Springer-Lehrbuch

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Siegfried Matthes

MINERALOGIE Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde

Sechste, völlig überarbeitete und erweiterte Auflage

Mit 185 Abbildungen, 2 Tafeln und 42 Tabellen

Springer

Professor Dr. SIEGFRIED MATTHES t Professor Dr. MARTIN OKRUSCH Institut für Mineralogie Universität Würzburg Am Hubland 97074 Würzburg

ISBN 978-3-540-67423-8 ISBN 978-3-662-08768-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-08768-8

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Matthes, Siegfried: Mineralogie : eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde I Siegfried Matthes. Unter Mitarb. von Martin Okrusch. - 6. Aufl. - Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris ; Singapur ; Tokyo : Springer, 2001

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983, 1987, 1990, 1993, 1996,2001

Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001.

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Einbandgestaltung: Design & Production, Heidelberg Satz: Appl, Wemding

Gedruckt auf säurefreiem Papier - SPIN 10984444 32/3111 as-S 4321

Vorwort zur 6. Auflage

SIEGFRIED MATTHES war es nicht vergönnt, das Erscheinen der 6. Auflage seines er­folgreichen Mineralogie-Lehrbuches zu erleben: Am 2. Mai 1999 starb er nach kurzer schwerer Krankheit im 86. Lebensjahr. Bis zuletzt hat er sich mit seinem Lehrbuch auseinandergesetzt, hat um die Aktualisierung des Inhalts und um die bestmögliche didaktische Darstellung gerungen. Fast bis zu seinem Tode arbeitete er an der neuen Auflage, die zur Gänze seine Handschrift trägt.

Vollständig neu gestaltet hat MATTHES das Kapitel über die Granitgenese und ihre experimentellen Grundlagen, in das wichtige neue Ergebnisse der experimentellen Petrologie eingearbeitet wurden. Im gesamten Buch werden jetzt konsequent die in­ternationalen Mineralnamen anstelle der traditionellen deutschen Bezeichnungen verwendet.

Mir blieb die Aufgabe, nochmals die Konsistenz der Textänderungen zu überprü­fen sowie formale Korrekturen und Verbesserungen vorzunehmen. Das geschah in enger Abstimmung mit Frau HEIKE MATTHES, die ihrem Vater bei der Gestaltung der 6. Auflage zur Seite stand, und mit Herrn Dr. WOLFGANG ENGEL vom Springer­Verlag. Herrn Professor Dr. WOLFGANG SCHUBERT danke ich für wervolle Anregun­gen, Herrn KLAUS-PETER KELBER für die Reinzeichnung der neuen und die Korrek­tur einiger alter Abbildungen. Besonderer Dank gebührt wiederum einer Reihe von Fachkollegen, die durch ihre konstruktive Kritik zur Verbesserung von Textpassagen beigetragen haben.

Wir übergeben die 6. Auflage des "MATTHES" in der Hoffnung, daß das Buch neue Freunde unter den Studierenden der Mineralogie, Geologie und anderer Geowissen­schaften, aber auch unter interessierten Mineraliensammlern finden möge. In einer Zeit, in der sich die geowissenschaftlichen Studiengänge an den deutschen Universi­täten im Umbruch befinden, kann das hier vorgelegte Werk sicher dazu beitragen, daß die Mineralogie wie bisher als eigenständige Stimme im Gesamtkonzertkonzert der Geowissenschaften zu hören ist.

Würzburg, im März 2000 Martin Okrusch

Vorwort zur 5. Auflage

Das Buch hat einen neuen Umschlag bekommen. Der Initiative von Herrn Dr. WOLF­GANG ENGEL und seinem Team vom Springer-Verlag ist zu danken, daß auch die An­ordnung des Textes ein neues, ansprechenderes Layout erfahren hat, mit dem Ziel, die Annahme des Buches als Lernhilfe noch weiter zu verbessern. In diesem Zusam­menhang war es möglich, elf der bisher als Strichzeichnungen gebrachten Dünn­schliffbilder von Gesteinen durch Farbbilder mit größerer Aussagekraft auszutau­schen.

Inhaltlich wurde der Text der neuen Auflage überarbeitet und an zahlreichen Stel­len aktualisiert oder ergänzt. Wo immer möglich, wurden dabei Anregungen und Kritik von Benutzern oder Rezensenten berücksichtigt. Auch diesen ungenannten Helfern ist zu danken.

Im Teil I, Spezielle Mineralogie, wurden einige Minerale hinzugefügt: so unter Kap 3.5 die nichtmetallischen Sulfide Realgar und Auripigment, unter Kap.8 in Er­gänzung der Apatitgruppe die Minerale Vanadinit und Mimitesit, unter Kap. 9.2 das Sorosilikat Vesuvian. Außerdem ist der Text von Kap. 10 über die Flüssigkeitsein­schlüsse in Mineralen von Herrn Priv.-Doz. Dr. REINER KLEMD erweitert und nach der genetischen Seite hin vertieft worden unter Hinzunahme des P-T -Diagramms (Abb.83). Gleichzeitig wurde Abb. 82 c durch eine instruktivere Strichzeichnung aus­getauscht. Für diese Verbesserungen gebührt Herrn KLEMD, Bremen, mein besonde­rer Dank.

Auch im Teil II, Petrologie und Lagerstättenkunde, Kap. 11, Die magmatische Ab­folge, wurden an verschiedenen Stellen Ergänzungen und Aktualisierungen einge­bracht, die hier im einzelnen nicht aufgeführt werden.

Bei der vorliegenden Neuauflage des Buches wurde mir vom hiesigen Institut vielseitige Hilfe zuteil. Hier gilt mein besonderer Dank wiederum meinen Kollegen, Herrn Prof. MARTIN ÜKRUSCH und Herrn Prof. WOLFGANG SCHUBER'f. Herzlich danke ich auch Herrn KLAus-PETER KELBER für seine Mühe bei der Reinzeichnung der hinzugekommenen Abbildungen und v. a. für seine unentbehrliche Hilfe bei der Erstellung der Farbaufnahmen.

Würzburg, im Mai 1996 SIEGFRIED MATTHES

Vorwort zur 4. Auflage

Die Flut alljährlich hinzukommender neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse kann nicht ohne Auswirkung auf den potentiellen Lehr- und Lernstoff in der Mineralogie sein. Der Autor ist aufrichtig darum bemüht, weittragende wissenschaftliche Ergeb­nisse in das tradierte Grundwissen dieses Lehrbuches einfließen zu lassen. Dabei soll in allen Fällen der einführende Charakter des Buches gewahrt bleiben. Zu spe­zielle und auf schwierigeren Voraussetzungen begründete Fakten sollten besser dem Aufbaustudium vorbehalten bleiben.

Der Text der vorliegenden Neuauflage ist erneut überarbeitet und an mehreren Stellen verändert worden. Wo immer möglich, wurden Anregungen und Kritik von Benutzern und Rezensenten berücksichtigt. Im Teil 11: Petrologie und Lagerstätten­kunde wurde eine stärkere Einbindung des tradierten Grundwissens in die moderne Globaltektonik angestrebt. So ist innerhalb des Kapitels A. Die magmatische Abfolge der Text durch hinzugekommene Abschnitte über die Magmenbildung, die Globale Verbreitung der Basalte und eine jetzt zunehmend gebräuchliche Einteilung der Gra­nite auf geochemischer Basis erweitert worden. Innerhalb des Kapitels C. Die Ge­steinsmetamorphose sind Abschnitte über Hochdruck-Minerale als Geobarometer und über die Anwendung der Druck-Temperatur-Zeit-Pfade hinzugekommen. Die neuen Texte sind durch 7 neue Abbildungen illustriert worden.

Wiederum habe ich mich auch bei dieser Neuauflage des Buches für die fördernde Hilfe aus dem hiesigen Mineralogischen Institut zu bedanken. Herr Prof. MARTIN OKRUSCH besorgte die kritische Durchsicht des erweiterten Manuskriptes. Herr Prof. WOLFGANG SCHUBERT gab wertvolle Ratschläge zur Stoffauswahl des Kapitels A. Die magmatische Abfolge. Herr Prof. ARMIN KIRFEL half bei der fallweise notwen­digen Korrektur in der Verwendung der Begriffe Kristallstruktur/Kristallgitter im Teil I Spezielle Mineralogie. Herr KLAus-PETER KELBER hat auch bei dieser Auflage die Umzeichnung der neu hinzugekommenen Abbildungen vorgenommen.

Prof. WERNER SCHREYER, Bochum, gab dankenswerterweise seine Zustimmung zur Übernahme der Figuren 2, 7 und 11 aus seiner einschlägigen Review-Arbeit (SCHREYER, 1988). Zur Abb.143 stellte er das Original-Foto zur Verfügung.

Schließlich möchte ich dem Springer-Verlag, namentlich Herrn Dr. WOLFGANG ENGEL, für die jederzeit vertrauensvolle Zusammenarbeit wiederum sehr herzlich danken.

Würzburg, im Mai 1993 SIEGFRIED MATTHES

Vorwort zur 3. Auflage

Die 3. Auflage des Buches erscheint im Rahmen eines neuen Lehrbuchkonzeptes des Springer-Verlages. Hierzu wurde das Buch erneut kritisch durchgesehen. Wo immer möglich wurden Anregungen und Kritik von Benutzern und Rezensenten berück­sichtigt. Im Hinblick auf die zunehmende Beachtung ist unter 10. ein Abschnitt über Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen am Ende von Teil I hinzugekommen. Ein­schlüsse von Mineralen liefern wichtige Informationen über Entstehungsvorgänge und Bildungsbedingungen von Mineralen, Gesteinen und Lagerstätten. Der Inhalt dieses Abschnittes wurde dem einführenden Charakter des Buches angepaßt. Für ein vertiefendes Studium der physikochemischen Grundlagen und der vielseitigen Untersuchungsmethoden sei auf das einschlägige Schrifttum im Literaturverzeichnis verwiesen.

Auch bei dieser Neuauflage wurde mir fördernde Hilfe aus dem hiesigen Institut zuteil. Dafür bin ich überaus dankbar. So verfaßte Herr Dr. REINER KLEMD den neu hinzugekommenen Abschnitt über Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen. Herr Prof. MARTIN OKRUSCH half bei der Durchsicht des Buches mit fundierten Anregun­gen.

Nicht zuletzt möchte ich dem Springer-Verlag für die gute Zusammenarbeit dan­ken.

Würzburg, im Januar 1990 SIEGFRIED MATTHES

Vorwort zur 2. Auflage

Nach einem relativ kurzen Zeitraum ist eine Neuauflage des Buches notwendig ge­worden. Hierzu wurde das ganze Buch kritisch durchgesehen, Anregungen und Kri­tik von Benutzern und Rezensenten weitgehend berücksichtigt. Mängel wurden be­hoben, neue Erkenntnisse eingebracht. Darüberhinaus sind einige umfassendere Än­derungen und Ergänzungen vorgenommen worden unter einer geringen Vermeh­rung der Zahl der Abbildungen im Text. Dadurch vergrößerte sich der Umfang des Buches um 27 Seiten.

So ist ein Abschnitt über Magmatismus, erzbildende Prozesse und Plattentektonik dem Teil III des Buches hinzugefügt worden, denn aus der modernen Globaltektonik sind grundlegende neue Erkenntnisse für die Entstehung von Magmen und die Bil­dung von Erzlagerstätten hervorgegangen. Magmatische Gesteine mit Schlüsselstel­lung, wie Karbonatite und Komatiit, wurden im Teil II, Abschnitt A Die magmatische Abfolge, aufgenommen. Die grundlegende Bedeutung der neuentdeckten Hoch­druck-Paragenesen und ihre Ableitung aus Vorgängen der Plattentektonik wird bei der Besprechung der metamorphen Facies im Abschnitt C Die Gesteinsmetamorpho­se gewürdigt. Als eine wünschenswerte methodische Ergänzung des Abschnitts C wird nunmehr unter den graphischen Darstellungen metamorpher Mineralparagene­sen neben den ACF- und A'KF-Diagrammen auch das AFM-Diagramm anhand von drei Abbildungen besprochen. Weiterhin ist der Abschnitt Das hydro thermale Stadi­um im Teil II, A Die magmatische Abfolge in wesentlichen Passagen abgeändert wor­den. Damit wurde die Gliederung nach dem klassischen Schema der "Formationen" aufgegeben. Die verbliebene Einteilung nach temperaturabhängigen Paragenesen­gruppen und geologischen Strukturtypen (Gänge, Imprägnationen, metasomatische Körper) ist nicht mehr ausschließlich magmatisch orientiert. Dabei wurde der gene­tische Zusammenhang mit dem magmatischen Geschehen, wenn vertretbar, ge­wahrt. Die Ausführung über den vulkano-sedimentären Lagerstättentyp erfuhr eine Vertiefung.

Auch bei der Neuauflage wurde mir aus dem hiesigen Institut vielseitige Hilfe zuteil. Herr Prof. MARTIN ÜKRUSCH besorgte die kritische Durchsicht der neuen Manuskriptteile. Seine Anregungen waren mir wiederum eine wertvolle Hilfe. Herr Prof. PETER RICHTER beriet mich bei der Neugestaltung des Abschnitts über die hydro thermalen Lagerstätten, Herr Prof. EKKEHART TILLMANNS bei mehreren kristallstrukturellen bzw. kristallchemischen Fragen. Herr KLAUS-PE­TER KELBER hat sich mit der Reinzeichnung der hinzugekommenen Abbildun­gen wiederum viel Mühe gemacht. Allen sei für die gewährte Hilfe herzlich ge­dankt!

X Vorwort zur 2.Auflage

Darüber hinaus gilt zahlreichen Fachgenossen mein aufrichtiger Dank, die mir nach Durchsicht der ersten Auflage des Buches mit ihren kritischen Anregungen ge­holfen oder mich durch ihre Zustimmung ermutigt haben.

Nicht zuletzt möchte ich dem Springer-Verlag für die auch bei der zweiten Aufla­ge jederzeit gewährte vertrauensvolle Zusammenarbeit herzlich danken!

Würzburg, im Mai 1987 SIEGFRIED MATTHES

Vorwort zur 1. Auflage

Das vorliegende Buch ist eine Einführung in die Mineralogie, Petrologie und Lager­stättenkunde auf genetischer Grundlage. Es widmet sich dem speziellen Teil des Fa­ches, wobei Grundkenntnisse aus dem allgemeinen Teil - der allgemeinen Mineralo­gie und der Kristallographie - vorausgesetzt werden. Darüber hinaus sind neben geologischen Kenntnissen Grundlagen der allgemeinen, anorganischen und physika­lischen Chemie an vielen Stellen sehr nützlich.

Im einleitenden Teil werden wichtige Begriffe erläutert und definiert. Im Teil I folg­te eine Auswahl der häufigsten Minerale in übersichtlicher Form und in Anlehnung an die Systematik von H. STRUNZ. Teil II ist der Petrologie und Lagerstättenkunde ge­widmet. Er gliedert sich: A in die magmatische Abfolge mit Systematik und Genese der magmatischen Gesteine einschließlich der Mineral- und Lagerstättenbildung, die mit magmatischen Vorgängen im Zusammenhang steht, B in die sedimentäre Abfolge mit den Verwitterungsprodukten, Sedimenten und Sedimentgesteinen einschließlich der Mineral- und Lagerstättenbildung, C die Gesteinsmetamorphose einschließlich der Ultrametamorphose und der Metasomatose. Ein abschließender Teil III widmet sich dem Stoffbestand von Erde und Mond und in einem kurzen Abschnitt auch den Meteoriten. Den einschlägigen experimentellen Zustandsdiagrammen - Ein-, Zwei­und Drei-Komponentensystemen - wird der ihnen ihrer Bedeutung nach zukommen­de Raum gewährt. An allen möglichen Stellen finden sich Hinweise auf die technisch­wirtschaftliche Bedeutung der Minerale, Gesteine und Lagerstätten als Rohstoffe.

Das Buch ist aus Vorlesungen und übungen hervorgegangen, die der Verfasser im Laufe der Zeit seit 1950 an den Universitäten Frankfurt (M) und Würzburg durchge­führt hat. So ist der Inhalt des Buches in erster Linie den Bedürfnissen des Unter­richts an Universitäten und Hochschulen angepaßt. Getroffene Auswahl und Umfang des Stoffes dieses speziellen Teiles des Faches entsprechen nach Ansicht des Verfas­sers weitgehend dem Lehrauftrag für das Grundstudium in Mineralogie. Für Studie­rende der Geologie und andere Studierende, die Mineralogie als Neben- bzw. Beifach wählen, dürfte das Buch auch bei den Anforderungen im Hauptstudium (Aufbaustu­dium) hilfreich sein. In allen Fällen kann es in Verbindung und zur Ergänzung von Vorlesungen und Übungen genutzt werden. Für das Weiterstudium und als Quellen­nachweis ist am Schluß des Buches ein Verzeichnis wichtiger Lehrbücher und Mono­graphien aufgenommen worden. Das Buch richtet sich auch an diejenigen, die dem Fach Interesse entgegenbringen, um sich Grundkenntnisse zu erwerben oder es be­ruflich als Informationsquelle zu nützen. Verlag und Verfasser möchten glauben, daß das vorliegende Buch innerhalb des deutschsprachigen Schrifttums eine derzeit spürbare Lücke schließen hilft.

XII Vorwort zur l.Auflage

Die Kristallbilder sind dem Atlas der Kristallformen von V. GOLDSCHMIDT, die Kristallstrukturen großenteils dem Strukturbericht entnommen und umgezeichnet worden. Die meisten Diagramme und Strichzeichnungen stammen aus dem zitierten Schrifttum, teilweise vereinfacht, andere ergänzt. Die Zahl der Autotypien wurde mit Rücksicht auf die Preisgestaltung des Buches niedrig gehalten.

Bei der Fertigung des Buches erfuhr ich aus dem hiesigen Institut mannigfaltige Hilfe. Herr Prof. MARTIN OKRUSCH übernahm die kritische Durchsicht des Manu­skriptes. Seine Ratschläge wurden als substantielle Verbesserungen dankbar aner­kannt. Darüber hinaus gewährte er mir freundliche Hilfe beim Lesen der Korrektur. Herr KLAUS MEZGER vom hiesigen Institut unterstützte mich bei der Fertigung des Registers. Herr KLAUS-PETER KELBER hat sich mit der sorgfältigen Ausführung der Zeichnungen und allen Mineralfotos große Verdienste um das Buch erworben. Die Originalaufnahmen zu den Abbildungen 145 und 146 stellte Herr Prof. K. R. MEH­NERT, Berlin, freundlicherweise zum Abdruck zur Verfügung. Die Fotos der Abb.92 und 93 stammen vom Verfasser. Meine Tochter HEIKE hatte die lästige Aufgabe der Reinschrift des Manuskriptes übernommen. Allen sei für die gewährte Hilfe herzlich gedankt!

Schließlich habe ich dem Verlag für die jederzeit vertrauensvolle Zusammenar­beit, die Ausstattung des Buches und dessen erschwinglichen Preis zu danken, Herrn Dr. KONRAD F. SPRINGER für sein stets förderndes Interesse und Herrn Dr. DIETER HOHM für Mühewaltung und Umsicht während dieser Zusammenarbeit.

Würzburg, im Sommer 1983 SIEGFRIED MATTHES

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung und Grundbegriffe ........................... . 1.1 Der Mineralbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1.2 Mineralarten und Mineralvarietäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4 1.3 Vorkommen der Minerale, speziell als Bestandteile der Erdkruste ..... 4 1.4 Der Gesteinsbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6 1.5 Mineral- und Erzlagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 1.6 Mineralogische Wissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 1.7 Anwendungsgebiete der Mineralogie in Technik, Industrie und Bergbau. 8 1.8 Bestimmung von Mineralen mit einfachen Hilfsmitteln ............ 9

Teil I Spezielle Mineralogie

Zur Systematik der Minerale ............................. 13

2 Elemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 2.1 Metalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 2.2 Semimetalle (Metalloide, Halbmetalle) ........................ 22 2.3 Nichtmetalle.......................................... 23

2.3.1 Diamant und Graphit .............................. 25 2.3.1.1 Stabilität von Diamant und Graphit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29

3 Sulfide, Arsenide und komplexe Sulfide (Sulfosalze) . . . . . . . . . . .. 31 3.1 Metallische Sulfide mit Me:S > 1:1 ........................... 32 3.2 Metallische Sulfide und Arsenide mit Me:S = 1:1 ................. 34 3.3 Metallische Sulfide, Sulfarsenide und Arsenide mit Me:S ;; 1:2 . . . . . . .. 41 3.4 Komplexe Sulfide (Sulfosalze) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49

3.4.1 Fahlerzreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50 3.5 Nichtmetallische Sulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52

4 Oxide und Hydroxide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55 4.1 XzO-Verbindungen..................................... 56 4.2 Xz0 3-Verbindungen..................................... 56 4.3 XOZ- Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59

4.3.1 Die Quarz-Gruppe und andere Si02-Minerale . . . . . . . . . . . . .. 59 4.3.1.1 Einiges über ihre Kristallstrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59 4.3.1.2 Die Phasenbeziehungen im System Si02 • • • • • • • • • • • • • • • • •• 60

XIV Inhaltsverzeichnis

4.3.1.3 Tief-Quarz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 4.3.1.4 Hoch-Quarz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69

4.4 XY204-Verbindungen: Die Spinell-Magnetit-Chromit-Gruppe. . . . . . . .. 75 4.5 Hydroxide........................................... 77

5 Halogenide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79

6 Karbonate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83 6.1 Die Calcitreihe, 321m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84 6.2 Die Aragonitreihe, 21m21m21m ........................... " 89 6.3 Die Dolomitreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93 6.4 Malachit~Azurit-Gruppe.................................. 95

7 Sulfate und Wolframverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97 7.1 Sulfate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98 7.2 Wolframverbindungen ................................... 101

8 Phosphate, Arsenate, Vanadate ........................... 105

9 Silikate . ............................................ 109 9.1 Nesosilikate (silikatische Inselstrukturen) ...................... 113

9.1.1 Die Al2SiOs-Gruppe ................................ 119 9.2 Sorosilikate (silikatische Gruppenstrukturen) ................... 123 9.3 Cyclosilikate (silikatische Ringstrukturen) ..................... 125 9.4 Inosilikate (Ketten- und Doppelkettensilikate) ................... 128

9.4.1 Die Pyroxen-Gruppe ............................... 129 9.4.2 Die Amphibol-Gruppe .............................. 137 9.4.2.1 Anthophyllit und Cummingtonit-Grünerit-Reihe ............ 138 9.4.2.2 Tremolit-Ferroaktinolith-Reihe ........................ 138 9.4.2.3 Natronamphibolreihe ............................... 140

9.5 Phyllosilikate (Schicht- bzw. Blattsilikate) ...................... 140 9.5.1 Talk-Pyrophyllit-Gruppe ............................ 142 9.5.2 Glimmer-Gruppe .................................. 144 9.5.3 Chlorit-Gruppe ................................... 146 9.5.4 Serpentin-Gruppe ................................. 146 9.5.5 Tonmineral-Gruppe ................................ 148

9.6 Tektosilikate (silikatische Gerüststrukturen) .................... 150 9.6.1 Die Feldspäte .................................... 151 9.6.1.1 Das System der Feldspäte ............................ 151 9.6.1.2 Die bekanntesten Zwillingsgesetze der Feldspäte ............ 159 9.6.1.3 Die Alkalifeldspäte (K,Na) [AISi30 s] .................... 161 9.6.1.4 Die Plagioklase ................................... 164 9.6.2 Feldspatoide (Foide, Feldspatvertreter) ................... 166 9.6.2.1 Feldspatoide ohne tetraederfremde Anionen ............... 166 9.6.2.2 Feldspatoide mit tetraederfremden Anionen: Sodalithreihe ..... 168 9.6.3 Die Zeolith-Gruppe ................................ 169

10 Flüssigkeitseinschlüsse in Mineralen ....................... 173

Inhaltsverzeichnis XV

Teil 11 Petrologie und Lagerstättenkunde

11 Die magmatische Abfolge ............................... 183 11.1 Die magmatischen Gesteine (Magmatite) ...................... 183

11.1.1 Einteilung und Klassifikation der magmatischen Gesteine .... 184 11.1.1.1 Zuordnung nach der geologischen Stellung . . . . . . . . . . . . . . 184 11.1.1.2 Zuordnung nach dem Gefüge ....................... 185 11.1.1.3 Klassifikation nach dem Mineralbestand ................ 185 11.1.1.4 Chemismus, CIPW-Norm und NIGGLI-Werte ............. 190 11.1.2 Die Petrographie der Magmatite ..................... 196 11.1.2.1 Die Kalkalkalimagmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 11.1.2.2 Die Alkalimagmatite .............................. 206 11.1.2.3 Karbonatite und lamprophyrartige Gesteine ............. 210 11.1.2.4 Häufigkeit der magmatischen Gesteine ................. 212 11.1.2.5 Pyroklastische Gesteine (Pyroklastika) ................. 212 11.1.3 Die geologischen Körper der magmatischen Gesteine ....... 215 11.1.3.1 Einteilung der Vulkane ............................ 215 11.1.4 Magma und Lava ................................ 219 11.1.4.1 Die Viskosität der Lava ............................ 220 11.1.4.2 Temperaturen der Laven und der Magmen der Tiefe ........ 222 11.1.4.3 Die Gase im Magma .............................. 223 11.1.5 Die magmatische Differentiation ..................... 224 11.1.5.1 Die gravitative Kristallisationsdifferentiation ............. 224 11.1.5.2 Das Reaktionsprinzip von BOWEN .................... 225 11.1.6 Magmenbildung ................................ 229 11.1.6.1 Magmatische Kristallisationsdifferentiation .............. 229 11.1.6.2 Aufschmelzung ................................. 231 11.1.6.3 Kontamination ................................. 232 11.1.6.4 Magmenmischung ............................... 233 11.1.6.5 Entmischung im schmelzflüssigen Zustand .............. 233 11.1.7 Die experimentellen Modellsysteme ................... 233 11.1.7.1 Das System Diopsid - Anorthit ...................... 234 11.1.7.2 Das System Diopsid - Anorthit - Albit ................. 236 11.1.7.3 Das System Diopsid - Forsterit - Si02 ••••••••••••••••• 240 11.1.8 Die Herkunft des Basalts ........................... 243 11.1.8.1 Das Basalttetraeder von YODER und TILLEY .............. 243 11.1.8.2 Die globale Verbreitung der Basalte ................... 245 11.1.8.3 Die Bildung basaltischer Schmelzen aus Mantelperidotit ..... 246 11.1.8.4 Die geologischen Beziehungen des Basalts zum Oberen

Erdmantel ..................................... 247 11.1.9 Die Herkunft des Granits .......................... 250 11.1.9.1 Genetische Einteilung der Granite auf geochemischer Basis ... 250 11.1.9.2 Zur Granitgenese, experimentelle Grundlagen ............ 252 11.1.9.3 Zur Entstehung nichtmagmatischer Granite .............. 263

11.2 Mineral- und Lagerstättenbildung, die mit magmatischen Vorgängen im Zusammenhang steht ................................. 264 11.2.1 Zustandsdiagramm der magmatischen Abfolge ........... 264

XVI Inhaltsverzeichnis

11.2.2 Das magmatische Frühstadium ...................... 267 11.2.2.1 Gravitative Kristallisationsdifferentiation und Akkumulation .. 267 11.2.2.2 Liquation, Entmischung von Sulfidschmelzen ............ 268 11.2.2.3 Liquation unter Beteiligung leichtflüchtiger Komponenten .... 271 11.2.3 Das magmatische Hauptstadium ..................... 271 11.2.4 Das pegmatitische Stadium ......................... 271 11.2.5 Das pneumatolytische (hypothermale) Stadium ........... 274 11.2.5.1 Die pneumatolytischen Zinnerzlagerstätten .............. 275 11.2.5.2 Die pneumatolytischen Wolframlagerstätten ............. 278 11.2.5.3 Die pneumatolytischen Molybdänlagerstätten ............ 278 11.2.5.4 Kontaktpneumatolytische Verdrängungslagerstätten ........ 279 11.2.6 Das hydro thermale Stadium ........................ 279 11.2.6.1 Einteilung der hydrothermalen Bildungen ............... 280 11.2.6.2 Intrakrustale hydrothermale Lagerstätten ............... 281 11.2.6.3 Katathermale Paragenesengruppen .................... 284 11.2.6.4 Mesothermale Paragenesengruppen ................... 288 11.2.6.5 Epithermale Paragenesengruppen ..................... 292 11.2.6.6 (Tele)thermale Paragenesengruppen ................... 293 11.2.6.7 Nichtmetallische hydrothermale Lagerstätten ............. 295 11.2.7 Mineralbildende Vorgänge, die genetisch zum Vulkanismus

gehören ...................................... 297 11.2.7.1 Spät- und nachvulkanisches Stadium .................. 297 11.2.7.2 Die Produkte der Fumarolen ........................ 297 11.2.7.3 Vulkanosedimentäre Lagerstätten ..................... 298

12 Die sedimentäre Abfolge, Sedimente und Sedimentgesteine ..... 301 12.1 Die Verwitterung und die mineralbildenden Vorgänge im Boden ...... 301

12.1.1 Die mechanische Verwitterung ...................... 301 12.1.2 Die chemische Verwitterung ........................ 302 12.1.2.1 Die Agenzien der chemischen Verwitterung .............. 302 12.1.2.2 Das Verhalten ausgewählter Minerale bei der chemischen

Verwitterung ................................... 303 12.1.3 Subaerische Verwitterung und Klimazonen .............. 307 12.1.4 Zur Abgrenzung des Begriffs Boden ................... 308 12.1.5 Verwitterungsbildungen, Verwitterungslagerstätten ......... 308 12.1.5.1 Residualtone, Kaolin ............................. 308 12.1.5.2 Bentonit und seine Verwendung ...................... 309 12.1.5.3 Bauxit und seine Vorkommen ....................... 309 12.1.5.4 Laterit und Basalteisenstein ......................... 310 12.1.5.5 Nickelhydrosilikaterze ............................ 311 12.1.5.6 Metallkonzentrationen in ariden Schuttgesteinen .......... 311 12.1.5.7 Die Verwitterung sulfidischer Erzkörper ................ 312 12.1.5.8 Mineralneubildungen innerhalb der Oxidationszone

von Erzkörpern ................................. 316 12.2 Sedimente und Sedimentgesteine ............................ 317

12.2.1 Grundlagen .................................... 318 12.2.1.1 Einteilung der Sedimente und Sedimentgesteine ........... 318

12.2.1.2 12.2.2 12.2.2.1

Inhaltsverzeichnis XVII

Das Gefüge der Sedimente und Sedimentgesteine .......... 318 Die klastischen Sedimente und Sedimentgesteine .......... 319 Transport und Ablagerung des bei der Verwitterung entstandenen klastischen Materials .................... 320

12.2.2.2 Chemische Veränderungen während des Transports ........ 321 12.2.2.3 Metallkonzentrationen am Ozeanboden ................ 321 12.2.2.4 Korngrößenverteilung bei klastischen Sedimenten und ihre

Darstellung .................................... 321 12.2.2.5 Diagenese der klastischen Sedimentgesteine ............. 322 12.2.2.6 Konkretionen als Bestandteile pelitischer Sediment-

gesteine ...................................... 325 12.2.2.7 Einteilung der Psephite und Psammite ................. 325 12.2.2.8 Schwerminerale in den Psammiten .................... 328 12.2.2.9 Fluviatile und marine Seifen ........................ 329 12.2.2.10 Einteilung der Pelite .............................. 331 12.2.2.11 Diagenese von silikatischen Stäuben und Schlämmen

zu Silt- und Tonsteinen ............................ 333 12.2.2.12 Das Spätstadium der Diagenese, Übergang zur

niedriggradigen Metamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 12.2.3 Die chemischen Sedimente (Ausscheidungssedimente) ...... 334 12.2.3.1 Die karbonatischen Sedimente und Sedimentgesteine ....... 335 12.2.3.2 Die eisenreichen Sedimente und sedimentären

Eisenerze ..................................... 339 12.2.3.3 Kieselige Sedimente und Sedimentgesteine .............. 341 12.2.3.4 Sedimentäre Phosphatgesteine ....................... 343 12.2.3.5 Evaporite (Salzgesteine) ........................... 344

13 Die Gesteinsmetamorphose .............................. 351 13.1 Grundlagen .......................................... 351

13.1.1 Abgrenzung der Metamorphose von der Diagenese ........ 351 13.1.2. Zur Kennzeichnung metamorpher Produkte ............. 352 13.1.3 Auslösende Faktoren ............................. 352 13.1.3.1 Temperatur und Druck ............................ 352 13.1.3.2 Herkunft der thermischen Energie .................... 352 13.1.3.3 Die Wirkung des Drucks ........................... 353 13.1.3.4 Die Rolle des Chemismus .......................... 355 13.1.3.5 Die retrograde Metamorphose ....................... 355

13.2 Das geologische Auftreten der Gesteinsmetamorphose und ihrer Produkte ............................................ 356 13.2.1 Die Kontaktmetamorphose und ihre Gesteinsprodukte ...... 356 13.2.1.1 Die Kontaktmetamorphose an Plutonen ................ 356 13.2.1.2 Die Kontaktmetamorphose an magmatischen Gängen

und Lagergängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 13.2.2 Die Dislokationsmetamorphose (Dynamometamorphose)

und ihre Gesteinsprodukte ......................... 362 13.2.3 Die Regionalmetamorphose und ihre Gesteinsprodukte ..... 364 13.2.3.1 Die regionale Versenkungsmetamorphose ............... 364

XVIII Inhaltsverzeichnis

13.2.3.2 Die thermisch-kinetische Umkristallisationsmetamorphose (Thermodynamometamorphose ) (Regionalmetamorphose in Orogenzonen) ................................ 365

13.2.4 Die Ocean-floor(Ozeanboden)-Metamorphose ............ 366 13.3 Auswahl wichtiger metamorpher Gesteine ...................... 366

13.3.1 Kontaktmetamorphe Gesteine ....................... 367 13.3.2 Gesteinsprodukte der Dislokationsmetamorphose ......... 368 13.3.3 Gesteinsprodukt der Schockmetamorphose

(Stoßwellenmetamorphose) ......................... 368 13.3.4 Gesteinsprodukte der Regionalmetamorphose ............ 368

13.4 Zuordnungsprinzipien der metamorphen Gesteine ................ 374 13.4.1 Die Zoneneinteilung nach BARROW und TILLEY ........... 374 13.4.2 Die Zoneneinteilung nach BECKE, GRUBENMANN und

GRUBENMANN und NIGGLI ......................... 374 13.4.3 Das Prinzip der Mineralfacies nach ESKOLA ............. 375

13.5 Gleichgewichtsbeziehungen in metamorphen Gesteinen ............ 376 13.5.1 Die Feststellung des thermodynamischen Gleichgewichts .... 376 13.5.2 GIBBS - Phasenregel und die mineralogische Phasenregel

von GOLDSCHMIDT .............................. 377 13.6 Beispiele experimentell untersuchter metamorpher Reaktionen ....... 379

13.6.1 Die Wollastonitreaktion ........................... 379 13.6.2 Entwässerungsreaktionen .......................... 382 13.6.3 Polymorphe Umwandlungen und Reaktionen ohne

Entbindung einer fluiden Phase ...................... 384 13.7 Graphische Darstellung metamorpher Mineralparagenesen .......... 386

13.7.1 ACF- und A'KF-Diagramme ........................ 386 13.7.2 AFM-Diagramm ................................ 389

13.8 Klassifikation der metamorphen Gesteine nach ihrer Mineralfacies .... 392 13.8.1 Die Faciesserien ................................. 393 13.8.2 Die metamorphen Facies .......................... 395 13.8.2.1 Zeolith- und Prehnit-Pumpellyitfacies ................. 395 13.8.2.2 Grünschieferfacies ............................... 396 13.8.2.3 Epidot-Amphibolitfacies ........................... 399 13.8.2.4 Amphibolitfacies ................................ 400 13.8.2.5 Granulitfacies .................................. 402 13.8.2.6 Hornfelsfacies .................................. 404 13.8.2.7 Sanidinitfacies .................................. 406 13.8.2.8 Glaukophanschieferfacies .......................... 406 13.8.2.9 Eklogitfacies ................................... 408 13.8.2.10 Höchstdruckparagenesen .......................... 409

13.9 Einteilung nach Reaktionsisograden .......................... 410 13.10 Hochdruckminerale als Geobarometer ........................ 412 13.11 Druck-Temperatur-Zeit-Pfade .............................. 415 13.12 Gefügeeigenschaften und Gefügeregelung der metamophen Gesteine ... 418

13.12.1 Das kristalloblastische Gefüge ....................... 418 13.12.2 Die Gefügeregelung der metamorphen Gesteine ........... 419 13.12.2.1 Grundbegriffe .................................. 419

Inhaltsverzeichnis XIX

13.12.2.2 Kornregelung .................................. 419 13.12.2.3 Das Gefügediagramm ............................. 421 13.12.2.4 Haupttypen der Regelung .......................... 422 13.12.2.5 Homogene und nicht homogene Verformung ............. 423

13.13 Ultrametamorphose und die Bildung von Migmatiten ............. 426 13.13.1 Der Migmatitbegriff .............................. 426 13.13.2 Die Bildung von Migmatiten, experimentelle Grundlagen .... 428 13.13.3 Die stoffliche Bilanz bei der Entstehung von Migmatiten ..... 431

13.14 Metasomatose ......................................... 431 13.14.1 Kontaktmetasomatose ............................. 432 13.14.2 Autometasomatose ............................... 434 13.14.3 Die Spilite als Produkte einer Natronmetasomatose ........ 435 13.14.4 Die metasomatische Bildung granitischer Gesteine ......... 436

Teil 111 Stoffbestand und Bau von Erde und Mond

14 Die Erde ............................................ 441 14.1 Der Schalenbau ........................................ 441 14.2 Physikalische Eigenschaften und Alter ........................ 443 14.3 Die Erdkruste ......................................... 444

14.3.1 Die kontinentale Erdkruste ......................... 444 14.3.2 Die ozeanische Erdkruste .......................... 446

14.4 Der Erdmantel ........................................ 447 14.4.1 Der Obere Erdmantel ............................. 447 14.4.2 14.4.3

Die Übergangszone .............................. 449 Der Untere Erdmantel ............................ 451

14.5 Der Erdkern .......................................... 452

15 Magmatismus, erzbildende Prozesse und Plattentektonik ........ 453 15.1 Zur Theorie der Plattentektonik ............................ 453 15.2 Platten, Plattenbewegungen und Plattengrenzen .................. 453 15.3 Der Magmatismus der mittelozeanischen Rücken ................ 457 15.4 Der ozeanische Intraplattenmagmatismus außerhalb der

mittelozeanischen Rücken ................................. 459 15.s Der Magmatismus der Inselbögen und instabilen Kontinentalränder ... 460 15.6 Die kontinentalen Plateaubasalte (Trappbasalte, continental flood basalts) . 462 15.7 Der intrakontinentale Alkalimagmatismus an Riftzonen ............ 462 15.8 Die intrakontinentalen Kimberlit-Pipes ........................ 463 15.9 Der Magmatismus der alten Schilde .......................... 463

16 Aufbau und Stoffbestand des Monds ....................... 467 16.1 Die Kruste des Monds ................................... 467

16.1.1 Die Hochlandregion .............................. 468 16.1.2 Die Region der Maria ............................. 468 16.1.3 Die Minerale der Mondgesteine ...................... 469 16.1.4 Bedeutung für unsere Vorstellungen zur Erdentstehung ..... 469

XX Inhaltsverzeichnis

17 Die Meteorite ........................................ 471 17.1 Einteilung der Meteorite .................................. 471

Anhang . ................................................ 473

Literatur- und Quellenverzeichnis .............................. 477

Sachverzeichnis ........................................... 485