Mineralien sind die Bausteine von Gesteinen, aber jeder Mineralkristall erzählt auch eine Geschichte.
Ein Quarzkristall, der in heißem Wasser innerhalb einer Kluft wächst, entsteht unter völlig anderen Bedingungen als ein Olivinkristall, der sich in abkühlendem Magma bildet. Gips, der sich in einem verdunstenden Salzbecken ablagert, hat wenig mit Granat gemeinsam, der während der Metamorphose mehrere Kilometer unter der Erde entsteht.
Doch all diese Prozesse haben etwas Grundlegendes gemeinsam.
Mineralien entstehen, wenn chemische Elemente unter physikalischen und chemischen Bedingungen zusammengebracht werden, die die Entwicklung einer stabilen Mineralstruktur ermöglichen.
Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung, Wasser, Gase, Oxidationszustand, verfügbarer Raum und Zeit können alle Einfluss darauf haben, welche Mineralien sich bilden und wie diese Mineralien schließlich aussehen.
Es gibt keine einheitliche Klassifizierung, die die gesamte Mineralbildung in genau sieben Prozesse unterteilt. Mineralbildende Umgebungen überschneiden sich, und ein geologisches System kann mehrere Prozesse gleichzeitig umfassen.
Die meisten Mineralbildungen lassen sich jedoch durch einige wenige gemeinsame geologische Prozesse verstehen:
- Magmatische Kristallisation
- Hydrothermale Mineralbildung
- Verdunstung und Niederschlag aus Wasser
- Metamorphe Rekristallisation und Mineralreaktionen
- Verwitterung und Bildung von Sekundärmineralien
- Vulkanische Gas- und Fumarolenmineralisierung
- Biomineralisation
Das Verständnis dieser Prozesse erklärt nicht nur, wie Kristalle wachsen, sondern auch, warum bestimmte Mineralien zusammen vorkommen und was sie über die geologische Geschichte der Erde aussagen können.
Was muss geschehen, damit sich ein Mineral bildet?
Ein Mineral kann nicht einfach dadurch entstehen, dass seine chemischen Elemente vorhanden sind.
Diese Elemente müssen zudem die richtigen Umweltbedingungen vorfinden.
Quarz besteht beispielsweise aus Silizium und Sauerstoff. Silizium und Sauerstoff kommen jedoch in unzähligen Gesteinen und Schmelzen vor, ohne dass dabei zwangsläufig große Quarzkristalle entstehen.
Die Umstände bestimmen, was geschieht.
Wichtige Kontrollmaßnahmen umfassen:
- Temperatur
- Druckscheiben
- Chemische Zusammensetzung
- Wasser und andere Flüssigkeiten
- Oxidations-Reduktions-Bedingungen
- Kühl- oder Heizrate
- Sättigungsgrad
- Verfügbarkeit von Freiflächen
- Bewegung chemischer Komponenten
- Vorhandensein vorhandener Kristalloberflächen
Wenn die Bedingungen für ein bestimmtes Mineral günstig sind, können sich Atome oder Ionen in dessen charakteristischer Atomstruktur anordnen.
Sobald sich ein stabiler Kristallkeim gebildet hat, kann sich weiteres Material daran anlagern und der Kristall kann wachsen.
Dieser Prozess verläuft jedoch nicht in jeder geologischen Umgebung gleich.
Manche Mineralien kristallisieren aus geschmolzenem Gestein.
Andere fallen aus Wasser aus.
Einige entstehen durch chemische Reaktionen zwischen bereits vorhandenen Mineralien, während das Gestein fest bleibt.
Andere werden von lebenden Organismen produziert oder gesteuert.
Diese Vielfalt ist es, die die Mineralogie so eng mit nahezu jedem Zweig der Geologie verbindet.
1. Magmatische Kristallisation
Einer der wichtigsten mineralbildenden Prozesse beginnt mit Magma.
Magma ist geschmolzenes oder teilweise geschmolzenes Gestein unter der Erdoberfläche. Wenn Magma die Oberfläche erreicht und ausbricht, wird das geschmolzene Material Lava genannt.
Ein Magma enthält viele chemische Bestandteile, darunter üblicherweise:
- Silizium
- Sauerstoff
- Aluminium
- Eisen
- Magnesium
- Kalzium
- Natrium
- Kalium
Bei sehr hohen Temperaturen liegen diese Komponenten hauptsächlich in der Schmelze vor und nicht als vollständig ausgebildete Mineralkristalle.
Wenn das Magma jedoch abkühlt, ändern sich die Bedingungen.
Bestimmte Mineralphasen werden stabil und beginnen zu kristallisieren.
Verschiedene Mineralien kristallisieren unter unterschiedlichen Bedingungen
Nicht alle Mineralien kristallisieren bei der gleichen Temperatur.
In vielen mafischen Magmen können Mineralien wie Olivin und Pyroxen bereits bei relativ hohen Temperaturen zu kristallisieren beginnen.
Mit fortschreitender Kristallisation ändert sich die Zusammensetzung der verbleibenden Schmelze, da einige chemische Elemente bereits in frühere Mineralien eingebaut wurden.
Andere Mineralien können dann stabil werden.
Abhängig von der Zusammensetzung des Magmas, dem Druck, dem Wassergehalt und der Temperatur können diese Folgendes umfassen:
- Plagioklas
- Amphibol
- Biotit
- Kaliumfeldspat
- Moskauer
- Quartz
Dieser allgemeine Zusammenhang wird durch Bowens Reaktionsreihe veranschaulicht , obwohl reale Magmasysteme wesentlich komplexer sein können als eine einzige idealisierte Kristallisationssequenz.
Magmamischung, Druckveränderungen, Wasserzugabe oder -verlust sowie Wechselwirkungen mit dem umgebenden Gestein können die letztendlich entstehenden Mineralien verändern.
Warum enthalten manche magmatische Gesteine große Kristalle?
Die Kristallgröße hängt üblicherweise mit der Abkühlungsgeschichte zusammen, aber die Abkühlungsrate ist nicht der einzige Einflussfaktor.
Magma, das unterirdisch abkühlt, bietet in der Regel günstigere Bedingungen für sichtbares Kristallwachstum als Lava, die an der Erdoberfläche schnell abkühlt.
Aus diesem Grund enthalten Intrusivgesteine wie Granit häufig gut sichtbare Kristalle.
Vulkanische Gesteine wie Basalt weisen im Allgemeinen viel feinere Kristalle auf.
Und wenn Lava so schnell abkühlt, dass sich keine geordnete Kristallstruktur ausbilden kann, kann sie zu vulkanischem Glas erstarren.
Obsidian ist das bekannteste Beispiel.
Die Kristallgröße hängt aber auch von Folgendem ab:
- Nukleationsrate
- Grad der Unterkühlung
- Chemische Diffusion
- Wasser- und flüchtige Bestandteile
- Schmelzviskosität
- Verfügbarkeit chemischer Komponenten
- Wachstumsraum
Die einfache Regel, dass „langsame Abkühlung immer große Kristalle hervorbringt“, ist als Einführung zwar nützlich, aber das natürliche Mineralwachstum ist komplizierter.
Pegmatite: Extremes Kristallwachstum in magmatischen Systemen
Pegmatite verdienen besondere Beachtung, da sie einige der größten auf der Erde vorkommenden Mineralkristalle enthalten können.
Es handelt sich dabei in der Regel um extrem grobkörnige magmatische Gesteine, die besonders häufig in Verbindung mit granitischen Systemen vorkommen.
Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass Pegmatitkristalle nur deshalb riesig werden, weil das Magma extrem langsam abkühlte.
Die wahre Erklärung ist interessanter.
Bei der Entwicklung einiger granitischer Magmen können sich spätphasige Schmelzen mit Substanzen anreichern, die nicht leicht in früher gebildete Minerale eingebaut werden konnten.
Diese können beinhalten:
- Wasser - Water
- Bor
- Fluor
- Lithium
- Beryllium
- Cäsium
- Tantalum
- Niob
Wasser und andere flüchtige Bestandteile können die Mobilität chemischer Spezies erheblich erhöhen.
In einigen pegmatitischen Systemen können Schmelze und wässrige Flüssigkeit gleichzeitig existieren, wodurch sich Elemente schnell in Richtung der wachsenden Kristalle bewegen können.
Unterkühlung, Flüssigkeitsentmischung, schneller chemischer Transport und relativ niedrige Kristallkeimbildungsraten können allesamt zu extrem grobem Kristallwachstum beitragen.
Daher können Pegmatite spektakuläre Kristalle aus folgenden Materialien hervorbringen:
- Quartz
- Feldspat
- Moskauer
- Turmalin
- Beryll
- Spodumen
- Topaz
Einige Pegmatite sind auch wirtschaftlich bedeutende Quellen für Lithium, Tantal, Cäsium, Beryllium und andere seltene Elemente.
Pegmatite sind daher am besten als spezialisierte magmatische Umgebungen zu verstehen , nicht als ein völlig eigenständiger fundamentaler Mineralbildungsmechanismus.
2. Hydrothermale Mineralbildung
Einige der beeindruckendsten Mineraladern der Erde entstehen durch heiße wässrige Flüssigkeiten, die durch die Erdkruste fließen.
Diese Systeme werden als hydrothermale Systeme bezeichnet.
Hydrothermale Fluide können gelöste chemische Komponenten transportieren durch:
- Frakturen
- Fehler
- Poren
- Hohlräume
- Durchlässige Gesteinsschichten
Viele hydrothermale Systeme sind mit Magma verbunden, aber hydrothermales Wasser stammt nicht immer direkt aus Magma.
Flüssigkeiten können Folgendes beinhalten:
- Magmatisches Wasser
- Grundwasser
- seewasser
- Metamorphe Fluide
- Solen aus Sedimentbecken
Diese Flüssigkeiten können durch heißes Gestein zirkulieren und chemisch mit diesem interagieren.
Wie entstehen hydrothermale Adern?
Bei erhöhten Temperaturen können Flüssigkeiten erhebliche Mengen an gelösten Stoffen transportieren.
Je nach System kann dies Folgendes umfassen:
- Silica
- Kalzium
- Schwefel
- Eisen
- Kupfer
- Zink
- Blei
- Silber
- Gold
Während die Flüssigkeit durch die Erdkruste strömt, verändert sich ihre physikalische und chemische Umgebung.
Mineralien können ausfallen, wenn die Flüssigkeit:
- Kühlt ab
- Furunkel
- Erfährt einen Druckabfall
- Vermischt sich mit einer anderen Flüssigkeit
- Reagiert mit dem umgebenden Gestein
- Veränderungen des Säuregehalts
- Änderungen des Oxidationszustands
Ein Bruch kann daher als leerer Riss beginnen und sich allmählich mit Mineralien füllen.
Wiederholte Flüssigkeitsbewegungen können dicke hydrothermale Adern erzeugen.
Quarz ist eines der häufigsten Gangminerale, aber hydrothermale Systeme können auch Folgendes produzieren:
- Calcit
- Fluorit
- Baryt
- Pyrit
- Chalkopyrit
- Galena
- Sphalerit
Viele wirtschaftlich bedeutende Erzlagerstätten sind hydrothermalen Ursprungs.
Gold, Silber, Kupfer, Blei, Zink, Zinn und andere Metalle können sich anreichern, wenn hydrothermale Fluide sie durch die Erdkruste transportieren und später ablagern.
Eine Quarzader ist daher mehr als ein mit Quarz gefüllter Riss.
Es kann den versteinerten Verlauf eines uralten unterirdischen Flüssigkeitssystems darstellen.
3. Verdunstung und Niederschlag aus Wasser
Mineralien benötigen weder Magma noch extreme Temperaturen, um sich zu bilden.
Viele kristallisieren direkt aus Wasser.
Natürliches Wasser enthält gelöste Ionen, die durch Verwitterung, Grundwasserzirkulation, vulkanische Aktivität und Wechselwirkung mit Gesteinen entstehen.
Ändern sich die Bedingungen, können diese gelösten Bestandteile als Mineralien ausfallen.
Eines der einfachsten Beispiele ist die Verdunstung.
Evaporitmineralien
Stellen Sie sich einen flachen Salzsee in einem trockenen Klima vor.
Das Wasser gelangt mit gelösten Stoffen in das Becken.
Wenn das Becken jedoch nur über eine geringe oder gar keine externe Entwässerung verfügt und die Verdunstung intensiv ist, verschwindet das Wasser allmählich, während gelöste Ionen zurückbleiben.
Ihre Konzentration nimmt zu.
Irgendwann ist das Wasser mit bestimmten Mineralien gesättigt.
Die Kristallisation beginnt.
Zu den häufigsten Evaporitmineralien gehören:
- Gips
- Halit
- Anhydrit
- Sylvit
Unterschiedliche Mineralien beginnen unter unterschiedlichen chemischen Bedingungen auszufallen.
Mit fortschreitender Verdunstung verändert sich die Zusammensetzung des verbleibenden Wassers.
Dadurch können Abfolgen verschiedener Evaporitminerale entstehen.
Im Laufe geologischer Zeiträume können wiederholte Überflutungen und Verdunstungsprozesse extrem dicke Ablagerungen erzeugen.
Einige uralte Evaporitformationen enthalten enorme Mengen an Steinsalz und Gips.
Mineralfällung erfordert nicht immer Verdunstung
Ein Mineral kann aus Wasser ausfallen, selbst wenn das Wasser selbst nicht verschwindet.
Ein gutes Beispiel ist die Kalzitbildung in Höhlen.
Grundwasser, das durch Kalkstein sickert, kann gelöstes Kalzium und Bikarbonat transportieren.
Wenn dieses Wasser in eine Höhle gelangt, verändern sich Druck und Kohlendioxidbedingungen.
Kohlendioxid kann aus der Lösung entweichen.
Dadurch verschiebt sich das chemische Gleichgewicht und Calciumcarbonat fällt als Calcit aus.
Schicht für Schicht kann Kalzitwachstum Folgendes erzeugen:
- Stalaktiten
- Stalagmiten
- Sinter
- Spalten
Ähnliche Ausfällungsprozesse können auch während der Diagenese zur Bildung von mineralischen Zementen im Inneren von Sedimentgesteinen führen.
Mineralien wie Kalzit, Quarz, Dolomit und Pyrit können sich noch lange nach der Ablagerung des ursprünglichen Sediments zwischen den Sedimentkörnern bilden.
4. Metamorphe Rekristallisation und Mineralreaktionen
Mineralien können sich auch bilden, während ein Gestein im Wesentlichen fest bleibt.
Dies geschieht während der Metamorphose.
Ein tief in der Erdkruste vergrabenes Gestein kann Temperaturen, Drücken, Verformungen und Fluidbedingungen ausgesetzt sein, die sich stark von denen unterscheiden, unter denen es ursprünglich entstanden ist.
Mineralien, die unter den ursprünglichen Bedingungen stabil waren, können instabil werden.
Es finden chemische Reaktionen statt.
Die Atome werden neu verteilt.
Neue Mineralien entstehen.
Das Gestein muss nicht schmelzen.
Neue Mineralien aus alten Gesteinen
Betrachten wir ein tonreiches Sedimentgestein, das während der Gebirgsbildung begraben wurde.
Mit steigendem Druck und steigender Temperatur beginnen sich die ursprünglichen Mineralien zu verändern.
Mit zunehmenden metamorphen Bedingungen können neue Minerale entstehen.
Diese können beinhalten:
- Wenig
- Garnet
- Staurolith
- Kyanite
- Sillimanit
Diese Mineralien können wichtige Informationen über die Bedingungen liefern, denen das Gestein ausgesetzt war.
Aus diesem Grund werden einige metamorphe Minerale als Indexminerale verwendet.
Ihre Anwesenheit kann Geologen helfen, die Druck-Temperatur-Geschichte metamorpher Gesteine abzuschätzen.
Kontakt Metamorphismus
Kontaktmetamorphose tritt auf, wenn heißes Magma in kühleres umgebendes Gestein eindringt.
Die Hitze des Gesteinsintrusionskörpers verändert die Mineralogie und die Textur des umliegenden Gesteins.
Kalkstein kann beispielsweise zu Marmor rekristallisieren.
Unter chemisch günstigen Bedingungen können aus einem Intrusionskörper freigesetzte Fluide auch mit Karbonatgesteinen reagieren und mineralreiche Skarnsysteme bilden.
Skarne können Mineralien wie die folgenden enthalten:
- Garnet
- Pyroxen
- Epidot
- Vesuvianit
- Wollastonit
Manche Skarne enthalten auch bedeutende Vorkommen an Kupfer, Eisen, Wolfram, Zink und anderen Metallen.
Regionale Metamorphose
Die Regionalmetamorphose betrifft viel größere Gebiete.
Es tritt üblicherweise auf während:
- Kontinentalkollision
- Berggebäude
- Tiefbestattung
- Krustenverdickung
Mineralwachstum kann auftreten, während Gesteine stark verformt werden.
Plättchenförmige Mineralien wie Glimmer können sich ausrichten und so die charakteristische Foliation erzeugen, die in Gesteinen wie beispielsweise folgendem zu sehen ist:
- Schiefer
- Phyllit
- Schiefer
- Gneis
Metamorphe Minerale bewahren daher eine Aufzeichnung von Bedingungen, die möglicherweise viele Kilometer unterhalb alter Gebirgsketten herrschten.
5. Verwitterung und Bildung sekundärer Minerale
Die Erdoberfläche stellt für viele Mineralien, die tief unter der Erde entstanden sind, eine lebensfeindliche Umgebung dar.
Ein Kristall, der im Inneren von Magma bei Hunderten von Grad Celsius stabil war, kann schließlich die Oberfläche erreichen und auf Folgendes treffen:
- Sauerstoff
- Regenwasser
- Kohlendioxid
- Organische Säuren
- Mikroorganismen
- Wiederholtes Befeuchten und Trocknen
Unter diesen neuen Bedingungen ist das Mineral möglicherweise nicht mehr stabil.
Die chemische Verwitterung beginnt.
Verwitterung bewirkt jedoch mehr als nur die Zerstörung von Mineralien.
Es schafft auch neue.
Von Feldspat zu Ton
Feldspat ist eine der häufigsten Mineralgruppen in der Erdkruste.
Feldspäte sind jedoch unter Oberflächenbedingungen nicht immer stabil.
Durch die Reaktion mit leicht saurem Wasser können sie sich allmählich verändern.
Elemente werden entfernt oder umverteilt, und es können sich neue Tonminerale bilden.
Über unvorstellbar lange Zeiträume hinweg tragen diese Reaktionen zur Bildung von Böden und Sedimenten bei.
Eisenoxidation
Eisenhaltige Mineralien durchlaufen eine weitere bekannte Umwandlung.
Bei Kontakt mit sauerstoffreichem Wasser kann Eisen oxidiert werden.
Es können sich neue Eisenoxide und -oxyhydroxide bilden.
Diese Mineralien sind für viele der folgenden Eigenschaften verantwortlich:
- Rot
- Orange
- Gelb
- Braun
Farben, die in verwitterten Gesteinen und Böden zu sehen sind.
Hämatit und Goethit sind gängige Beispiele.
Sekundärminerale in Erzlagerstätten
Die Verwitterung kann Mineralvorkommen nahe der Erdoberfläche dramatisch verändern.
Sulfidmineralien können mit Sauerstoff und Grundwasser reagieren.
Einige chemische Bestandteile lösen sich auf und werden nach unten transportiert.
Andere bleiben nahe der Oberfläche oder fallen als neue Mineralien wieder aus.
Über Sulfidvorkommen können sich eisenreiche Verwitterungskappen, sogenannte Gossans, bilden.
Sekundäre Kupferminerale wie Malachit und Azurit können sich auch in oxidierten Zonen einiger Kupferlagerstätten bilden.
Durch Verwitterung entstehen somit aus älterem geologischem Material völlig neue Mineralvergesellschaftungen.
6. Vulkanische Gas- und Fumarolenmineralisierung
Lava ist nicht das einzige Material, das von Vulkanen freigesetzt wird.
Vulkansysteme stoßen auch Gase aus, die Verbindungen von Folgendem enthalten:
- Schwefel
- Chlor
- Fluor
- Kohlenstoff
- Wasserstoff
- Wasser - Water
Diese Gase können durch Risse und Öffnungen, sogenannte Fumarolen, entweichen.
In der Umgebung von Fumarolen können sich Temperatur und chemische Zusammensetzung extrem schnell verändern.
Dadurch entstehen ungewöhnliche mineralbildende Umgebungen.
Wie entstehen Fumarolenmineralien?
Manche Mineralien können sich bilden, wenn heiße vulkanische Gase abkühlen.
Die direkte Kühlung ist jedoch nur ein Mechanismus.
Die Mineralbildung um Fumarolen kann auch Folgendes umfassen:
- Gasmischung mit Luft
- Oxidationsreaktionen
- Kondensation saurer Flüssigkeiten
- Gas-Gestein-Reaktionen
- Ausfällung aus kondensierten vulkanischen Flüssigkeiten
Eines der bekanntesten Produkte ist natürlicher Schwefel.
Um vulkanische Schlote herum können sich leuchtend gelbe Schwefelablagerungen bilden, da schwefelhaltige Gase in Oberflächennähe chemische Reaktionen eingehen.
Andere fumarolische Umgebungen können Folgendes enthalten:
- Sulfate
- Chloride
- Sulfide
- Fluoride
- Oxidmineralien
Da sich Fumarolen schnell verändern können, sind diese Mineralvorkommen im Vergleich zu Mineralien, die in tieferen Gesteinsschichten eingeschlossen sind, möglicherweise auch nur von kurzer Dauer.
Vulkane erzeugen und verändern daher auch dann weiterhin Mineralien, wenn keine Lava ausbricht.
7. Biomineralisierung
Nicht jeder mineralbildende Prozess ist rein geologischer Natur.
Auch lebende Organismen können die Bildung von Mineralien kontrollieren oder stark beeinflussen.
Dieser Prozess wird als Biomineralisation bezeichnet.
Organismen nutzen gelöste chemische Bestandteile aus ihrer Umgebung und bilden daraus harte mineralisierte Strukturen.
Muscheln und Skelette
Viele Meeresorganismen bauen Schalen oder Skelette aus Kalziumkarbonat.
Je nach Organismus und Umweltbedingungen kann dieses Material vorwiegend in folgender Form vorkommen:
- Calcit
- Aragonit
Weichtiere, Korallen, Foraminiferen und viele andere Organismen bilden mineralisierte Strukturen.
Nach dem Tod können sich diese Überreste auf dem Meeresboden ansammeln.
Im Laufe geologischer Zeiträume können enorme Mengen an biologischem Karbonat zur Bildung von Kalkstein beitragen.
Das Leben kann daher die Mineralbildung im planetaren Maßstab beeinflussen.
Andere biologische Mineralien
Die Biomineralisation beschränkt sich nicht auf Calciumcarbonat.
Verschiedene Organismen können andere Stoffe produzieren oder deren Bildung kontrollieren.
Anwendungen:
Apatit
Calciumphosphat-Mineralphasen sind Hauptbestandteile der Knochen und Zähne von Wirbeltieren.
Silica
Kieselalgen und einige andere Organismen bauen komplexe, kieselsäurereiche Strukturen.
Magnetit
Magnetotaktische Bakterien können winzige magnetische Mineralpartikel produzieren, die ihnen helfen, sich relativ zum Erdmagnetfeld auszurichten.
Lebende Organismen sind daher direkt am Mineralkreislauf der Erde beteiligt.
Biologie und Geologie sind viel enger miteinander verbunden, als es zunächst scheinen mag.
Warum haben Kristalle unterschiedliche Größen?
Die Größe eines Mineralkristalls hängt von weit mehr ab als nur von seiner Lebensdauer.
Das Kristallwachstum wird durch den Wettbewerb zwischen Keimbildung und Wachstum gesteuert.
Wenn sich gleichzeitig eine große Anzahl von Kristallkeimen bildet, verteilt sich das verfügbare chemische Material auf viele Kristalle.
Das Ergebnis könnte ein feinkörniges Gestein sein.
Wenn sich relativ wenige Kristallisationskeime bilden, die chemischen Komponenten diese aber effizient erreichen können, können einzelne Kristalle viel größer werden.
Wichtige Kontrollmaßnahmen umfassen:
- Temperatur
- Druckscheiben
- Grad der Unterkühlung
- Fluidzusammensetzung
- Schmelzzusammensetzung
- Chemische Diffusion
- Flüchtiger Inhalt
- Übersättigung
- Verfügbarer Platz
- Anzahl der konkurrierenden Kristalle
Dies erklärt, warum manche geologische Hohlräume wunderschön geformte Einzelkristalle enthalten, während andere Gesteine aus unzähligen mikroskopisch kleinen Mineralkörnern bestehen, die dicht aneinander gepackt sind.
Warum haben Kristalle geometrische Formen?
Mineralkristalle entwickeln geometrische Formen nicht zufällig.
Ihre äußere Form steht in Zusammenhang mit ihrer inneren Atomstruktur.
Die Atome im Inneren eines kristallinen Minerals sind in geordneten, sich wiederholenden Mustern angeordnet.
Während das Kristall wächst, beeinflussen diese inneren Strukturen die Orientierungen, entlang derer sich Kristallflächen entwickeln können.
Quarz bildet aufgrund seiner zugrundeliegenden Kristallsymmetrie häufig sechsseitige Prismen.
Halit bildet üblicherweise Würfel.
Granate bilden häufig charakteristische dodekaedrische oder trapezoedrische Formen aus.
Aber ein Mineral weist nicht immer perfekte Kristallflächen auf.
Wenn Kristalle dicht aneinander wachsen, ist möglicherweise einfach kein Platz mehr für die Entwicklung vollständiger äußerer Kristallformen.
Eine perfekte Kristallform erfordert daher in der Regel sowohl die richtige innere Struktur als auch ausreichend Wachstumsraum.
Kann sich dasselbe Mineral auf unterschiedliche Weise bilden?
Ja.
Dies ist eines der wichtigsten Konzepte in der Mineralogie.
Die gleichen Mineralarten können sich in völlig unterschiedlichen geologischen Umgebungen bilden.
Quartz
Quarz kann kristallisieren:
- Aus Magma
- In Pegmatiten
- Aus hydrothermalen Fluiden
- Im Inneren vulkanischer Höhlen
- Während der Metamorphose
- Während der sedimentären Diagenese
Ein einzelner Quarzkristall offenbart daher nicht seine gesamte Geschichte.
Calcit
Kalzit kann sich bilden:
- In marinen Sedimenten
- In Höhlen
- In hydrothermalen Adern
- Durch biologische Prozesse
- Während der Diagenese
- Während der Alterations- und Metamorphosereaktionen
Auch hier gilt: Der Name des Minerals allein genügt nicht.
Der Kontext ist wichtig.
Wie bestimmen Geologen die Entstehung eines Minerals?
Geologen interpretieren ein Mineral selten isoliert.
Sie untersuchen den geologischen Kontext.
Wichtige Hinweise sind:
- Wirtsfelsen
- Zugehörige Mineralien
- Kristallform
- Korngrenzen
- Querschnittsbeziehungen
- Mineralzonierung
- Chemische Zusammensetzung
- Spurenelemente
- Isotopenzusammensetzung
- Flüssigkeitseinschlüsse
- Druck-Temperatur-Beziehungen
Ein winziger Flüssigkeitseinschluss im Inneren von Quarz kann beispielsweise eine mikroskopische Probe der Flüssigkeit bewahren, aus der der Kristall gewachsen ist.
Die Mineralzonierung kann Veränderungen in der Magma- oder Fluidchemie während des Wachstums aufzeichnen.
Eine Mineralader, die eine andere Ader kreuzt, kann Aufschluss darüber geben, welches Mineralisierungsereignis zuerst stattfand.
Metamorphe Mineralvergesellschaftungen können Aufschluss über die ungefähren Druck- und Temperaturbedingungen geben.
Mineralien sind daher nicht nur Bestandteile von Gesteinen.
Es handelt sich um geologische Archive.
Sieben häufige mineralbildende Prozesse
| Prozess | Wie Mineralien entstehen | Beispiele |
|---|---|---|
| Magmatische Kristallisation | Mineralien kristallisieren, wenn geschmolzenes Gestein abkühlt und sich verändert. | Olivin, Pyroxen, Feldspat, Quarz |
| Hydrothermale Bildung | Heiße Flüssigkeiten transportieren gelöste Bestandteile und später fallen Mineralien aus. | Quarz, Kalzit, Fluorit, Sulfide, goldhaltige Mineralien |
| Verdunstung und Niederschlag | Gelöste Ionen kristallisieren aus, wenn sich die Wasserchemie ändert oder die Verdunstung die Konzentration erhöht. | Halit, Gips, Kalzit |
| Metamorphische Reaktionen | Vorhandene Mineralien reagieren oder rekristallisieren unter veränderten Temperatur- und Druckbedingungen. | Granat, Kyanit, Staurolith, Glimmer |
| Verwitterung und Sekundärbildung | Oberflächenreaktionen verändern primäre Mineralien und bilden neue. | Tonminerale, Hämatit, Goethit, Malachit |
| Fumarolische Mineralisierung | Vulkanische Gase, kondensierte Fluide und Gas-Gestein-Reaktionen erzeugen Mineralien. | Schwefel, Sulfate, Chloride |
| Biomineralisation | Organismen kontrollieren oder beeinflussen die Mineralbildung | Calcit, Aragonit, Apatit, Magnetit |
Diese Kategorien überschneiden sich.
Ein einzelnes geologisches System kann in verschiedenen Stadien seiner Geschichte mehrere dieser Systeme umfassen.
Eine Magmakammer kann beispielsweise zunächst durch magmatische Kristallisation Mineralien erzeugen, später einen Pegmatit bilden, hydrothermale Fluide freisetzen und schließlich fumarolische Aktivität nahe der Oberfläche speisen.
Die Natur folgt selten perfekt getrennten Kategorien.
Warum die Entstehung von Mineralien wichtig ist
Das Verständnis der Mineralbildung hilft Geologen, Prozesse zu rekonstruieren, die vor Millionen oder sogar Milliarden von Jahren verschwunden sein könnten.
Mineralien können Folgendes offenbaren:
- Wie Magma abkühlte
- Ob hydrothermale Fluide einst durch ein Gestein flossen
- Wie tief ein Stein vergraben war
- Welche Temperaturen herrschten während der Metamorphose?
- Ob ein antikes Becken intensive Verdunstung erlebte
- Wie sich eine Erzlagerstätte entwickelte
- Wie die Oberflächenverwitterung eine Landschaft veränderte
- Ob biologische Aktivität zur Sedimentbildung beigetragen hat
Mineralien sind auch für die moderne Gesellschaft unerlässlich.
Kupfererze zeugen von uralten hydrothermalen Systemen.
Lithiumhaltige Pegmatite bewahren die Endstadien entwickelter Magmen.
Eisenoxide können Oxidations- und Verwitterungsprozesse dokumentieren.
Evaporite enthalten Salz, Gips und Kaliumcarbonat.
Karbonatminerale dokumentieren die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozeanen, Gesteinen und Leben.
Das Verständnis der Entstehung von Mineralien verbindet daher die Grundlagenforschung in der Geologie mit dem Bergbau, den Umweltwissenschaften, der Klimageschichte, den Planetenwissenschaften und den Materialien, von denen moderne Gesellschaften abhängen.
Fazit
Mineralien entstehen durch eine bemerkenswerte Bandbreite natürlicher Prozesse.
Manche kristallisieren direkt aus abkühlendem Magma.
Andere entstehen aus heißen hydrothermalen Fluiden, die durch tief unter der Erde liegende Spalten fließen.
Einige fallen aus, wenn Seen und Meere verdunsten, andere entstehen, wenn vorhandene Gesteine durch Hitze, Druck, Verformung und chemisch aktive Flüssigkeiten umgewandelt werden.
Nahe der Erdoberfläche zerstört die Verwitterung ältere Mineralien und erzeugt neue.
Rund um Vulkane bilden Gase und kondensierte Flüssigkeiten ungewöhnliche Fumarolenminerale.
Und lebende Organismen bilden durch Biomineralisation mineralisierte Schalen, Skelette, Zähne und mikroskopische Strukturen.
Auch spektakuläre Pegmatite gehören in diesen größeren Zusammenhang: Sie repräsentieren spezielle magmatische Umgebungen, in denen flüchtige Bestandteile und chemisch entwickelte Systeme außergewöhnlich große Kristalle und ungewöhnliche Mineralien hervorbringen können.
Trotz dieser unterschiedlichen Wege bleibt das Grundprinzip dasselbe:
Ein Mineral entsteht, wenn die chemischen Bestandteile und physikalischen Bedingungen einer Umgebung die Entwicklung und das Wachstum einer stabilen Mineralstruktur ermöglichen.
Magma kühlt ab.
Flüssigkeiten zirkulieren.
Wasser verdunstet.
Gesteine werden vergraben und verwandelt.
Berge erheben sich und verwittern.
Vulkane setzen Gase frei.
Lebende Organismen entnehmen Elementen aus ihrer Umgebung.
Durch all diese Prozesse werden die chemischen Bestandteile der Erde fortwährend zu Mineralien umgeordnet.
Deshalb ist ein Kristall viel mehr als nur ein schönes geometrisches Objekt.
Es handelt sich um ein physisches Zeugnis der Umwelt, in der es entstanden ist – ein kleines Stück Erdgeschichte, das in Stein konserviert wurde.
Quellen und weiterführende Literatur
- Amerikanisches Naturkundemuseum — Wie entstehen Mineralien? Mineralbildende Umgebungen
- Australisches Museum — Wie entstehen Mineralien?
- US Geological Survey – Forschung zur Entstehung und Kristallisation von granitischen Pegmatiten
- Das ISME Journal – Forschung zur Biomineralisierung von Calciumcarbonat und Magnetit
