System Erde: Entwicklung und Dynamik: Mineralogie · Peridotit, Komateit, …) magmatischen Gesteinen und deren metamorphen Derivaten – Fe-Endglied: Fayalit (Fe 2SiO 4) in “meta-ironstones”

Zirkon

Polymorphie

• “Polymorphe Substanzen“ sind Elemente oder Verbindungen, die bei verschiedenen Druck-und Temperaturbedingungen Festkörper mit unterschiedlichen Kristallstrukturen ausbilden.

• Beispiel SiO2: Je nach Druck- und Temperaturbedingungen bildet SiO2 Festkörper mit unterschiedlichen Kristallstrukturen aus: α-Quarz, β-Quarz, Tridymit, Cristobalit, Coesit, Stishiovit.

Modifikationen einer polymorphen Substanz

• Die „Modifikationen einer Substanz“ sind die verschiedenen Phasen, die eine polymorphe Substanz ausbilden kann.

Beispiele für polymorphe Substanzen

Substanz chemische Formel Kohlenstoff C Graphit Diamant Alumosilikat Al2SiO5 Andalust Kyanit Sillimanit Kalium-Aluminium Silikat KAlSi3O8 Sanidin Orthoklas Mikroklin Eisen Disulfid FeS2 Pyrit Markasit

Polymorphe von SiO2

Stabilität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur

• Materie organisiert sich in der für die jeweils vorherrschenden Druck- und Temperaturbedingungen „energetisch“günstigsten Form.

• Der Energieinhalt einer Phase kontrolliert ob die Phase unter bestimmten P- und T Bedingungen stabil ist oder nicht.

• In der Mineralogie/Petrologie ist die Gibbs‘schefreie Energie die relevante Energiegrösse G = G(P,T), d.h. G ist eine Funktion von Druck und Temperatur.

Druck- und Temperaturabhängigkeit der Gibbs‘schen freien Energie

VPG

T

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂ S

TG

P

−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

G

P T

G

Das Molvlumen V und die molare Entropie S sind immer positive Grössen, d.h. die Gibbs‘sche freie Energie eines Minerals steigt mit zunehmendem Druck und fällt mit zunehmender Temperatur

Stabilitätskriterium - Minimale Gibbs‘sche freie Energie

• In einem System mit gegebener chemischer Zusammensetzung ist die jenige Phase oder Phasenassoziation stabil, die bei den gegebenen Druck (P) und Temperatur-bedingungen (T) den Zustand mit der geringste Gibbs‘schen freien Energie repräsentiert.

• Da die Gibbs‘sche freie Energie einer Phase als Funktion von P und T variiert, sind bei unterschiedlichen P-T Bedingungen unterschiedliche Phasen (Minerale, Flüssigkeiten, Gase, Schmelzen) oder Phasenassoziationen stabil.

Druckabhängigkeit der Mineralstabilität

P

G

α

αγ

β

γ

β

Vα > Vβ > Vγ

Mit zunehmendem Druck werden Phasen mit kleinem Molvolumen gegenüber Phasen mit grossem Molvolumen stabilisiert

Temperaturabhängigkeit der Mineralstabilität

T

G

α

α

γβ

γ

β

Sγ > Sβ > Sα

Mit zunehmender Temperatur werden Phasen mit grosser Entropie gegenüber Phasen mit kleiner Entropie stabilisiert

VAnd > VSil > VKya

SSil > SAnd > SKya

And

Sil

Kya

And

Kya

SilP

AndKya Sil

T

Al2SiO5 Modifikationen

Phasenübergänge

• Übergang von einem Polymorph in ein anderes - Phasenübergang

• displazive Phasenübergänge –Verformung bestehender Koordinationspolyeder – kein Aufbrechen oder Neubildung von Bindungen

• rekonstruktive Phasenübergänge –Umstellung des Bindungsgerüstes

P

T

Kyanit

Andalusit

Sillimanit

Al2SiO5 Modifikationen

Quarz Stishovite

Rekonstruktiver Phasenübergnang

C-Modifikationen

„diamonds are vor ever...“de Beers

2980

Be aware…!

Phasenübergang• Ordnungs- Unordnungs Phasenübergang:

Veränderung der Kationenverteilug in den Gitterplätzen

K-FeldspatSi – Al Verteilung auf Tetraederplätzen

Ordnungs- UnordnungsÜbergang

MineralklassenMineralklassen Erdkruste Mond Meteoriten

Silikate 883 37 73

Phosphate 352 5 13

Sulfate 293 - 13

Sulfosalze 256 - -

Sulfide, Selenide, Telluride 245 9 21

Oxide 212 20 26

Arsenate 198 - -

Hydroxide 180 1 2

Karbonate 165 1 3

Borate 128 - -

Elemente, intermetallische Verbindungen 82 7 13

Chloride, Oxychloride 82 1 2

Vanadate 64 - -

Arsenide, Antimonide, Wismutide 62 - -

Tellurite, -ate, Selenite, -ate 57 - -

Fluoride 42 - -

Organische Mineralien 30 1 1

Molybdate, Wolframate 25 - 2

Carbide, Phosphide, Nitride 17 3 11

Nitrate 15 - -

Jodate 8 - -

Chromate 6 - -

Bromide, Jodide 6 - -

Silicide 5 1 -

Gesamt 3413 85 175

Silikat StrukturenKlassifikationskriterium Polymerisierungsgradder SiO4 Tetraeder [SiO4]4- Tetraeder

Prinzipien des Kristallbaus

• 3. Pauling’sche Regel: Gemeinsame Flächen und Kanten zwischen Koordinationspolyedern erniedrigen die Stabilität der Struktur (zu kurze Kation-Kation Abstände).

• 4. Paulings’sche Regel: In einer Struktur mit verschiedenen Kationen teilen diejenigen mit hoher Valenz möglichst wenig gemeinsame Strukturelemente.

Silikat StrukturenKlassifikation nach Polymerisierungsgrad der SiO4 Tetraeder

[SiO4]4- isolierte Tetraeder Inselsilikate/Nesosilikate

Beispiele: Olivin, Granat, …

[Si2O7]6- Doppeltetraeder Sorosilikate/Disilikate

Beispiele: Lawsonit, Klinozoisit-Epidot, …

n[SiO3]2- Tetraederringe Ringsilikate/Cyclosilicatesn = 3, 4, 6

Beispiele: Benitoid BaTi[Si3O9]Axinite Ca3Al2BO3[Si4O12]OHBeryl Be3Al2[Si6O18]


Kettensilikate / Inosilikate[SiO3]2- Einfachketten [Si4O11]4- Doppelketten

Pyroxene, Pyroxenoide Amphibole


[Si2O5]2- eben vernetzte Tetraeder SchichtsilikateGlimmer, Talk, Tonminerale, Serpentin


TiefquarzTiefquarz

[SiO2] 3-dimensional vernetzte Tetraeder Gerüstsilikate/TectosilikateQuarz, SiO2 Modifikationen, Feldspäte, Feldspatvertreter, Zeolite

BytownitLabradorit

Oligoklas

Andesin

Albit

Olivin

Pyroxen

BiotitAmphibol

QuarzKalifeldspat

Muskovit

Granit/Rhyolit

Granodiorit/Dazit

Diorit/Andesit

Gabbro/Basalt

Bowen‘sche Kristallisationsreihe

Zune

hmen

de P

olym

erisi

erun

g

Olivin

Inselsilikat - Olivin

– [SiO4]4- isolierte Tetraeder – vierfach negative Nettoladung

– Ladungskompensation durch Einbau von zwei Fe2+ und/ oder Mg2+ Kationen pro [SiO4]4- Tetraeder

– Fe2+ und Mg2+ Kationen werden in Oktaederlückenuntergebracht

Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraederbb

cc

ProjektionProjektion

OlivinOlivin BlickrichtungBlickrichtung (100) (100) blaublau = M1 = M1 gelbgelb = M2= M2

Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraeder

bb

aa

M1 in M1 in ReihenReihenparallel parallel ccangeordnetangeordnet, , OktaederOktaeder mitmitgemeinsamengemeinsamenKantenKanten

M2 M2 OktaederOktaederbildenbilden LagenLagenin in aa--cc und und teilenteilen KantenKanten

MancheManche M2 M2 und M1 und M1 teilenteilenKantenKanten


Inselsilikate isolierte SiO4 Tetraeder

bb

cc

M1 und M2 M1 und M2 alsals PolyederPolyeder


Inselsilikat - OlivinOlivin Vorkommen:– Fe-Mg Olivin Mischkristalle: Vorwiegend in maphischen

(z.B. Basalt, Gabbro, …) und ultramaphischen (z.B. Peridotit, Komateit, …) magmatischen Gesteinen und deren metamorphen Derivaten

– Fe-Endglied: Fayalit (Fe2SiO4) in “meta-ironstones” und in einigen Alkaligraniten

– Mg-Endglied: Forsterit (Mg2SiO4) in hochmetamorphenkieseligen Dolomiten

Monticellit (CaMgSiO4) Ca → M2 (grösseres Ion, grössere Lücke)Hochgradig metamorphe silikatreiche Karbonate

Olivin - Chemismus

– In Fe-reichen Olivin Mischkristallen kann nebenFe und Mg auch Ca und Mn auf den Oktaederplätzen eingebaut werden

– In Mg-reichen Olivin Mischkristallen kann nebenFe und Mg auch Cr und Ni auf den Oktaederplätzen eingebaut werden – d.h. besonders MAtnelolviine udn Olvinie in ultrabasischen Schmelzen können nenneswerteNi udn Cr Geahtle aufweisen

Mantelgesteine: Peridotite

Harzburgit (Olivin, Orthopyroxen)Ligurien

Harzburgit (Olivin, Orthopyroxen)Ligurien

Schmelzdiagramme für Mischkristalle

• Gegeben seien zwei Komponenten, die im flüssigen und festen Zustand mischbar seien und Schmelzen, bzw. Mischkristalle bilden

• Ein einfaches Beispiel sind die Systeme Silber/Gold oder Kupfer/Nickel

Schmelzdiagramm der kontinuierlichenMischkristallreihe Forsterit - Fayalit

Das Das ErdinnereErdinnere

Mantel:Mantel:Peridotite (ultramafisch)Peridotite (ultramafisch)

ObererOberer MantelMantel bisbis 410 km (410 km (OlivinOlivin →→ SpinellSpinell) ) Low Velocity LayerLow Velocity Layer 6060--220 km220 km

Transition ZoneTransition Zone WellengeschwWellengeschw. . steigtsteigt660 660 SpinellSpinell →→ PerovskitPerovskit--TypTyp

SiSiIVIV →→ SiSiVIVI

UntererUnterer MantleMantle weiterweiter langsamerlangsamer GeschwGeschw. . AnstiegAnstieg

Figure 1-2. Major subdivisions of the Earth. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

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System Erde: Entwicklung und Dynamik: Mineralogie · Peridotit, Komateit, …) magmatischen Gesteinen und deren metamorphen Derivaten – Fe-Endglied: Fayalit (Fe 2SiO 4) in “meta-ironstones”