbreitung in basischen Magmatiten Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 76 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Mineralgruppe Feldspäte Quarz Pyroxene Amphibole Olivine Glimmer Tonminerale Eisenoxide Calcit Rest } Anteil [Ma.-%] 58.0 12.5 16.5 3.5 1.0 3.5 1.5 3.5 Oberer Mantel Olivine Pyroxene Granate 57 29 14 77 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Inselsilicate 78 Olivin-Reihe (Mg,Fe)2 [SiO4 ] isolierte SO4− 4 -Tetraeder Hauptbestandteil des oberen Erdmantels Mg:Fe ≈ 9:1 Mischkristallreihen mit Mg, Fe, Ni, Co Forsterite Mg2 SiO4 Fayalite Fe2 SiO4 hoher Schmelzpunkt von Forsterit: 1890◦ C rhombisch Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Inselsilicate 79 Bildung basische Magmatite Tiefengesteine (z.B. Dunit) Ergussgesteine (z.B. Flutbasalt) oberer Erdmantel Metamorphose Dolomit + Quarz ⇄ Forsterit + Calcit Mg2 SiO4 2 CaCO3 SiO2 2 CaMg(CO3 )2 aber auch Hydratisierung: Serpentinit Forsterit + 4 H2 O + SiO2 ⇄ 3 Mg2 SiO4 2Mg3 [(OH)4 |Si2 O5 ] keine sedimentäre Bildung aber Sandstrände“ ” Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Kontinentale Kruste: Minerale/Mineralgruppen Mineral bzw. Mineralgruppe Feldspäte Quarz Pyroxene Amphibole Olivine Glimmer Tonminerale Eisenoxide Calcit Rest } Anteil [Ma.-%] 58.0 12.5 16.5 3.5 1.0 3.5 1.5 3.5 Oberer Mantel Olivine Pyroxene Granate 57 29 14 80 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Carbonate 81 Carbonat-Chemie Baustein: isolierte anionische [CO3 ]2− -Moleküle [ ]2− Salz der Kohlensäure (Ca2+ + 2OH− ) + (2H+ + CO2− 3 ) ⇋ Ca[ CO3 ] ↓ + 2H2 O Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Carbonate Carbonat-Chemie Calcit, CaCO3 Gesteine: Kalkstein, Muschelkalk, Marmor Dolomit, MgCa(CO3)2 Aragonit, CaCO3 Magnesit, MgCO3 Siderit, FeCO3 Strontianit, SrCO3 Malachit, Cu2 [(OH)2 |CO3 ] Azurit, Cu3 [OH|CO3 ]2 82 (Kalkspat) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Carbonate 83 Polymorphie Aragonit CaCO3 rhombisch Calcit CaCO3 trigonal auch Sr, Ba r > 1 Å auch Mg, Fe, Mn, Zn r < 1 Å Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Carbonate Mischkristall – Doppelsalz“ ” Calcit: trigonal (Mg,Fe)-, (Fe,Zn)Carbonate 84 Dolomit: trigonal große und kleine Kationen Mineralogie? Calcit Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse (Doppelspat) Doppelbrechung: ordentlicher und außerordentlicher Strahl 85 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Calcit 86 3. Mineral der Mohsschen Härteskala perfekte Spaltbarkeit (Kalkspat) schäumt in kalter Salzsäure Zwillingsbildung typisch Schwalbenschwanz-Zwilling CaCO3 Calcit T >900◦ C → +H2 O +CO CaO → Ca(OH)2 → 2 CaCO3 Brandkalk Löschkalk Calcit Baustoff, Werkstein, Poliermittel, Füllmittel, Chemierohstoff Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Calcit 87 Bildung: Durchläufer“-Mineral ” chemische Sedimentation ↑ − Ca2+ aqu. + 2HCO3 ↔ CaCO3 ↓ + H2 O + CO2 biogene Mineralisation: Korallen, Muscheln (Muschelkalk) hydrothermal: Drusen und Gängen metamorph: Marmor, Skarn magmatisch: Karbonatite Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Sulfate 88 Sulfate-Chemie Baustein: isolierte anionische [SO4 ]2− -Moleküle [ ]2− Salz der Schwefelsäure (Ca2+ + 2OH− ) + (2H+ + SO2− 4 ) ⇋ Ca[SO4 ] ↓ + 2H2 O Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Sulfate 89 Sulfate-Chemie Gips, CaSO4 · 2H2 O Anhydrit, CaSO4 Bassanit, CaSO4 · 1 2 H2 O Baryt, BaSO4 Bildung überwiegend sedimentär auch hydrothermal Nutzung Bindemittel, chemischer Rohstoff Evaporit Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Sulfate Gips: Schichtstruktur Wasserstoffbrückenbindung HOH · · · O–S≡ Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 90 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Gips Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 91 2. Mineral der Mohsschen Härteskala “Marienglas“ hohe Doppelbrechung perfekte Spaltbarkeit Zwillingsbildung typisch Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Halogenide 92 Halogenid-Chemie Baustein: isolierte F− - bzw. Cl− -Anionen Halit, NaCl Sylvin, KCl Fluorit, CaF2 (Flussspat) (Kochsalz) Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Halogenide Verwendung Halit: chemischer Rohstoff, Konservierungsmittel Sylvin: Düngemittelrohstoff Fluorit: metallurgisches Flussmittel 93 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Halogenide Bildung Halit/Sylvin sedimentär: Eindustung (Evaporation) Ausblühungen vulkanische Sublimation Bildung Fluorit hydrothermal weit verbreitet Feldspäte Schicht. Ketten. Inse 94 Mineralogie? Stoffbestand Definition Klassifikation Bestimmung Silicate Quarz Feldspäte Schicht. Ketten. Inse Bildung gesteinsbildener Minerale Mineral/ Mineralgruppe Quarz Feldspäte Tonminerale Glimmer Pyroxene Amphibole Olivin Calcit Dolomit Gips/Anhydrit Baryt Halit/Sylvin Fluorit magmatisch × × metamorph × × × × × × × × × × × (×) 95 hydrothermal × (×) (×) × sedimentär × × × × × × × × (×) (×) ×
