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Mineral

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Datei:Pyrite.mass.750pix.jpg
Handstück mit ineinander verwachsenen Pyritkristallen, 11 cm lang

Als Mineral (Mehrzahl Minerale, auch Mineralien) definieren Geologen natürlich vorkommende Feststoffe mit einer eindeutigen stöchiometrischen Verbindung und einem eindeutigen Kristallgitter. Die meisten der heute bekannten ca. 4000 Minerale sind anorganisch, es sind aber auch organische Minerale bekannt. Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie.

Alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper sind aus Mineralen aufgebaut. Häufig sind allerdings nur etwa dreissig Minerale, die so genannten Gesteinsbildner. Der spezifische Mineralinhalt eines Gesteins liefert Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei.

Nach ihrer Entstehung lassen sich Primärminerale und Sekundärminerale unterscheiden: Erstere entstehen zur selben Zeit wie das Gestein, dessen Teil sie sind, zweitere werden dagegen erst durch Erosion oder Metamorphismus aus den Primärmineralen gebildet.

Struktur und Form

Viele Minerale treten in der Natur als kristalline Feststoffe auf, manche dagegen als amorphe Stoffe, die dem Glas vergleichbar sind.

Die kristallinen Minerale zeigen äusserlich eine feste geometrische Form mit wohldefinierten natürlichen Flächen, die in festen Winkeln zueinander stehen. Diese symmetrische Anordnung ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung so genannter Einheitszellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale und trigonale, das monokline, das orthorombische, das tetragonale und das trikline System.

Durch ungleichmässiges Wachstum können so genannte Zwillinge entstehen, das sind zwei aus einem Urkristall hervorgegangene Kristalle, die sich wie Spiegelbilder zueinander verhalten.

Mineral-Erkennung und Eigenschaften

Die Erkennung eines Minerals kann in vielen Fällen auf Grund einiger weniger Eigenschaften wie Kristallform, Härte, Farbe, Bruchverhalten usw. erfolgen. In manchen Fällen sind jedoch weitergehende chemische Analysen, optische Tests oder Röntgenstrukturuntersuchungen zur Identifikation eines Minerals notwendig. Eine wichtige Analysemethode der Mineralogie ist die Durchleuchtung eines Mineral-Dünnschnitts im Polarisationsmikroskop, wo sich die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften des Minerals im optischen Verhalten zeigen.

Wichtige Eigenschaften eines Minerals sind:

  • die Farbe: Sie wird durch die chemische Zusammensetzung eines Minerals, insbesondere auch durch kleinere Verunreinigungen, beeinflusst. So lässt sich beispielsweise Zinnober an seiner blutroten Färbung erkennen.
  • die Strichfarbe: Sie ist die Farbe des pulverförmigen Minerals, die sich oft von der Färbung seiner Oberfläche unterscheidet. Hämatit lässt sich immer an seiner eisenroten Strichfarbe erkennen.
  • der Glanz: Durch die Art, wie Licht an der Oberfläche eines Kristalls reflektiert oder absorbiert wird, ergibt sich sein Glanz. Beim metallisch glänzenden Bleiglanz ist er sogar namensgebend.
  • die Transparenz: Manche Minerale sind für Licht vollkommen durchlässig wie die Bergkristall genannte Quarz-Varietät. Viele metallische Erze wie z.B. die Zinkblende sind dagegen undurchsichtig.
  • die Dichte: Sie hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur ab. So lässt sich Zinnober von Realgar durch seine durch den Gehalt an schwerem Quecksilber wesentlich höhere Dichte unterscheiden.
  • die Härte: Sie wird durch die Stabilität der chemischen Bindungen im Mineral bestimmt und durch ihre Ritzbeständigkeit ermittelt. Angegeben wird sie in der Mineralogie durch ihren Wert auf der Mohs-Skala, die von eins (sehr weich, Beispiel Talk) bis zehn (sehr hart, Beispiel Diamant) reicht.
  • die Spaltbarkeit: Sie beschreibt Kristallebenen, zwischen denen nur schwäche Krafte bestehen und an denen daher der Kristall gespalten werden kann. Beispielsweise hat Kalzit drei Spaltebenen und ist so sehr vollkommen spaltbar. Quarz besitzt dagegen gar keine Spaltebene.
  • das Bruchverhalten: Bricht ein Mineral nicht entlang seiner Spaltebenen treten oft charakteristische Bruchstrukturen auf. Beispiele sind der muschelige Bruch von Dolomit und der faserige Bruch von Kyanit.

Gesteinsbildende Minerale

Die meisten Gesteine setzen sich zum Großteil aus einer nur relativ kleinen Anzahl von Mineralen zusammen, den etwa dreissig Gesteinsbildnern, enthalten daneben aber noch kleinere Mengen an selteneren Bestandteilen. So werden mehr als neunzig Prozent der Erdoberfläche von Silikatmineralen wie Olivin, Pyroxen, Amphibol, Feldspat oder Quarz gebildet. Sie finden sich in magmatischen, metamorphen und auch in tonreichen Sedimentgesteinen. Weitere bedeutende Mineralgruppen sind die Karbonate, die ebenfalls in wichtigen Sedimentgesteinen wie beispielsweise Kalkstein enthalten sind und die Oxide, darunter z. B. Hämatit.

Erzlagerstätten

Mineralablagerungen, die zur Metallgewinnung wirtschaftlich abgebaut werden können, bezeichnet man als Erze. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob eine gegebene Lagerstätte kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbaukosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab - während der Eisenanteil von Mineralablagerungen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus.

Erzlagerstätten können auf sehr verschiedene Weise entstehen:

  • Riesige Ablagerungen von Eisenerz, die so genannten gebänderten Eisenerzformationen, wurden vor 3650 bis 1800 Millionen Jahren in der Zeit des Archaikums und frühen Proterozoikums vermutlich durch den Einfluss von Bakterien als Sedimente abgelagert.
  • Durch Verwitterungsprozesse können Minerale aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet verbracht werden und sich konzentriert als Sedimente am Grund von Flüssen, Seen oder flacher Meere absetzen. Ein Beispiel sind Ablagerungen von so genanntem Seifengold, das traditionell durch Waschen aus Flusssand gewonnen wird.
  • Wenn heißes Grundwasser, das sich in der Tiefe beim Kontakt mit magmatischer Schmelze mit Mineralen angereichert hat, durch Risse und Spalten zur Oberfläche vordringt, lagern sich mit sinkender Temperatur und sich veränderndem pH-Wert im umgebenden Gestein nacheinander verschiedene Mineralformationen ab, die auf diese Weise die so genannten Hydrothermaladern bilden.
  • Auf ähnliche Weise, nur oberirdisch, entstehen Erze, wenn das mineralreiche Wasser an Thermalquellen zu Tage tritt.

Minerale als Schmuck

Seltene Minerale, die aufgrund ihrer Härte, Färbung oder ihres Glanzes als schön empfunden werden und deshalb als Schmuck dienen, sind als Schmucksteine, umgangssprachlich auch als Halbedelsteine bekannt. Mit ihnen befasst sich wissenschaftlich die Gemmologie. Die wertvollsten Schmucksteine wie zum Beispiel Diamant, Rubin, Smaragd oder Saphir heißen auch Edelsteine. (Unter diesen Begriff fallen allerdings auch Nicht-Minerale wie Perlen oder Bernstein.) Aufgrund ihres hohen Preises werden sie heute teilweise synthetisch hergestellt.

Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er beschliffen werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die so genannten Fazetten, in den Stein geschnitten und dann poliert werden, um die Lichtreflexion zu maximieren. Der für Diamanten so bedeutsame Brilliantschliff, der ihnen ihr "Feuer" verleiht, ist erst im 20. Jahrhundert zur Reife entwickelt worden.

Systematik der Minerale

Minerale werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung klassifiziert:

Gediegene Elemente: Gediegene Elemente sind Minerale, die nur aus einem einzigen chemischen Element gebildet werden. Hierzu zählen etwa zwanzig Minerale, davon zehn geologisch signifikant.

Sulfide: Sulfide u. ä. bestehen aus einer Verbindung von Schwefel (oder Selen bzw. Tellur) mit Metallen oder Halbmetallen. Zu den Sulfiden zählen etwa 600 Mineralien.

Halogenide: Die etwa 140 Halogenide bestehen aus einer Verbindung von Fluor, Chlor, Brom oder Jod mit Kationen wie Natrium oder Kalzium.

Oxide und Hydroxide: Aus der Verbindung von Metallen oder Nichtmetallen mit Sauerstoff oder Hydroxylgruppen (OH- -Gruppen) entstehen die etwa 400 Oxide bzw. Hydroxide (auch Oxyde genannt).

Karbonate: Die mehr als 200 Karbonate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ CO3]2-.

Phosphate, Arsenate, Vanadate: Phosphate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ PO4]3-. Hier werden meist auch Arsenate und Vanadate [V04]3- eingeordnet. Die Gruppe umfasst etwa 400 Mineralien.

Nitrate: Nitrate sind leicht lösliche Salze mit dem Anionenkomplex [ NO3]-, der meist mit Natrium oder Kalium verbunden ist.

Sulfate: Die etwa 300 Sulfate sind Sauerstoffsalze mit dem Anionenkomplex [ SO4]2-. Hierher sortiert man auch die Chromate.

Molybdate und Wolframate: Die eng verwandten Molybdate und Wolframate sind Verbindungen eines Metalls mit dem Anionenkomplex [MoO4]2- bzw. [WO4]2-.

Borate: Zu den etwa 125 Boraten zählen jene Minerale, die den Boratkomplex [BO3]3- enthalten.

  • Beispiel: Borax (Na2B4O5(OH)4.8H20)

Silikate: Die Silikate sind etwa 500 Verbindungen, in denen der [ SiO4]4--Tetraeder einen wesentlichen Baustein darstellt.

Organische Minerale: Hierzu zählen Salze der Mellithsäure und der Oxalsäure.

Siehe auch: Liste von Mineralen, Liste der Gesteine, Wikiprojekt Minerale

Literatur

  • Deer, W.A., Howie, R.A. , und Zussman, J.: Orthosilicates, Band 1 aus: Rock-forming minerals. Longman, London, 2. Ausgabe, 1982.
  • Matthes, S.: Mineralogie, Springer-Verlag, Berlin.
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