Granatgruppe

Die Granatgruppe ist eine wichtige Gruppe gesteinsbildender Minerale aus der Klasse der Silikate mit chemischen Zusammensetzungen der Form

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Granat
Almandin (Garnet Ledge, Wrangell, Wrangell Island, Wrangell-Petersburg Borough, Alaska, Vereinigte Staaten) mit Rhombendodekaeder- und Trapezoederflächen Größe: 2.3 x 2.3 x 2.2 cm.
Allgemeines und Klassifikation
Chemische Formel	E3G2(TO4)3
Mineralklasse (und ggf. Abteilung)	Silicate, Germanate - Inselsilicate (Nesosilicate)
System-Nummer nach Dana	51.4.3a.1
Kristallographische Daten
Kristallsystem	kubisch
Kristallklasse; Symbol	kubisch-hexakisoktaedrisch $4/m\ {\bar {3}}\ 2/m$
Häufige Kristallflächen	{110}, {211}
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte	6,5 bis 7,5
Dichte (g/cm3)	3,5 bis 4,3
Spaltbarkeit	unvollkommen
Bruch; Tenazität	muschelig, splitterig, spröde
Farbe	variabel, häufig rotbraun, gelbgrün, schwarz
Strichfarbe	weiß
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Glanz	Glas-, Fett-, Harzglanz
Magnetismus	ferrimagnetisch
Kristalloptik
Pleochroismus	keiner

E₃G₂(TO₄)₃.

In dieser Formel sind:

• E: zweiwertige Kationen umgeben von 8 Sauerstoffanionen, Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Y³⁺, Na⁺
• G: vorwiegend dreiwertige Kationen umgeben von 6 Sauerstoffanionen, Al³⁺, Cr³⁺, Fe³⁺, Ti^4+,3+, V³⁺, Fe²⁺, Zr⁴⁺, Sn⁴⁺
• T: vorwiegend vierwertige Kationen umgeben von 4 Sauerstoffanionen, Si⁴⁺, Al³⁺, Ti⁴⁺, Fe^3+,2+, P⁵⁺

Granate bilden isometrische Kristalle, deren Form dominiert wird vom Rhombendodekaeder {110} (früher auch Granatoeder genannt), dem Trapezoeder {211} und deren Kombination. Sie sind durchsichtig bis opak mit roter, brauner oder grüner Farbe, seltener auch gelb oder farblos. Die Strichfarbe ist weiß.

Ihre relativ hohe Dichte (3,5 – 4,5 g/cm³), Härte (Mohshärte 6,5 – 7,5) und Lichtbrechung (n=1,61 (Katoit) bis n=1,96 (Calderit)) machen sie sowohl als Schmuckstein als auch für industrielle Anwendungen interessant.

Etymologie und Geschichte

Der Name Granat leitet sich vom lateinischen Wort granum (deutsch: Korn) ab. Schon in der Antike wurden Granate als Schmucksteine genutzt; im Mittelalter waren sie zusammen mit Rubinen und Spinellen unter der Bezeichnung Karfunkel (auch Karfunkelstein) bekannt - die meisten stammten damals aus Indien. Besonders populär waren sie aber im 19. Jahrhundert, als böhmische Pyrope so begehrt waren, dass sie bis nach Amerika verschifft wurden.

Klassifikation

Nach der Klassifikation von Strunz bilden die Granate in der Klasse der Silikate (9), Abteilung der Inselsilikate (A) ohne weitere Anionen mit Kationen in oktahedraler [6] und gewöhnlich größerer Koordination (D) die Granatgruppe (25).

Traditionell werden die Granate in zwei Untergruppen unterteilt:

Pyralspit-Gruppe (Aluminiumgranate)

• Pyrop - Mg₃Al₂(SiO₄)₃
• Almandin - Fe₃Al₂(SiO₄)₃
• Spessartin - Mn₃Al₂(SiO₄)₃

Ugrandit-Gruppe (Calciumgranate)

• Uwarowit - Ca₃Cr₂(SiO₄)₃
• Grossular - Ca₃Al₂(SiO₄)₃
• Andradit - Ca₃Fe₂(SiO₄)₃
• Schorlomit - Ca₃(Ti⁴⁺,Fe³⁺)₂[(Si,Fe³⁺,Fe²⁺)O₄]₃

Hydrogranate

• Hibschit - Ca²⁺₃Al³⁺₂(SiO₄)_3-x(OH)_4x mit 0,2 ≤ x ≤ 1,5
• Holtstamit - Ca²⁺₃Al³⁺₂(SiO₄)₂(OH)₄
• Katoit - Ca²⁺₃Al³⁺₂(SiO₄)_3-x(OH)_4x mit 1,5 ≤ x ≤ 3
• Henritermierit - Ca²⁺₃Mn³⁺₂(SiO₄)₂(OH)₄
• Hydroandradit - Ca²⁺₃Fe³⁺₂[SiO₄,(OH)₄]₃

Weitere Granate

• Blythit – Mn²⁺₃Mn³⁺₂(SiO₄)₃
• Calderit - Mn²⁺₃Fe³⁺₂(SiO₄)₃
• Goldmanit - Ca²⁺₃V³⁺₂(SiO₄)₃
• Kimzeyit - Ca²⁺₃(Zr,Ti) ₂[(Si,Al,Fe³⁺)O₄]₃
• Knorringit - Mg²⁺₃Cr³⁺₂(SiO₄)₃
• Majorit - Mg²⁺₃(Fe²⁺Si)₂(SiO₄)₃
• Morimotoit - Ca²⁺₃(Ti, Fe²⁺,Fe³⁺)₂(SiO₄)₃
• Wadalit - Ca₆Al₅Si₂O₁₆Cl₃

Die oben genannten Zusammensetzungen beziehen sich auf die so genannten Endglieder der Granatgruppe, das heißt in ihnen werden die in der allgemeinen Formel unbestimmten Positionen E und G vollständig mit Atomen eines Elementes besetzt.

Bildung und Fundorte

Granate kommen in massiver Form oder körnig, häufig aber auch als makroskopische Kristalle vor, die bis zu 700 kg schwer werden können.

Besonders häufig findet man Granate in metamorphen Gesteinen wie Gneis, Glimmerschiefer oder Eklogit; daneben treten sie auch in magmatischen Gesteinen und sedimentär in Schwermineralseifen (Strandsedimente, Flusssedimenten) auf. Die meisten natürlich gefundenen Schmuckstein-Granate stammen heute aus den USA, aus Südafrika und Sri Lanka.

Die genaue chemische Zusammensetzung steht immer mit jener des umgebenden Gesteins im Zusammenhang: So kommt beispielsweise der magnesiumreiche Pyrop häufig in Peridotiten und Serpentiniten vor, während grüner Uwarowit vor allem in chromhaltigem Serpentinitgestein auftritt.

Metapelite (Glimmerschiefer, Gneis)

Bei der Metamorphose von silikatischen Peliten bilden sich almandinreiche Granate ab ca. 450°C bei der Reaktion von Chloritoid + Biotit + H₂O zu Granat + Chlorit. Bei niedrigen Temperaturen sind die Granatmischkristalle reich an Spessatin und werden bei steigenden Temperaturen zunehmend almandinhaltiger. Ab ca. 600°C bildet sich Granat beim Abbau von Staurolith. Bei weiter steigenden Temperaturen werden die Granate zunehmend reicher an Pyrop und selbst bei beginnender Gesteinsschmelze können Granate noch neu gebildet werden z.B. bei der Reaktion von Biotit + Sillimanit + Plagioklas + Quarz zu Granat + Kalifeldspat + Schmelze. Erst ab Temperaturen von 900°C baut sich Granat ab zu Spinell + Quarz oder bei hohen Drucken zu Orthopyroxen + Sillimanit.

Metabasite (Granulit, Eklogit)

In der Suite der Metabasite (z.B. metamorphe Basalte) tritt Granat gesteinsbildend in Eklogiten auf und die Grantemischkristalle sind reich an Pyrop und Grossular.

Mit steigenden Druck bildet sich Granat beim Übergang von der Granulit-Fazies zur Eklogit-Fazies ab ca. 10kBar, 900°C bei der Reaktion von Orthopyroxen und Plagioklas zu Granat, Klinopyroxen und Quarz. In Blauschiefern bilden sich zunächst Fe-reiche Granate, die auf dem Weg zur Eklogit-Fazies zunehmend Pyrop- und Grossular-reicher werden.

Zersetzung von Granat (Retrograde Umwandlungen)

schalige Kelyphitbildungen um bereits zersetzte Granatkristalle (schwarz) in einem Serpentinitgestein

Granate erleiden unter bestimmten lithofaziellen Umständen innerhalb von metmorphen Gesteinen eine Umwandlung bzw. Zersetzung. Das Ergebnis dieser Prozesse nennt man Kelyphit. Dabei entstehen zahlreiche neue Mineralien.

Kristallstruktur

Granate kristallisieren im Allgemeinen mit kubischer Symmetrie in der Raumgruppe Ia3d. Die Elementarzelle enthält 8 Formeleinheiten und hat je nach Zusammensetzung eine Kantenlänge von 1.146 nm (Pyrop) bis 1.256 nm (Katoit).

Symmetrieerniedrigung

Insbesondere Grossular-Andradit-Mischkristalle sind schwach doppelbrechend und optisch zweiachsig. Auch bei Almandin wurde optische Aniostropie boabachtet. Die optischen Eigenschaften sind sehr sensible Indikatoren für Abweichungen von der idealen, kubischen Struktur. Bei Röntgenstrukturuntersuchungen von Granaten konnten sie hingegen nur selten nachgewiesen werden. Einige Arbeiten ergeben für solche Granate trikline (I-1) oder ortorhombische (Fddd) , aber auch tetragonale (I4₁/acd) oder monokline (C2/m) Symmetrie. Als Ursachen dieser Symmetrieerniedrigung werden zahlreiche Ursachen angeführt:

• Plastische Deformation
• Symmetrieerniedrigung durch Gitterspannungen
• Magnetooptische Effekte durch Einbau von Seltenerdelementen
• Unterschiedliche Verteilung (Ordnung) von Kationen auf dann verschiedene Oktaederpositionen
• Symmetrieerniedrigung durch geordneten Einbau von OH-Gruppen

Aufbau der Granatstruktur

O^2--Anion

Die Sauerstoffanionen besetzen die allgemeine Gitterposition 96h mit der Punktsymmetrie ${\bar {1}}$. Jedes O^2--Anion ist dort von 4 Kationen umgeben:

• ein T-Kation, verbunden durch eine starke, vorwiegend kovalente Bindung mit ca. 1 Bindungsvalenz
• ein G-Kation, zu dem eine vorwiegend ionische Bindung mit ca. 0,5 vu (Valenzeinheiten) besteht
• zwei E-Kationen, zu denen nur schwache, ionische Bindungen mit jeweils ca. 0,25 vu bestehen.

Die Sauerstoffe bilden nicht, wie bei anderen Oxidstrukturen mit hoher Dichte, eine dichteste Kugelpackung. Große 8-fach koordinierte Ionen würden in einer kubisch oder hexagonal dichtesten Sauerstoff-Kugelpackung keinen Platz finden. Aufgrund der komplexen Verknüpfung aller Koordinationspolyeder über gemeinsame Ecken und vor allem viele gemeinsame Kannten erreicht die Granatstruktur dennoch eine hohe Dichte.

Die Kationen besetzten je nach Größe und Ladung drei verschiedene, spezielle Gitterpositionen, wo sie von 4, 6 oder 8 Sauerstoffen umgeben sind.

TO₄-Tetraeder

Granatstruktur 1: TO₄-Tetraeder

Die T-Kationen (Si⁴⁺) sitzen auf der Gitterposition 24d mit der Punktsymmetrie ${\bar {4}}$, wo sie von 4 Sauerstoffionen umgeben sind, die an den Ecken eines Tetraeders liegen.

Die ermittelten T-O-Bindungslängen liegen zwischen 0,163 nm (Pyrop, Almandin) und 0,165 nm (Goldmanit). Die TO₄- Koordinationstetraeder haben zwei Paare unterschiedlich langer Kanten:

• zwei einander gegenüberliegende Kanten, die an keine besetzte Gitterposition angrenzen mit Längen zwischen 0,274 nm (Almandin, Andradit) und 0,276 nm (Goldmanit)
• zwei ebenfalls gegenüberliegende Kannten, die an EO₈-Dodekaeder grenzen mit Längen zwischen 0,250 nm (Pyrop, Almandin) und 0,258 nm (Uwarowit, Goldmanit).

GO₆-Oktaeder

Granatstruktur 2: GO₆-Oktaeder

Die G-Kationen sitzen auf der Gitterposition 16a mit der Punktsymmetrie ${\bar {3}}$, wo sie von 6 Sauerstoffionen umgeben sind, die an den Ecken eines Oktaeders liegen. Die ermittelten G-O- Bindungslängen liegen zwischen 0,19 nm (Pyrop) und 0,20 nm (Andradit). Der GO₆-Koordinationspolyeder hat zwei verschiedene Kanten:

• 6 Kanten, die an keine besetzte Gitterposition grenzen mit Längen zwischen 0,262 nm (Pyrop) und 0,289 nm (Andratit)
• 6 Kanten, die an die E-Position grenzen mit Längen zwischen 0,269 nm (Grossular) und 0,283 nm (Andradit)

EO₈-Dodekaeder

Granatstruktur 3: EO₈-Dodekaeder

Die E-Kationen sitzen auf der Gitterposition 24c mit der Punktsymmetrie 222, wo sie von 8 Sauerstoffern umgeben sind, die an den Ecken eines Dodekaeders liegen. Die ermittelten E-O- Bindungslängen liegen zwischen 0,22 nm (Pyrop) und 0,25 nm (Andradit, Glodmanit). Der EO₈-Koordinationspolyeder hat 4 verschiedene Kanten:

• 2 Kanten, die an benachbarte TO₄-Tetraeder grenzen mit Längen zwischen 0,250 nm (Pyrop, Almandin) und 0,258 nm (Uwarowit, Goldmanit).
• 4 Kanten, die an benachbarte GO₆-Oktaeder grenzen mit Längen zwischen 0,269 nm (Grossular) und 0,283 nm (Andradit)
• 4 Kanten, die an benachbarte EO₈-Dodekaeder grenzen mit Längen zwischen 0,27 nm (Pyrop) und 0,297 nm (Grossular)
• 8 Kanten, die an keine besetzte Gitterposition grenzen mit Längen zwischen 0,278 nm (Pyrop) und 0,287 nm (Grossular, Goldamnit)

Verknüpfung der Koordinationspolyeder

Granatstruktur 4: Verknüpfung der Koordinationspolyeder

Granatstruktur 5: Gesamtansicht

Die TO₄-Tetraeder und GO₆-Oktaeder sind über gemeinsame Sauerstoffe an ihren Ecken zu einem Gerüst aus alternierenden Tetraedern und Oktaedern verbunden. Granate sind Inselsilikate und ihre TO₄-Tetraeder sind untereinander nicht direkt verbunden.

Die EO₈-Dodekaeder sind über gemeinsame Kanten zu 3er-Ringen verknüpft, deren Ebene senkrecht zur Raumdiagonale der Elementarzelle liegt. Diese EO₈-Dodekaederringe sind untereinander so zu einem Gerüst verknüpft, dass jeder Dodekaeder zu zwei solchen Ringen gehört. Über weitere Kannten sind die Dodekaeder mit den Tetraedern und Oktaedern des TO₄-GO₆-Gerüstes verbunden, dessen Zwischenräume es ausfüllt.

Verwendung

Als Schleifmittel

Granat wird wegen seiner Härte auch als Schleifmittel beim Sandstrahlen und Wasserstrahlschneiden eingesetzt.

In der Technik

Insbesondere künstlich erzeugte Kristalle mit Granatstruktur werden in feinmechanischen und optischen Instrumenten eingesetzt. Im Gegensatz zu den natürlichen Mineralien werden hier auf dem Tetraeder-Platz statt Silicium oftmals andere Elemente eingebaut. Yttrium-Aluminium-Granat (YAG, Y₃Al₂[Al O₄]₃), bei dem etwa ein Prozent der Yttrium³⁺-Ionen durch Neodym³⁺-Ionen ersetzt wird, ist ein häufig eingesetzter Laserkristall (Nd:YAG-Laser). Der gelbe Lumineszenzkonverter der weißen LEDs ist zu Beginn der Entwicklung ein Cer-dotierter YAG gewesen. Yttrium-Eisen-Granat (YIG) und Verwandte werden als Mikrowellenferrit, Resonator oder Filter in der Hochfrequenztechnik eingesetzt.

Als Schmuckstein

Granate finden in verschiedenen Varianten als Schmucksteine Verwendung. Man unterscheidet unter anderem den dunkelroten Pyrop, der auch Kaprubin genannt wird, den rotschwarzen Almandin, den smaragdgrünen Uwarowit, den gelbgrünen Andradit, den schwarzen Schorlomit und Melanit, den transparent-grünlichen Demantoid und den orangeroten Spessartin. Daneben gibt es noch Grossular. Außerdem gibt es seit einigen Jahren eine neue Variante, den orangefarbenen Mandaringranat. Granate werden auch als Edelsteine des kleinen Mannes bezeichnet.

• 
  Rohedelstein Granat
• 
  Geschliffener Granat
• 
  Anhänger aus Uwarowit, etwa 2 cm lang

Siehe auch

• Systematik der Minerale
• Liste der Minerale

Literatur

• Petr Korbel, Milan Novák: Mineralien-Enzyklopädie. Nebel, Eggolsheim 2002, ISBN 3-89555-076-0. 
• Stefan Weiß: Das große Lapis-Mineralienverzeichnis. 4. Auflage. Weise, München 2002, ISBN 3-921656-17-6. 
• Paul Ramdohr, Hugo Strunz: Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie. 16. Auflage. Enke, Stuttgart 1978, ISBN 3-432-82986-8. 
• Thomas Fehr, Maximilian Glas, Joachim Zang: Granat. Weise, München 1995, ISBN 3-921656-35-4 Kommentar=ExtraLapis. Nr. 9(?!). 
• S. Geller: Crystal chemistry of the garnets. In: Zeitschrift für Kristalographie., Band 125, 1967, S. 1-47 (PDF-Datei; 2,1 MB).
• G. A. Novak, G. V. Gibbs: The Crystal Cemistry of the Silicate Garnets. In: American Mineralogist, Vol. 56, 1971, S. 791-825 (PDF-Datei; 2,2 MB).
• H. Hirai, H. Nakazawa: Visualizing low symmetry of a grandite garnet on precession photograph. In: American Mineralogist, Vol. 71, 1986, S. 1210-1213 (PDF-Datei; 2,2 MB).
• D. Brown, R. A. Mason: An Occurrence of Sectored Birefringence in Almandine from the Gagnon Terrane, Labrador. In: Canadien Mineralogist, Vol. 32, 1994, S. 105-110 (PDF-Datei; 835 kB).
• F. M. Allen, P. R. Buseck: XRD, FTIR, and TEM studies of optically anisotropic grossular garnets. In: American Mineralogist, Vol. 73, 1988, S. 568-584 (PDF-Datei; 1,6 MB).
• D. K. Teertstra: INDEX-OF-REFRACTION AND UNIT-CELL CONSTRAINTS ON CATION VALENCE AND PATTERN OF ORDER IN GARNET-GROUP MINERALS. In: Canadian Mineralogist, Vol. 44, 2006, S. 341-346 (PDF-Datei; 192 kB).
• K. J. Kingma, J. W. Downs: Crystal-structure analysis of a birefringent andradite. In: American Mineralogist , Vol. 74, 1989, S. 1307-1316 (PDF-Datei; 1,0 MB).
• D. T. Griffen, D. M. Hatch, W. R. Phillips, S. Kulaksis: Crystal chemistry and symmetry of a birefringent tetragonal pyralspite₇₅-grandite₂₅-garnet. In: American Mineralogist , Vol. 71, 1992, S. 399-406 (PDF-Datei; 1,1 MB).

Weblinks

Commons: Granate (Garnet) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikisource: Ueber den Uwarowit und Granat bezüglich ihrer Zerstörung – Quellen und Volltexte

• Mineralienatlas:Mineralgruppe/Granat (Wiki)
• Garnet Group auf MinDat (englisch)

• Granat mit Alexandrit-Effekt auf YouTube