Sonnenstein aus Oregon Die wassermelonenartige Färbung des Feldspats wird durch feinste, orientierte Einschlüsse von Kupfer und Protoenstatit hervorgerufen.
Protoenstatit kristallisiert mit orthorhombischer Symmetrie bei niedrigem Druck und Temperaturen über ~1000°C. Bei Abkühlung wandelt sich Protoenstatit in Klinoenstatit um. Nur sehr kleine Kristalle von unter einem µm Größe, die ein sehr großes Verhältnis von Oberfläche zum Volumen haben, können metastabil erhalten bleiben.
Die Typlokalität und das bislang (2019) einzige bekannte, natürliche Vorkommen ist die Dust Devil Mine bei Plush im Lake County (Oregon), USA.[6] Protoenstatit tritt hier in Form kleinster Einschlüsse in Labradorit auf, der als Schmuckstein mit dem Handelsnamen „Oregon Sunstone“ (Sonnenstein) abgebaut wird. Die wasserklaren Feldspäte dieser Fundstelle weisen einen wassermelonenartig zonierten, grünen und roten Kern auf. Die grüne Färbung wird auf submikroskopische Entmischungen von Protoenstatit und Klinoenstatit zurückgeführt.[4]
Magnesiumsilikate sind technisch und geologisch von zentraler Bedeutung und wurden schon in den 1930er Jahren experimentell untersucht. Die Existenz von Protoenstatit wurde zunächst übersehen, da dieser sich beim Abkühlen in Klinoenstatit umwandelt. Wilfried D. Foster, ein Petrologe, der in der Keramikabteilung der „Champion Spark Plug Company“, einem amerikanischen Zündkerzenproduzenten, forschte, untersuchte das System MgO - SiO2 bei hohen Temperaturen und konnte 1951 als Erster zeigen, dass Protoenstatit eine thermodynamisch stabile Verbindung bei hohen Temperaturen ist.[7] Im Jahr darauf publizierte Leon M. Atlas vom Illinois Institute of Technology eine systematische Untersuchung der Stabilitätsbereiche der verschiedenen MgSiO3-Phasen. Er lokalisierte den Phasenübergang von Enstatit zu Protoenstatit bei 990°C (1bar) und machte erste Strukturvorschläge für Proto- und Klinoenstatit.[8] Aufgeklärt wurde die Kristallstruktur von Protoenstatit 7Jahre später von J. V. Smith an der Pennsylvania State University.[5]
Dafür, dass Protoenstatit in der Natur auftritt, gab es lange keine direkten Hinweise. Aus dem gehäuften Auftreten von bestimmten Gitterbaufehlern natürlicher Enstatite wurde auf Protoenstatit als Vorläufer und entsprechend hohe Bildungstemperaturen geschlossen – so z.B. bei Klinoenstatit aus Boniniten[9][10][11] oder Material des Kometen81P/Wild 2.[12] Erst im Jahr 2017 wurden Protoenstatit-Nanokristalle in Plagioklasen nachgewiesen, die vermutlich wegen ihrer geringen Größe von weniger als 200nm metastabil erhalten blieben.[4]
In der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß, die formal auf der alten Systematik von Karl Hugo Strunz in der 8. Auflage basiert, erhielt das Mineral die System- und Mineralnummer VIII/F.02-005. Dies entspricht der Klasse der „Silikate“ und dort der Abteilung „Ketten- und Bandsilikate“, wo Protoenstatit zusammen mit Akimotoit, Donpeacorit, Enstatit, Ferrosilit und Nchwaningit die Gruppe der „Orthopyroxene“ mit der Systemnummer VIII/F.02 bildet.[3]
Die Calciumgehalte sind, wie bei allen Fe-Mg-Pyroxenen, gering.
Für synthetischen Protoenstatit wurden bei 1220 bis 1390°C maximale Aluminiumgehalte von 1,62Gew-% Al2O3 und 4,10Gew-% CaO bestimmt.[15] Das ist rund viermal so viel Calcium, wie im natürlichen Protoenstatit und nur 1/10 von dessen Al2O3- Gehalten.[4]
Die Struktur ist die von Orthopyroxen, wobei Schichten mit gegensätzlicher Orientierung der Oktaeder nach jeder Schicht alternieren und nicht nach zwei Schichten, wie z.B. beim Enstatit oder Ferrosilit. Silizium (Si4+) besetzt die tetraedrisch von 4 Sauerstoffionen umgebenen T-Positionen und Magnesium (Mg2+) die oktaedrisch von 6 Sauerstoffen umgebenen M1- und M2-Positionen.[5]
Protoenstatit bezeichnet MgSiO3 mit Pyroxenstruktur und der zuvor beschriebenen orthorhombischen Symmetrie in der Raumgruppe Pbcn(Nr. 60)Vorlage:Raumgruppe/60 und ist bei niedrigen Druck zwischen 1Bar und ~10kBar und Temperaturen zwischen ~1000°C und 1600°C stabil. Bei höheren Temperaturen existiert ein kleines Stabilitätsfeld des Hochtemperatur-Klinopyroxens mit der Raumgruppe P2/c(Nr. 13)Vorlage:Raumgruppe/13. Enstatit (Pbca(Nr. 61)Vorlage:Raumgruppe/61) ist bei tieferen Temperaturen zwischen ~600°C und 1000°C sowie Drucken von ~0–1GPa bis ~7–10GPa stabil. Bei Temperaturen unter ~600°C - ~800°C bei weniger als ~7GPa liegt MgSiO3 in der monoklinen Struktur des Klinoenstatits mit der Raumgruppe P21/c(Nr. 14)Vorlage:Raumgruppe/14 vor.[16] Bei rascher Abkühlung wandelt sich Protoenstatit nicht in Enstatit, sondern bei ~865°C metastabil in Klinoenstatit um.[8][17]
Bei Drucken oberhalb von ~7GPa wandelt sich Enstatit bzw. Klinoenstatit in Hoch-Klinoenstatit mit der Raumgruppe P2/c(Nr. 13)Vorlage:Raumgruppe/13 um.
Oberhalb von 17–18GPa ist die Pyroxenstruktur von MgSiO3 nicht mehr stabil und das Magnesiummetasilikat liegt bei Temperaturen über ~1600°C in der Struktur von Granat (Majorit) und unterhalb von 1600–2000°C in der Ilmenitstruktur (Akimotoit) vor. Bei extrem hohen Drucken oberhalb von ~22GPa geht MgSiO3 in die Perowskitstruktur (Bridgmanit) über.
Gebildet wird Protoenstatit bei niedrigen Druck und sehr hohen Temperaturen über 1000°C und wandelt sich bei Abkühlung spontan in Klinoenstatit um. Für Klinoenstatite aus Boniniten, z.B. nahe Népoui in Neukaledonien, Cape Vogel auf Papua-Neuguinea, den Bonininseln oder von Fundorten am Marianengraben wird eine Bildung durch Umwandlung von Protoenstatit angenommen.[9][10][11]
Die Typlokalität von Protoenstatit und das bislang (2019) einzige bekannte, natürliche Vorkommen ist die Dust Devil Mine bei Plush im Lake County (Oregon), USA.[6] Protoenstatit kommt hier in Form submikroskopischer Entmischungen in Labradorit vor. Die weniger als 200 nm großen Protoenstatiteinschlüsse treten zusammen mit Klinoenstatit und Kupfer-Nanokristallen auf und verleihen den ansonsten wasserklaren Plagioklasen einen wassermelonenartig zonierten, grünen und roten Kern.[4]
12Stefan Weiß:Das große Lapis Mineralienverzeichnis. Alle Mineralien von A – Z und ihre Eigenschaften. Stand 03/2018. 7., vollkommen neu bearbeitete und ergänzte Auflage. Weise, München 2018, ISBN 978-3-921656-83-9.
12345678Huifang Xu, Tina R. Hill, Hiromi Konishi, Gabriela Farfan:Protoenstatite: A new mineral in Oregon sunstones with “watermelon” colors. In: American Mineralogist. Band102, 2017, S.2146–2149 (minsocam.org[PDF; 1,1MB; abgerufen am 18.Mai 2019]).
123456J. V. Smith:The crystal structure of proto-enstatite, MgSiO3. In: Acta Crystallographica. Band12, 1959, S.515–519, doi:10.1107/S0365110X59001554.
↑Wilfried R. Foster:High‐Temperature X‐Ray Diffraction Study of the Polymorphism of MgSiO3. In: Journal of the American Ceramic Society. Band34, 1951, S.255–259, doi:10.1111/j.1151-2916.1951.tb09127.x.
12Leon Atlas:The Polymorphism of MgSiO3 and Solid-State Equilibria in the System MgSiO3-CaMgSi2O6. In: The Journal of Geology. Band60, 1952, S.125–147, doi:10.1086/625944.
12W. B. Dallwitz, D. H. Green, J. E. Thompson:Clinoenstatite in a Volcanic Rock from the Cape Vogel Area, Papua. In: Journal of Petrology. Band7, 1966, S.375–403 (d28rz98at9flks.cloudfront.net[PDF; 32,9MB; abgerufen am 19.Mai 2019]).
12Keiichi Shiraki, Naoshi Kuroda, Hayaomi Urano, Shigenori Manuyama:Clinoenstatite in boninites from the Bonin Islands, Japan. In: Nature. Band285, 1980, S.31–32, doi:10.1038/285031a0.
12T. Sameshima, J.-P. Paris, Philippa M. Black, R. F. Herring:Clinoenstatite-bearing lava from Nepoui, New Caledonia. In: American Mineralogiste. Band68, 1983, S.1076–1082 (minsocam.org[PDF; 733kB; abgerufen am 19.Mai 2019]).
↑Sylvia Schmitz, Frank E. Brenker:Microstructural Indications for Protoenstatite Precursor of Cometary MgSiO3 Pyroxene: A Further High-Temperature Component of Comet Wild 2. In: The Astrophysical Journal. Band681, 2008, S.L105-L108 (researchgate.net[PDF; 1,7MB; abgerufen am 18.Mai 2019]).
↑Subcommite on Pyroxenes, CNMMN; Nobuo Morimoto:Nomenclature of Pyroxenes. In: The Canadian Mineralogist. Band27, 1989, S.143–156 (mineralogicalassociation.ca[PDF; 1,6MB; abgerufen am 30.März 2019]).
↑Gordon M. Biggar, D. Barrie Clarke:Protoenstatite solid solution in the system CaO-MgO-Al2O3-SiO2. In: Lithos. Band5, 1972, S.125–129, doi:10.1016/0024-4937(72)90064-3.
12Dean C. Presnall:Phase Diagrams of Earth-Forming Minerals. In: Mineral physics and crystallography: a handbook of physical constants. 1995, S.252–273 (citeseerx.ist.psu.edu[PDF; 24,1MB; abgerufen am 19.Mai 2019]).
↑J. F. Sarver, F. A. Hummel:Stability Relations of Magnesium Metasilicate Polymorphs. In: Journal of the American Ceramic Society. Band45, 1962, S.152–156, doi:10.1111/j.1151-2916.1962.tb11110.x.
