Mineralienatlas
Die Wissenschaft der Zwillingsbildung (Symmetrieanalyse, Charakterisierung, Beschreibung), ein Spezialgebiet der Kristallographie, wird Geminographie genannt
Das Studium von Zwillingskristallen geht auf die allerersten Anfänge der Kristallographie als Wissenschaft zurück; nicht unerheblich aus diesem Grunde wird die Idee, bzw. das Konzept eines Zwillingskristalls oft mit einem makroskopischen Gebäude assoziiert. Moderne Studien im Nano-Bereich haben gezeigt, daß die Bildung von Zwillingen schon zu einem sehr frühen Stadium der Kristallbildung auftreten kann. Aufgrund dieser Erkenntnisse drängt sich die Forderung auf, die Bildungsmechanismen und die Angrenzung zu unterschiedlichen Kategorien neu zu überdenken. Insbesondere sollten Vergleiche zwischen Zwillingen und bestimmten Unterkategorien modularer Strukturen stattfinden; d.h., solche modularen Strukturen, welche durch die Wiederholung desselben Moduls resp. Modulpaare, welche zu einer Symmetrieoperation im Verhältnis stehen, gebildet werden.
In der mineralogisch-kristallographischen Literatur gibt es mehrere unterschiedliche Definitionen für Zwillinge und Zwillingsbildung. Besonders bemerkenswert ist der Unterschied zwischen der kristallographisch-mineralogischen Definition, welche die Gitter-Terminologie benutzt und der physikalischen Definition, welche oft auf phänomenologischen Konzepten beruht (am typischsten bei Transformationszwillingen).
Aufgrund dieser unterschiedlichen Anschauungen gibt es verschiedene Klassifikationen, welche sich nur teilweise überlappen. Ein Konsens oder eine Vereinbarung, welche alle Definitionen zu Zwillingen und zur Zwillingsbildung umfasst, scheint immer noch in weiter Ferne zu liegen. Ein weiterer Unterschied in der kristallographisch-mineralogischen Tradition ist die Uneinigkeit, welche von der sogenannten "Deutschen Schule" und der sogenannten "Französischen Schule" herrührt (die Deutsche Schule privilegiert die morphologischen Zwillingselemente, gemessen wurde mit Kontakt- oder optischen Goniometern; die französische Schule gibt den reticularen Zwillingselementen, basierend auf dem reziproken Gitter, Vorrang).
nach (Takeuchi,1997; Ferraris et.al., 2004)
Zwillinge sind heterogene Gebäude, welche durch zwei oder mehr homogen-strukturell dreiperiodische Individuen (Module) im Verhältnis zu einer Punktgruppen-Operation gebildet werden. Daraus resultiert, daß der Zwilling selbst keine homogene Kristallstruktur besitzt. Homogene Gebäude, welche durch strukturell weniger als dreiperiodische Module gebildet werden, werden als Zellen-Zwillinge bezeichnet. Die Zellen-Zwillings-Operation kann eine translationale Komponente haben.
Die nachstehend aktuellste Definition wurde von der IUCCMTC (International Union of Crystallography, Commission on Mathematical and Theoretical Crystallography) im Jahr 2005 erstellt.
Verzwilligung ist die orientierte Vergesellschaftung (association) von zwei oder mehr Individuen der gleichen kristallinen Phase, bzw. von individuellen Kristallen der gleichen chemischen und kristallographischen Spezies, in welcher Paare von Individuen mit einer geometrischen Operation mit dem Begriff Zwillings-Operation in Verbindung gebracht werden. Die Zwillings-Operation ist eine Symmetrie-Operation für das Zwillingsgebäude, aber nicht für die Individuen. Die Zwillings-Operation gehört nicht zur Symmetrie des Kristalls, da diese ein Parallelwachstum anstelle eines Zwillings erzeugen würde. Zwillingsgesetze sind das Charakteristikum aller Zwillings-Operationen, welche zwei verzwillingte Individuen ineinander transformieren. Das Zwillingselement ist das geometrische Element, nach welchem die Zwillings-Operation verläuft. (Friedel, 1904; Nespolo, 2005)
Bei der Bildung von Mineralien entstehen unterschiedliche Arten der Verwachsung von mehreren Kristallen.
(Quelle: Weiner, K.L., 1980)
Durch Inversion (Spiegelung) an einer Zwillingsebene und durch Drehung um eine Zwillingsachse um 180o lassen sich die Einzelkristalle zur Deckung bringen. Diese Zwillingselemente werden im Zwillingsgesetz durch die Millerschen Indizes ausgedrückt.
Durch die Verzwilligung wird eine Erhöhung der Symmetrie gegenüber dem Einzelkristall erreicht. Charakteristisches Merkmal für Zwillinge sind einspringende Winkel, die bei Einzelkristallen nicht auftreten können, bei Zwillingen aber nicht auftreten müssen
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Die komplette geminographische Analyse eines Zwillingskristalls berücksichtigt drei wesentliche Aspekte:
Donnay & Donnay (1974) klassifizierten die Zwillingsbildung in zwei Kategorien
TLS (twin lattice symmetry)
TLQS (twin lattice quasisymmetry)
auf der Grundlage des Neigungsverhältnisses ?, welches der Winkel ist, der die metrische Symmetrie-Abweichung des Kristallgitters gegenüber dem Zwillingsgiiter mißt.
Ein oder mehr Symmetrieelemente für das Gitter gehören nicht zur Punktgruppe des Kristalls. (Motiv, Struktur). Dieses Element kann insofern als Zwillingselement agieren, indem es ein oder mehrere Individuen mit unterschiedlicher Richtung produziert (abhängig von der Anordnung der Elemente), deren Gitter jedoch insgesamt und exakt mit dem Original-Individuum übereinstimmt. Dies ist der einfachste Fall einer Verzwilligung, welcher als Meroedrie oder Meroedrische Verzwilligung bezeichnet wird. In diesem Falle stimmen das Zwillingsgitter und das Gitter des Individuums überein.
Es wurden vier Typen der Verzwilligung von Kristallen erkannt, welche auf den Tensor-Unterschieden ihrer Eigenschaften und einer neuen und rigorosen Definition der Prototyp-Symmetrie beruhen. Diese vier Typen werden wie folgt kategorisiert:
Diese Klassifizierung wurde revidiert durch die Bezeichnung " komplette (translationale und Punkt-) Gittersymmetrie " des Zwillings und des Kristalls. Die neue Kategorie Reticulare Polyholoedrie würde für solche Zwillinge eingeführt, wo das Zwillingsgitter die gleiche Punktsymmetrie, jedoch eine unterschiedliche Orientierung des individuellen Gitters hat. (D.h., bei Degeneration zum Zwillingsindex 1 (in einem parallelen Weg) entspricht die reticulare Meroedrie der metrischen Meroedrie und die reticulare Polyholoedrie der syngonischen Meroedrie. (Wadhawan, V.K.; 1997; Nespolo, M., Ferraris, G.; 2004)
Zwillingselemente (Symmetrieelemente)
Zwillingsebene (twin plane, composition surface)
Zwillingsarten (geometrisch)
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Millersche Indizes Zwillingsgitter
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Ein Zwilling mit einer definierten Zwillingsebene, welche die beiden Individuen trennt. Die Zwillingsebene ist gleichzeitig Verwachsungsebene. (Bsp.: Feldspat (Bavenoer und Manebacher Gesetz). Trennung (mit Ausnahmen) ist mit einem scharfen Messer möglich.
Durchdringunsgzwillinge mit einer irregulären Zwillingsebene. Beide Individuen durchdringen sich gegenseitig, die Verwachsungsgrenzen sind unregelmäßig, seltener kristallographische orientierte Grenzen. (Bsp.: Feldspat (Karlsbader Gesetz), Fluorit, Pyrit, Diamant, Titanit, Quarz nach dem Dauphinéer Gesetz (unregelmäßige Verwachsungsgrenzen), Quarz nach dem Brasilianer Gesetz (regelmäßige Verwachsungsgrenzen). Die Trennung ist schwierig bis unmöglich.
Zwei Kristalle mit niedriger Symmetrie ergänzen sich zu einer Form scheinbar höherer Symmetrie (Bsp.: Pyrit nach dem Eisernen Kreuz)
(nach Weiner, K.L., 1980; zitiert unter Vorbehalt, ohne Berücksichtigung neuester Symmetrieanalysen)
Durch kristallstrukturelle Untersuchungen zeigte sich, dass
Zwei denkbare Fälle sind an Zwillingen realisiert:
Gesetzmäßige Verwachsung, bei der einzelne Kristallbereiche durch zusätzliche Symmetrieoperaionen (durch (scheinbare) Erhöhung der Symmetrie ineinander überführt werden können. Zwillinge können während des Wachstums (Wachstumszwillinge), durch Phasenwechsel (Phasenübergänge von hohen Temperaturphasen zu niedrigen Temperaturphasen; Umwandlungszwillinge, Inversionszwillinge; bedingt Transformationszwillinge) oder durch mechanische Beanspruchung entstehen (Deformationszwillinge).
Die meisten Kristalle wachsen (>Kristallwachstum), indem sie Strutureinheiten (Atome, Ionen, Moleküle) hinzufügen ("anschichten")(jeweils eine Schicht zu einer bestimmten Zeit, in einem stark vereinfachten Modell). Wenn die erste Schicht A ist und die nächste B (in unterschiedlicher Position, dann die nächste C, gefolgt bei einem anderen A - usw. - dann bildet sich eine Struktur nach der Folge
ABCABCABCABCABC.......
Viele Mineralien bilden sich durch solche Stapelsequenzen. Kommen jedoch Fehler während des Wachstums vor, können sich Zwillinge bilden. Wenn die nächste Schicht (Struktureinheit) falsch gestellt ist und eine falsche Position einnimmt, bildet sich folgende Packungssequenz
ABCABCABCACBACBACBACBA
(die C-Schicht nahe der mittleren A-Schicht ist falsch, weil hier die nächste B-Schicht stehen sollte. Der Rest der Stapelung wird dann wiederholt, als wenn nichts geschehen wäre und der Kristall wächst in beide Richtungen nach außen, bis das Wachstum abgeschlossen ist. Direkt durch die Mitte der A-Schicht entsteht eine Spiegelebene; die rechte Seite des Kristalls ist ein Spiegelbild der linken Seite. Diesen Spiegel kann man besser durch eine vertikale Linie darstelle, welcher eine Spiegelebene wie folgt produziert:
ABCABCABC | CBACBACBA
Anmerkung: Nicht alle Zwillinge werden in dieser Weise gebildet; das Beispiel dient lediglich dazu, eine Vorstellung zu geben, wie ein Zwillingskristall gebildet werden kann.
Meist lamellar nach Phasenumwandlung. Bei verschiedene Mineralien bestehen Modifikationen, die z.T. abhängig von der Bildungstemperatur entstehen. Durch Phasenübergänge können sich hochsymmetrische Hochtemperatur- in niedersymmetrische Tiefftemperaturformen umwandeln, wobei bei Hochtemperaturformen das äußere Erscheinungsbild erhalten bleibt. Bei der Transformation bilden sich miteinander verzwillingte Lamellen der Tieftemperaturform; tw. ist eine Flächenstriefung an den Umwandlungszwillingen erkennbar. (Bsp.: Hochquarz > Tiefquarz; Hochleucit > Leucit)
Achtung: Bei manchen Autoren werden auch polysynthetische Zwillinge als > Transformationszwillinge bezeichnet). (Bsp.: Transformations-pseudohexagonale Drillinge von Cordierit).
Bei der Sammelkristallisation (d.h. das Zusammenwachsen von Kristalliten zu größeren Kristallen) berühren sich die wachsenden Kristalle derart, daß sie in Zwillingsstellung zueinander stehen und als (i.d.R. selten idiomorphe) Rekristallisationszwillinge weiterwachsen. Rekristallisationszwillinge entstehen wie die Deformationszwillinge bei der Regionalmetamorphose, beim Brennen von Keramik und beim Tempern.
(Viellinge, Zwillingsstöcke, auch als Wiederholungszwillinge (repetaed twins) bezeichnet; bzw. ein Zwilling, der aus drei oder mehr miteinander verzwillingten Teilen nach dem gleichen Gesetz besteht). Die Zwillingsbildung nach dem gleichen Zwillingsgesetz kann sich mehrfach wiederholen.
Multiple Zwillings- Pseudosymmetrien (s.u. > Mimetische Kristalle) und zufällige Gitter-metrische Symmetrien , bei welcher mehr als zwei Individuen im Verhältnis zu den Zwillingselementen stehen, werden oft ohne Bezugnahme auf die klassische Nomenklatur (Friedel, Donnay) beschrieben. Einige Beispiele zur Nomenklaturabweichung werden von Nespolo und Ferraris (2004) redifiniert. Bei manchen Autoren wird kaum ein Unterschied zwischen "echten" mutiplen Zwillingen" und "mimetischen Kristallen" gemacht, bzw. nicht auf die Pseudosymmetrie näher eingegangen.
Ein multipler Zwilling (Wiederholungszwilling), in welchem die sukzessiven Zwillingsebenen nicht parallel sind (Bsp.: Chrysoberyll)
Ein multipler Zwilling (Wiederholungszwilling), in welchem alle sukkzessiven Zwillingsebenen parallel sind. (bei mehrfacher Wiederholung bis zu mikroskopischen Zwillingslamellen). Polysynthetische Zwillinge entstehen, wenn Kristalle beim Abkühlen einen kristallographischen Phasenübergang von einer höheren zu einer niedrigeren Symmetrie durchlaufen. Typisch für polysynthetische Zwillinge ist die charakteritische Flächenstreifung, an welcher man abzählen kann, wie oft sich das Zwillingsgesetz wiederholt (engl: stacked twin layers) (Bsp.: Markasit, Zwillinge nach dem Albit-Gesetz bei Plagioklasen (Zwillings- und Verwachsungsebene {010} wichtig für die Unterscheidung der Plagioklase von Orthoklas), Glimmer; Calcit-Zwillinge nach {0112})
Rutil (und Cassiterit) können multiple Zwillinge nach zwei Gesetzen bilden (nach {101} und {301}; bei Rutil treten beide Gesetze gleichzeitig auf unter Bildung der sogen. Sagenit-Gitter.
Drei individuelle Kristalle, welche regulär um Spiegelebenen verwachsen sind; bzw. ein Mineral, welches aus drei Zwillingskomponenten besteht.
(Bsp. Rutil, D'Achiardit, Harmotom, Phillipsit, Stilbit)
(Bsp.: Harmotom nach dem Stempel-Gesetz)
(Bsp.: Harmotom nach dem Stempel-Gesetz)
(griech.: mimes = nachahmen, Schauspieler)
Durch die Verwachsung verzwillingter Kristalle nach dem Prinzip der > Wendezwillinge bilden sich oft mimetische Zwillinge. Diese sind teilweise mit einer Durchkreuzung der einzelnen Individuen verbunden. Mimetische Zwillinge zeigen eine Pseudosymmetrie. Die bekanntesten sind Aragonit, Chrysoberyll, Phillipsit (s.o.)
Zitiert : Hochleitner, R.,1980: " Bei echten Japaner Zwillingen schneiden sich die c-Achsen der der beiden Kristalle unter einem Winkel von 84°33'. Carakteristisch ist, daß ein Paar von Prismenflächen der beiden Individuen parallel liegt; sind beide Einzelkristalle gleich groß, gehen diese Prismenflächen ineinander über. Liegen die Prismenflächen nicht parallel, handelt es sich nicht um einen Japaner Zwilling, auch wenn der Winkel zwischen den beiden Individuen stimmen würde. Ein weiteres Charakteristikum der Japaner Zwillinge ist, daß sich die Streifungssysteme auf beiden Prismenflächen unter einem Winkel von 95°27' schneiden. Die Individuen sind nicht selten tafelig verzerrt (muß aber nicht die Regel sein); auch völlig normale Quarze können deartige Zwillinge bilden.".
Besonders von Navajún in Spanien stammen hervorragende Pyritwürfel- und Hexaeder als Einzelkristalle sowie prächtige auf- und ineinander gewachsene Aggregate und Gruppen , die aufgrund ihres Ineinanderwachsens den Eindruck von Zwillingen hinterlassen, jedoch kristallographisch weder echte noch mimetische Zwillinge sind.
Albit
Albit - Varietät Cleavelandit;
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Aragonit
Aragonit-Aggregat aus pseudohexagonalen
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Bournonit
Bournonit; Multiple Zwillinge nach {110} (Rädelerz)
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Calcit
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Calcit
Calcit-Zwillinge
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Caracolit
Caracolit-Drillinge
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Carrollit
Carrollit-Zwillinge
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Cassiterit
Cassiterit-Zwilling
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Cassiterit
Cassiterit-Zwilling
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Cerussit
Cerussit-Zwillinge; ca. 5x8 cm
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Chabasit - Var. Phakolith
Chabasit
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Chalkosin
Chalkosin
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Chloanthit (Nickel-Skutterudit)
Chloanthit - pseudohexagonaler Zwilling
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Chrysoberyll
Chrysoberyll-Drilling
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Cinnabarit
Cinnabarit
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Cordierit
Transformationsdrillinge
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Diamant
Diamant-Zwilling nach {111}
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Diamant
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Diamant
Diamant
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Dolomit
Dolomit
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Epidot
Epidot - Zwilling
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Feldspat (Orthoklas, Mikroklin, Sanidin)
Orthoklas-Zwilling nach dem Bavenoer Gesetz
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Feldspat
Mikroklin - Manebacher Zwilling
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Feldspat
Orthoklas - Karlsbader Zwilling
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Fluorit
Fluorit-Penetrationszwilling nach {111}
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Fluorit
Fluorit
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Galenit
Galenit - flachtafelige Zwillinge
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Gips
Gips - Schwalbenschwanz-Zwillinge nach {100}
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Gips
Gips
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Hämatit
Hämatit-Zwillinge
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Harmotom
Harmotom-Zwillinge
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Klinohumit
Klinohumit-Zwilling
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Kunzit
Kunzit (eine Varietät von Spodumen)
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Kupfer
Kupfer-Zwilling nach dem Spinellgesetz
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Lazulith
Lazulith Penetrationszwilling
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Leadhillit
Leadhillit - pseudohexagonale Drillinge
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Loparit
Loparit-Zwilling
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Magnetit
Magnetit-Zwillinge
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Markasit
Markasit-Zwillinge
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Muskovit
Muskovit-Zwillinge (Sternglimmer)
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Phillipsit
Phillipsit - Zwölfling
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Phosphophyllit
Phosphophyllit - Schwalbenschwanz-Zwilling
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Filatovit
Filatovit - Zwillinge
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Pyrit
Pyrit-Penetrationszwilling nach dem Eisernen Kreuz
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Quarz
Verzwillingter Quarz-Doppelender mit sehr
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Quarz
Verzwillingter Quarz-Doppelender
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Quarz
Japaner Zwilling
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Rhodochrosit
Rhodochrosit - Penetrationszwillinge
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Rutil
Rutil - Sagenit. Verwachsung von nadelartigen feinen
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Rutil
Rutil - Zwilling
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Sphalerit
Sphalerit-Kristall mit polarer Zwillingsachse
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Sphalerit - Zwilling (auf Dolomit)
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Spinell
Spinell-Zwilling
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Spodumen
Spodumen-Zwilling
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Stannit
Stannit - Penetrationszwillinge mit aufsitzendem
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Staurolith
Staurolith - Penetrationszwilling nach {032} bzw. {232}
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Tetraedrit
Tetraedrit-Zwillinge
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Titanit
Titanit-Kontaktzwilling
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Witherit
Witherit - Pseudohexagonaler Drilling
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Wolframit
Wolframit-Zwilling nach {023}
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Wurtzit
Wurtzit - Multiple Zwillinge
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