Autor Thema: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine  (Gelesen 11823 mal)

olaf.med

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Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« am: September 29, 2011, 13:20:09 Nachmittag »
Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine

Angeregt durch Holgers sehr schönen Beitrag über Saussuritisierung von Feldspäten möchte ich mich hier einmal im Detail einem wichtigen mineralogischen Thema widmen, bei dem es ganz offensichtlich doch einigen Informationsbedarf gibt und das die Erscheinungen in zersetzten Feldspäte sehr schön erklärt. Es handelt sich um den Zonarbau im physikalisch-chemischen Sinne.

Die Teilnehmer an der letzten Kornrade erinnern sich sicher, dass darüber eine hitzige Diskussion entbrannte, die wegen der Kürze der Zeit nicht zu aller Zufriedenheit beendet werden konnte, daher hier mein missionarischer Beitrag, hoffentlich leicht verdaulich präsentiert.

Zunächst aber hier einmal ein Bild eines zonar gebauten Feldspat-Kristalls um das Phänomen zu zeigen:



Als Zonarbau im physikalisch-chemischen Sinne bezeichnet man chemische Gradienten in Kristallen, also die Eigenschaft dass sie in verschiedenen Zonen chemisch unterschiedlich zusammengesetzt sind. Zonarbau setzt eine Mischbarkeit zwischen zwei chemisch verschiedenen Endgliedern voraus.  Das vielleicht einfachste mineralogische Beispiel ist die Reihe der Olivine zwischen den Endgliedern Forsterit (Mg2SiO4) und Fayalith (Fe2SiO4): Beide Endglieder haben genau die gleiche räumliche Anordnung der chemischen Bausteine. Da Mg2+ und Fe2+ kristallchemisch praktisch identisch sind – sie haben vergleichbaren Ionenradius und gleiche Wertigkeit – kann man beliebige Mengen der einen Ionensorte durch die andere ersetzen ohne dass der Kristall leidet. Lediglich die physikalisch-chemischen Eigenschaften ändern sich mit wechselnder Zusammensetzung, und damit auch die Optik. Diesen Ersatz einer Ionensorte durch eine andere nennt man übrigens leicht nachvollziehbar Substitution.

Um den ganzen Prozess der Mischkristallbildung und des Zonarbaus verstehen zu können, müssen wir einen kleinen Exkurs in die physikalische Chemie machen, aber keine Angst, es ist ganz einfach:

Im nachstehenden Diagramm bedeutet T die Temperatur und x die Zusammensetzung (hier der Einfachheit halber mit den Endgliedern A und B). Die roten Punkte auf den beiden Temperaturachsen sind die Schmelzpunkte dieser reinen Endglieder. Wenn wir in diesem Diagramm Beobachtungen bei einer festen Temperatur machen handelt es sich um sog. isotherme Schnitte, also um waagrechte Linien wie die gestrichelt eingezeichnete.



In einem Gedankenexperiment stellen wir uns nun einfach im Labor eine beliebige chemische Zusammensetzung zwischen den beiden Endgliedern her und erhitzen diese bis zur völligen Schmelze. Beim Olivin geht das nicht auf dem Ceran-Feld, da Temperaturen weit oberhalb von 1000 °C erforderlich sind, aber es gibt beliebig viele andere Systeme, bei denen der heimische Herd durchaus ausreichen würde. Nun lassen wir die Schmelze langsam abkühlen, bis ein erster winziger Kristall entsteht. Diesen entnehmen wir und auch gleichzeitig ein kleines Tröpfchen der Schmelze. Die Analyse der beiden Substanzen liefert eine Überraschung: beide sind chemisch deutlich unterschiedlich und ihre Zusammensetzung für drei verschiedene Isotherme ist mit roten Punkten für die Schmelzzusammensetzung und mit blauen Punkten für die der Kristalle eingezeichnet.



Macht man dies nun für viele verschiedene Schmelzzusammensetzungen erhält man eine Vielzahl von Punkten für koexistierende Schmelzen und Kristalle, die zwei Kurven in unserem Diagramm definieren. Auf der oberen Kurve liegen jeweils die Zusammensetzungen der Schmelzen und darüber existiert ausschließlich Schmelze – darum wird diese auch Liquidus-Kurve genannt. Auf der unteren liegen die Zusammensetzungen der Kristalle, daher heißt sie Solidus-Kurve, und darunter ist alles fest. Lediglich in dem schmalen Zigarren-artigen Feld zwischen der Solidus und der Liquidus existieren nebeneinander Kristall und Schmelze, aber zusammengehörige wohlgemerkt immer auf einer waagrechten Linie, der Isotherme.



Lässt man nun in einem geschlossenen System unter Gleichgewichtsbedingungen eine Schmelze abkühlen, müssen die Kristalle bei sinkenden Temperaturen pausenlos mit der Schmelze reagieren und ihre chemische Zusammensetzung neu angleichen. Die Zusammensetzungen der Schmelzen und der Kristalle sind mit dicken roten und blauen Pfeilen unten eingezeichnet. Diese Angleichung geschieht im Beispiel des Olivins sehr träge, da dauernd Magnesium-Ionen aus dem festen Kristall in die Schmelze wandern müssen und umgekehrt Eisen-Ionen deren Plätze einnehmen müssen. Den Vorgang nennt man Diffusion und er verlangt Bewegung (Kinetik). Geht das alles befriedigend vor sich, gibt es am Ende nur homogene Kristalle, die der Ausgangszusammensetzung der Schmelze entsprechen. Von den komplexen Abläufen an der Liquidus und Solidus ist gar nichts zu bemerken.



Soweit die Theorie. In der Natur haben wir (glücklicherweise – sonst wäre es langweilig) viel komplexere Bedingungen. Die Systeme sind selten geschlossen, oft werden bereits gebildete Kristalle, deren chemische Zusammensetzung, wie oben gezeigt, anders ist als die der Ausgangsschmelze, aus dem „Topf“ entfernt, indem sie herunterrieseln wie Teeblätter im Wasser oder nach oben schwimmen wie das Eis im Gin-Tonic. So ändert eine Gesteinsschmelze während der Kristallisation drastisch ihre Zusammensetzung - aus einem einzigen Stammmagma entstehen ganz verschiedene Gesteine. Diesen Vorgang nennt man Differentiation.

In aller Regel ist aber die Kristallisation auch viel schneller als die Diffusion, die der Gleichgewichtseinstellung dient. Daher werden bei höheren Temperaturen gebildete Kristalle von Schichten jüngerer Kristalle überwachsen. So entstehen zonar gebaute Kristalle wie der schematisch in der nächsten Zeichnung dargestellte.



Zonarbau ist also ein Zeichen von Ungleichgewicht und dokumentiert die Bedingungen in früheren Stadien der Gesteinsentwicklung! Die kundigen Wissenschaftler können daraus gleichsam detektivisch die Geschichte des Gesteins ableiten.

Nun zur Erklärung der saussuritisierten Feldspäte, die sich eigenartigerweise im Kern umgewandelt haben und außen noch völlig frisch sind (wir nennen sie auch gefüllte Feldspäte):



Diese Feldspäte (Plagioklase) sind Mischkristalle zwischen Albit (NaAlSi3O8) und Anorthit (CaAl2Si2O8). Die gekoppelte Substitution ist also:  Na+ + Si4+ gegen Ca2+ + Al3+. Da Anorthit einen viel höheren Schmelzpunkt hat, sind die Kerne dieser Kristalle immer Anorhit-reich und die Ränder Albit-reich. Anorthit ist aber geologisch viel instabiler als Albit, geht also bei der Verwitterung eher kaputt - es bilden sich Saussurite im Kern und damit die gefüllten Feldspäte.

Genug geschulmeistert; hier sind noch einige Bilder zonar gebauter Kristalle zur Ergötzung:

Epidot, Substitution von Al3+ - Fe3+



Olivin, Substitution von Mg2+ - Fe2+




Titanaugit. Nicht immer ist Zonarbau so einfach wie bei Olivin oder Plagioklas zu erklären. Hier ein sehr komplexes Beispiel mit vielen unterschiedlichen Kationen in gekoppelter Substitution



Glück Auf, Olaf

« Letzte Änderung: Oktober 11, 2011, 09:46:57 Vormittag von olaf.med »
Gerne per Du!

Vorstellung: http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=4757.0

... und hier der Link zu meinen Beschreibungen historischer mineralogischer Apparaturen:
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=34049.0

Bastian

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #1 am: September 29, 2011, 14:45:18 Nachmittag »
Hallo Olaf,
zunächst mal freut es mich ungemein hier im Forum seit einiger Zeit *endlich* mal ein paar mineralogische Themen zu sehen und freue mich darauf noch mehr zu sehen. Ich fand den Beitrag im Übrigen überhaupt nicht schulmeisterlich sondern sehr gelungen.
Glückauf,
Bastian

TPL

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #2 am: September 29, 2011, 15:12:55 Nachmittag »
Lieber Olaf,
Bastian spricht mir aus der Seele. Dein Beitrag ist nicht nur schön bebildert, sondern auch eine willkommene Auffrischung meines leicht eingerosteten Verständnisses für den Zonarbau. Sehr gelungen - danke!

herzliche Grüße, Thomas

Eckhard

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #3 am: September 29, 2011, 15:48:40 Nachmittag »
Hallo Olaf,

eine tolle Dokumentation - vielen Dank.

Herzliche Grüsse
Eckhard
Zeiss Axioscope.A1 (HF, DF, DIK, Ph, Pol, Epifluoreszenz)
Nikon SE2000U (HF, DIK, Ph)
Olympus SZX 12 (HF, DF, Pol)
Zeiss Sigma (ETSE, InLens SE)

www.wunderkanone.de
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treinisch

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #4 am: September 29, 2011, 15:54:43 Nachmittag »
Hallo Olaf,

sehr präzise und diszipliniert erklärt und liebevoll bebildert!
Vorbildlich, vielen Dank!

Eine echte Nachfrage hätte ich noch: Was genau bedeutet
geologisch instabil? Du schreibst Verwitterung. Ist damit also eine
chemische Reaktion mit Luft und Wasser beziehungsweise deren
sonstigen Dreingaben gemeint?

Viele liebe Grüße

 Timm
Gerne per Du!

Meine Vorstellung.

TPL

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #5 am: September 29, 2011, 16:33:09 Nachmittag »
Hallo Timm,
ich bin zwar nicht Olaf, aber Geologe ;D.
Die magmatischen Gesteine haben sich unter Bedingungen gebildet, die sich (aus geologischer Sicht) schon kurz nach ihrer Erstarrung - also teilweise innerhalb weniger Millionen Jahre ;) - stark geändert haben.

Ganz offensichtlich ist das bei Temperatur und Druck, aber gerade auch die Fluide des jeweiligen "Umfeldes" können sich stark in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Die Alteration magmatischer Gesteine setzt deshalb schon lange vor der Verwitterung im engeren Sinne (also der meteorischen / atmosphärischen Exposition) ein. Für das extrem weite Feld der Alteration haben sich aber, je nach Fachgebiet und Schwerpunkt, ganz unterschiedlich abgegrenzte Begriffe eingebürgert, darunter auch Verwitterung. (OK, Olaf?)

Glückauf!
Thomas
« Letzte Änderung: November 29, 2011, 10:10:06 Vormittag von TPL »

Holger Adelmann

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #6 am: September 29, 2011, 16:47:19 Nachmittag »
Klasse Beitrag Olaf,

und Du hast ja in Deinem Fundus wirklich tolle Bildbeispiele  :)

Ich werde mal meine kleine Schliff-Sammlung durchsehen, ob ich etwas ähnliches sehen kann.

Vielen Dank, meine Augen sind nun "geschärft"  ;D

Herzliche Grüsse
Holger

 

Bernhard Lebeda

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #7 am: September 29, 2011, 21:41:07 Nachmittag »
Lieber Olaf

vielen Dank für den schönen Beitrag!!

Ist schon als pdf abgespeichert!


Viele Grüße

Bernhard
Ich bevorzuge das "DU"

Vorstellung

olaf.med

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #8 am: September 30, 2011, 12:32:51 Nachmittag »
Liebe Freunde,

ich danke herzlich für die positive Reaktion auf meinen Thread. So war doch das Produkt meiner senilen Bettflucht offensichtlich Manchem hilfreich.

Thomas, danke, dass Du Timms Frage schon im Prinzip beantwortet hast. Ich möchte aber die Gelegenheit ergreifen, das noch einmal etwas ausführlicher zu tun, da man daran wiederum viel über Mineralogie und die Arbeitsweise der Mineralogen lernen kann.

Die Frage lautete: Was versteht man unter stabil bzw. instabil.

Jedes physikalisch-chemische System strebt nach  geringstem Energieinhalt -  ist dieser Zustand erreicht, nennt man das System stabil. Ein einfaches Beispiel erläutert das leicht verständlich.

Die bei  normalen Bedingungen stabile (d.h. energetisch günstige) kristalline Modifikation des Kohlenstoffs ist Graphit. Darin sind die Atome in einer speziellen Raumanordnung miteinander verknüpft. Übt  man nun äußere Zwänge auf den Kristall aus, ändert sich die Energiebilanz. Anders ausgedrückt: übe ich genügend Druck auf den Kristall aus, müssen die Atome immer dichter zusammenrücken,  bis sie sich schließlich in der Anordnung des Graphits nicht mehr wohlfühlen, das Gitter ordnet sich um, wobei Energie frei wird.  Es entsteht Diamant.

Im nachfolgenden Bild sieht man die Kristallstrukturen von Graphit  (links) und Diamant (rechts). Man erkennt unmittelbar, dass gleichviel  Atome im Diamantgitter einen wesentlich geringeren Raumbedarf haben als beim  Graphit - der Diamant ist die bei hohen Drucken stabile Modifikation.



(Randbemerkung zur Struktur: Im Graphit haben wir Kohlenstoff-6er-Ringe analog zu aromatischen organischen Verbindungen, im Diamant dagegen tetraedrische Anordnung durch die Bildung von sp3-Hybridorbitalen wie bei den aliphatischen Verbindungen. Daraus lassen sich alle Eigenschaften der so unterschiedlichen Kristalle ableiten, wie z.B. das elektrische Verhalten, die Härte, die Transparenz etc..)

Glücklicherweise gibt es - zumindest für das Geschmeide der Gattin - noch eine Besonderheit: reduziert man den Druck wieder, sollte sich eigentlich Diamant sofort wieder in Graphit umwandeln; das geschieht aber nicht immer, da man eine gewisse Aktivierungsenergie erst einmal ins System hineinstecken muss, damit die Umwandlung startet. So kann Diamant auch bei niedrigen Drucken erhalten bleiben, obwohl er sich in Graphit umwandeln sollte. Man spricht vom metastabilen Zustand.

Quintessenz:  Jede Substanz hat einen bestimmten physikalisch-chemischen Bereich, in dem sie stabil existiert. Werden diese Bedingungen überschritten, wird die Substanz instabil, kann aber evtl.  metastabil erhalten bleiben.

Bezogen auf die Mineralogie ergibt sich daraus eine außerordentlich wichtige Anwendung. Wir kennen heute die Stabilitätsbereiche aller wichtigen Minerale sehr genau aus Experimenten und Naturbeobachtungen und mathematischen Modellierungen. Aus dem Vorkommen einzelner Minerale und deren Umwandlungen, kann man nun die Entwicklungsgeschichte der Gesteine sehr genau ableiten.

Und dazu braucht man zwingend das Polarisationsmikroskop -  so etwas kann nur ein geschulter Betrachter und kein noch so ausgefeiltes und teueres Analysegerät!!!

Beispiele: Die wichtigsten physikalischen Parameter bei der Gesteinsbildung sind Druck und Temperatur. Diese stellt man in sog.  P-T-Diagrammen dar und zeichnet die Stabilitätsfelder relevanter Minerale ein. Im nachfolgenden Diagramm ist das für eine der einfachsten Umwandlungsreaktion, die besonders in metamorphen Gesteinen eine große  Rolle spielt, geschehen.



Sillimanit, Andalusit und Disthen sind drei verschiedene Minerale der gleichen chemischen Zusammensetzung (Al2SiO5). Ihre Stabilitätsfelder sind farbig  ausgelegt.

Hier ist nun ein mikroskopisches Bild eines Dünnschliffs (Photo von H.-P. Schertl).



Der rechteckige Querschitt ist ein Andalusit-Kristall, jedoch ist er fleckig unvollständig in ein anderes Mineral umgewandelt worden, das am deutlich höherem Relief (Brechungsindex) zu erkennen ist. Es handelt sich um Disthen und einen solchen Vorgang, bei dem sich der Mineralbestand ändert und die äußere Gestalt des ehemaligen Minerals erhalten bleibt, nennen wir eine Pseudomorphose.

Diese Gestein muß also notwendigerweise nach der Bildung des Andalusits höheren Drucken ausgesetzt worden sein, wobei Andalusit instabil wurde und sich daraus Disthen gebildet hat, also muss sich der Druck etwa so wie im Diagramm mit dem grünen Pfeil angedeutet, entwickelt haben. Mit anderen Worten: es wurde in größere Erdtiefen verfrachtet.

Meist verlaufen diese Mineralreaktionen nicht isochem (d.h. bei konstanter chemischer Zusammensetzung), sondern sind sehr komplex. Hier noch ein weiteres sehr anschauliches Beispiel, das nicht isochem ist (Photo wiederum von H.-P. Scherrtl):



Die relektischen Kristalle in der Bildmitte mit der gut erkennbaren Spaltbarkeit sind Jadeite (NaAlSiO6), die klaren Kristalle am Rand sind Quarze. Jadeit ist nur bei Drucken, wie sie etwa in einer Erdtiefe von 50 Kilometern entsprechen, stabil. Bei geringeren Drucken reagiert er mit Quarz zu Albit (Plagioklas - Feldspat). Die einfache Gleichung lautet NaAlSiO6 + SiO2 = NaAlSi3O8. Das ist genau das, was in der pelzig erscheinenden Reaktionszone um den Jadeit passiert ist. In diesem Gestein fand eine Druckentlastung nach der Bildung des Jadeits statt.

Glück Auf, Olaf
« Letzte Änderung: Mai 29, 2014, 14:30:19 Nachmittag von olaf.med »
Gerne per Du!

Vorstellung: http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=4757.0

... und hier der Link zu meinen Beschreibungen historischer mineralogischer Apparaturen:
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=34049.0

Stefan_O

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #9 am: September 30, 2011, 12:44:31 Nachmittag »
Hallo Olaf,

vielen Dank für die Einblicke! Sie treffen mein Hauptproblem bei der Erzmikroskopie: ich weiss, was ich sehe und kann es mit Messungen bestätigen, ich kann es aber nicht interpretieren. Zum Pol-Mikroskop gab es leider keinen geschulten Betrachter als Beigabe  :(. Ich hoffe, wir bekommen hier noch mehr davon zu sehen!

Liebe Grüsse,
Stefan

Fahrenheit

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Re: Zonarbau in Kristallen – Fenster in die Entwicklungsgeschichte der Gesteine
« Antwort #10 am: September 30, 2011, 13:47:38 Nachmittag »
Lieber Olaf,

auch von mir vielen Dank für den spannenden und sehr lehrreichen Thread!

Herzliche Grüße
Jörg
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