Spezielle Mineralvorkommen

[uwe]

Ich habe den Eindruck, daß unser Forum im Hinblick auf die Diskussion mineralogischer  Probleme etwas schwächelt.

Ich stelle nun mal folgendes „Problem“ zur Diskussion, welches mich als Sammler auch alpiner Minerale interessiert.

Im Allgemeinen kommen Minerale in Klüften, Adern oder Kontaktzonen in höherer Konzentration vor und bilden dort relativ große Kristallgruppen. Das trifft sowohl für hydrothermale und pneumatolytische Bildungen zu. Wenn der Anteil der entsprechenden Elemente sehr niedrig ist, sollte man erwarten, dass die jeweiligen Minerale unterhalb des normalen Mikroskopbereiches vorkommen. Das ist ja auch bei vielen Erzlagerstätten der Fall. So sieht man in den zu verhüttenden Gestein der meisten Goldlagerstätten mit bloßem Auge kein Gold.

Nun gibt es die Fundstelle Hopffeldboden. Hier bilden die seltenen Elemente Cer, Neodym, Lanthan, Ytterium usw. Minerale,  welche in „Lupengröße“ im Muttergestein relativ gleichmäßig verteilt aber doch so selten vorkommen, dass man schon eine größere Menge des höffigen Gesteines zerschlagen muß, um erfolgreich zu sein. Von Adern oder Geoden, in denen solche Minerale angereichert vorkommen besteht keine Spur. Die Minerale (Monazit, Xenotim, Äschynit usw. kommen dabei überwiegend in Einzelkristallen bzw. in kleinen Kristallaggregaten vor. Eigentlich  müssten bei dem Gehalt der seltenen Elemente die Kristalle so klein sein, dass diese ohne Elektronenmikroskop gar nicht sichtbar wären.

Wieso schließen sich die Moleküle in der Gesteinsschmelze bzw. in dem hydrothermalen oder pneumatolytischen Medium zu größeren Aggregaten zusammen?

fragt sich Uwe

[Kluftknacker]

Hallo Uwe,
eine interessante Frage. Ich habe zwar früher etliche Vorlesungen über Reaktionskinetik, Lösungsgleichgewichte und Thermodynamik gehört, sehe mich aber nicht in der Lage, diese Thematik allgemeinverständlich! kurz und prägnant zu erklären. Ich denke, dass geht hier vielen so.

Ich bin gespannt ...
Beste Grüße
Kluftknacker

[Krizu]

Hallo,

die Vorlesungen und auch einige Vorträge über Ausscheidungen habe ich auch gehört.
Als ehemaliger Kristallzüchter habe ich solche Sachenschon selbst wachsen gesehen. Aber die Frage kann ich nicht wirklich beantworten.

In der Regel ist in solchen Fällen die Reinigung durch die Kristallisation entscheidend. Zuerst wachsen hochschemlzende Komponenten, z.B. Zirkon. Dann erstarrt meist die Hauptmasse. Nun hängt es davon ab, wie die Schmelze/Lösung erstarrt. Wenn die Stoffe/Restlösungen mobil sind, können Sie sich wie bei einem Pegmatit anreichern. Schiebt der erstarrende Stein die Schmelze vor sich her, reichern sich die Spuren an. Das stelle ich mir wie beim Zonenschmelzen vor. Zuerst kristallisierne die hochschmelzenden Komponenten aus., dann die Hauptmasse und zum Schluss die interessanten Reste. Wenn sich jetzt die niedriegschmelzenden Komponenten nicht in Zwickeln zwischen der Hauptmasse auskristallisieren, sondern sich zu einer größeren Menge sammeln können, können auch größere Kristalle an einzelnen Stellen entstehen.

Mein Modell ;-)

MFG

Frank

[UlrichW]

Hallo Uwe,

nöö, es täuscht nicht!

Wieso schließen sich die Moleküle in der Gesteinsschmelze bzw. in dem hydrothermalen oder pneumatolytischen Medium zu größeren Aggregaten zusammen?

Egal um welche Art von "Lösung" es sich handelt, Kristallwachstum beginnt immer an den Kanten. Nun ist aber die "Länge" der Kanten im Verhältnis zur
Kristallfläche nicht proportional, sondern das Verhältnis nimmt mit steigendem Kristallvolumen ab. Anders ausgedrückt: kleine Kristalle wachsen schneller als Große, lösen sich aber auch schneller wieder auf.

Wenn also kleine Kristalle sich schneller auflösen als Große heist das, daß große Kristalle, wenn einmal gebildet, in der Lösung stabiler sind.

Man kann auch sagen, das die Reaktionsgeschwindigkeit der Kristalle mit der Lösung, bei steigendem Volumen abnimmt.

Und wer langsamer reagiert, hat in der Lösung bessere Überlebenschancen.


nur Beispiel für die Relationen an einer Fläche
            von 10*10cm hat 100cm² Fläche und 40cm Kantenlänge          40/100= 0.4
            nun verhundertfachen wir die Fläche
            von 100*100 hat 10.000cm² Fläche und 400cm Kantenlänge    400/10.000=0.04 

Man beachte dabei, das sich die Kantenlänge nur verzehnfacht hat, das Volumen aber verhundertfacht.

Nun kann man diese sehr vereinfachte Darstellung nicht auf Alles und Jeden beziehen. Hier wirken die lokalen Bedingungen wie Sättigung, Temperatur,
Beimengungen, Druck, Wirtsgestein usw. verändernd auf die Kristallisationsgeschwindigkeiten.

Z.B. Kommt langsam aber stetig eine geringe Übersättigung der Lösung zustande, bei gleichbleibenden Umgebumngsoparametern, wachsen bevorzugt größere Kristalle (Alpine Klüfte, Erzgänge).
Fällt die Temperatur schnell bilden sich bevorzugt kleine Kristalle, da das gelöste Material sich schnell abscheiden muss( Blasen in Vulkaniten). Zirkulieren die Lösungen z.B. innerhalb eines Ganges, hat die Lösung relativ wenig Kristallkeime, da viele glatte Oberflächen vorliegen. Zirkuliert aber die Lösung z.B. in einem frischen Gesteinsriss, gibt es viele Kristallisationskeime und damit viel kleine Kristalle....usw. usw. usw.

So ganz trivial ist also die Frage nicht, und sicher hab ich sie nicht wissenschaftlich richtig beantwortet. Aber zum groben Verständnis sollte es reichen.

Glück auf
Ulrich

[triassammler]

Hallo!

Edit: Ulrich war mit seiner Erklärung schneller und zielt auf das gleiche ab wie ich.

Ergänzend zu Franks Modell denke ich, dass bei dem von Dir, Uwe, geschilderten Sachverhalt auch die Keimzahl in der Schmelze eine Rolle spielt: Je mehr Keime, umso mehr Kristalle, aber auch umso kleiner bleibt jeder einzelne Kristall. Umgekehrt: Gibt es nur wenige Keime, wachsen auch seltene Minerale zu "Lupen-makroskopischen" Kristallen heran.
Franks "interessante Reste" sind oft Elemente und Verbindungen, die im Chemismus der Schmelze bzw. Lösung (ich nenne das im Weiteren zusammenfassend nur noch Schmelze) weitgehend inkompatibel sind. Sie bleiben lange ungebunden. Nur mit zunehmender Abscheidung der "gewöhnlichen" Minerale aus der Schmelze konzentrieren sie sich so auf, dass sie auch energetisch ungünstige Bindungen einzugehen gezwungen sind. In dieser Zeit ist die Menge der Kristallkeime in der Schmelze aber durch gravitative Effekte und den Filtereffekt der Gesteinsporen bereits stark abgesunken. Minerale aus seltenen Elementen bilden sich nun an vergleichsweise wenigen Stellen, dienen aber als ganz bevorzugte Keime für Kristalle desselben Minerals. Es ist hier für die Elemente energetisch einfach günstiger, sich anzulagern, statt an anderer Stelle zu neuen Keimen zusammenzufinden. Danach ist der Prozess ein Selbstläufer - die vorhandenen Kristalle vergrößern sich auf Lupen-optisch wahrnehmbare Größe, die seltenen Elemente wandern dem durch die Ausfällung entstandenen Konzentrationsgefälle entsprechend den größeren Kristallen zu, und diese wachsen immer weiter, ohne dass es dabei noch zur Ausbildung mikroskopischer Kristalle käme.

Soweit noch mein Wissen aus dem Studium...

Gruß,
Rainer

[Krizu]

Hallo,

zu Ulrich:
Beim Erreichen der Löslichkeitsgrenze/ Beginn der Kristallistion, wachsen alle Flächen. Aber: Die späteren Ecken wachsen schneller als die Kanten, schneller als die Flächen. Die am Kristall verbleibenden Flächen sind die Flächen, die die geringste Wachstumsgeschwindigkeit haben. Das kann sich aber abhängig von der Chemie auch ändern! Wenn ein Wachstum stattfindet, löst sich kein Kristall mehr auf, wenn die kritische Keimgröße überschritten ist.

Das normale Wachtums ist ein Kombination aus:
- Adsorption/Anlagerung von Baugruppen an die Fläche
- Diffusion/Bewegung  auf der Fläche
und jetzt komtm das wenn
- Wenn der Baustein eine z.B. Versetzungstufe findet, lagert er sich an.
- Wenn er keine energetisch günstige Nische findet, desorbiert er, d.h. er fliegt wieder weg.


Kritische Keimgröße: Da muss ich ganz tief in den grauen Zellen graben - aber steht bei Wikipedia unter Keimbildung :-). Ja, es ist richtig, dass eine kritische Krimgröße notwendig ist, die setzt sich irgendwie aus Oberfläche zu Volumen zusammen, kleine Keime lösen sich auf, große Keime können wachsen. Aber das geschieht auf der Skala der Sub-Nano-Partikel im Bereich einige 100Atome. Das hängt aber auch von der Löslichkeit des Materials ab. Die Abhängigkeit im fertigen Kristall sehe ich aber nicht. s

@Rainer
Die Bindungen werden nicht energetisch ungünstiger, sondern günstiger. Nimm Salzwasser als Beispiel: Erst kristallisiert Wasser aus. Die Salzlösung wird konzentrierter, irgendwann fällt Salz oder das Eutektikum aus. Nur an Gravimetrie oder Filterwirkung glaube ich nicht bei der Skala.

MfG

Frank

[triassammler]

Hallo Frank!

Die Bindungen werden nicht energetisch ungünstiger, sondern günstiger.

Das hatte ich eigentlich gemeint: Wenn die inkompatiblen Elemente in der Lösung relativ angereicht werden ist zwischen ihren Ionen nicht mehr so viel Anderes, das ihre energetisch ungünstige Aneinanderbindung verhindert. So gesehen wird die Bindung dann günstiger...

Nimm Salzwasser als Beispiel: Erst kristallisiert Wasser aus.

Nur im Winter, wenn sehr kalt 

Apropos Dimension: Die Riesen-Gipse von Naica kamen aufgrund genau des von Dir in großer Skala bezweifeltem Filter- und gravitativen Bereinigungseffekts zustande.

Gruß,
Rainer

[Krizu]

Hallo,

Gips mit der grossen Löslichkeit von g/l hat imho auch grosse kritische Keime.

Aber ist eine Keimauslese durch den "normalen" Weg wachsen auflösen wachsen usw ausgeschlossen?
Immerhin handelt es sich nicht um ein geschlossenes System wir zuvor betrachtet, sondern um ein offenes, duchflutetes...

MfG

Frank

[cmd.powell]

Hallo

Meine Vorredner (oder besser: Vorschreiber ?) haben ja nun die wesentlichen Punkte der Keimbildung schon genannt. Ein weiterer Umstand, welcher für das entstehen von Großen oder "einsamen" kleinen Kristallen zu tragen kommen dürfte ist der sogenannte "Oswald-Miers-Bereich". Er beschreibt quasi eine übersättigte Lösung, bei der die Keimbildung und Keimauflösung aber noch im Gleichgewicht ist. In diesem Statium kann aus einer Lösung kein Kristallkeim neu entstehen, bestehende Keime oder Kristalle wachsen aber weiter. Diesen Bereich macht man sich zu Nutze, um z.B. besonders große Kristalle zu Züchten (oder eben die Naica-Riesengipse). Auf der anderen Seite kann ich mir sehr gut vorstellen, das der gleiche Mechanismus dazu führt, das eben nur vereinzelt Kristalle mit "seltener" oder "exotischer" Zusammensetzung entstehen, da die Stoffkonzentration nicht für eine umfangreiche Keimbildung ausreicht. Wäre eine Erklärung, warum man nur ab und zu mal einen Synchisit oder Gadolinit in der Druse findet, dann aber einen "größeren" Kristall.

Grüße

Markus

[Krizu]

Hallo Markus,

ich glaube der Hauptansatzpunkt ist neben den hier genannten Punkten, das System:

• ein geschlossenes System, z.B. ein Magmakörper, kann eine Anreicherung in den Resten der flüssigen Phase haben. Da entstehen Exoten und die Verteilung der Kristallgröße hängt von Fremdionen, Temperaturwechseln, Verteilung, Mobilität, Keimzahl usw. ab. die Größe ist begrenzt.
  
• ein offenes System, so wie es Naica zu sein scheint. zirkulierende Lösungen sorgen mit einem Temperaturgradienten für den Stofftransport. In der Hitze (=Tiefe) löst sich MAterial aus dem Gestein/Reservoir, strebt nach oben zirkuliert dabei durch den Hohlraum und kann Keime bilden, die dann wachsen. Die Größe ist nicht begrenzt, solange gesättigte Lösung nachkommt.

Auf der anderen Seite ist die Abhängihkeit "nur ein Kristall gefunden"="war nur ein Keim da" nicht eineindeutig. Die Umkehrung gilt: Ein Keim=Ein Kristall. Aber es gibt eine Keimauslese wenn die Wachstumsbedingungen mit Lösungsbedingungen wechseln. Und dass die Bedingungen selten kosntant sind, sieht man ja an den Phantomen.

MfG

Frank
(der sich gerade mit Ostwaldscher Stufenregel und Ostwald-Volmer beschäftigt.)

[uwe]

Bisher eine (zumindest für mich) hochinteressante Diskussion. Um nochmal auf den Hopffeldboden zurück zu kommen, hier ist das Muttergestein sehr locker bzw. porig (Kenner der Fundstelle werden wissen, was ich meine). Es besteht überwiegend aus Adular (meist als Kristalle ausgebildet mit einer Zwickelfüllung aus Chlorid). Es hat den Anschein, daß die Adularkristalle um die "Exoten" herumgewachsen ist, also danach oder zumindest nach dem Vorliegen größerer Exotenkristalle auskristallisiert sind. Hier scheint mir der von Markus genannte "Oswald-Miers-Bereich" die einleuchtendeste Erklärung ist.

Ich stelle mir das laienhaft so vor, daß in einer hydrothermalen Lösung sehr lange keine Veränderung stattgefunden hat bzw. daß die Bedingungen sehr lange durch Zufuhr von Energie konstant waren und daß das System geschlossen war - kein Druckabfall. Hier haben sich die relativ großen Exotenkristalle (Synchesit, Xenotym, Monazit) gebildet. Als dann Druck und Temperatur sehr langsam zurück gingen ist der Adular und Chlorid kristallisiert. Vermutlich haben sich in dieser Phase auch die Aeschynite gebildet, denn die sitzen meines Erachtens auf dem Adular bzw. in den Zwickeln.

Uwe

Uwe

[Kay]

Hallo zusammen,

viele Aspekte sind ja schon recht verständlich erklärt.
Ich habe alle Beiträge interessiert gelesen und verstanden. 
Auch wenn ich die Theorie über "Oswald-Miers-Bereich" nicht kenne.
Ich halte folgenden Aspekt auch noch für wichtig;
Klar  ist, dass die Konzentration an den chemischen Elementen sehr entscheidend ist.
Dann ist es wichtig, was sich sonst so noch in der Lösung befindet.
Das sind dann Reaktionspartner und die entstehenden Reaktionsprodukte können entsprechend eher auskristallisieren.
Das Druck, Temperatur, pH-Wert, Stoffkonzentration, Oberflächen-Volumenverhältnis und Anzahl der Kristallkeime etc. entscheidend sind....ist klar und wurde auch schon wirklich gut beschrieben.
Gerade Stoffe in geringer Konzentration bleiben  lange in Lösung.
Und das ist  bei seltenen Elemente ja eher die Regel.
Durch die Auskristallisation an den Mineralien , die in großer Konzentration enthalten sind, wird die Gesamkonzentration
in der Lösung also geringer.
Was dann noch gelöst ist, kann dann später ausscheiden. Vielleicht dann die seltenen Erden-Verbindungen.
Ob da nur die nur Änderung des chemischen Gleichgewichtes zumTragen kommt, kann ich nicht beurteilen.
(Die Phasendiagramme für die Stabilität von Stoffgemischen sind hinreichend komplex.)
Es ist auch möglich, dass noch weitere seltene Erden, die z.B. noch feinverteilt im Nebengestein enthalten sind,
in Lösung gehen. Dies wäre für eine weitere Kristallisation von Vorteil.
Aber warum, gibt es dann nicht viele winzige Kristalle?
Kristallkeime gibt es ja genug (z.B. durch die Kristalle der anderen Mineralien).
Ein Aspekt, den ich noch wichtig finde, sind die deaktivierten Oberflächen!
Bestimmte z.T. hauchdünne Mineralablagerungen können die nachfolgende
Mineralbildung einfach verhindern. Dann wachsen die Kristalle nur an den Stellen, die nicht benetzt sind.
(Dies ist ist in meiner Heimatregion bei den Zepterquarzen bzw. Fensterquarzen auf Nadelquarz wahrscheinlich
der Fall. Hier sind es gewöhnliche Eisenhydroxyoxidablagerungen, die oft nur einen
Zepterquarz oder Fensterquarzdoppelender wachsen lassen, je nachdem wo eine freie nicht deaktivierte Stelle auf den Nadelquarzen ist. Und dies bei dem häufigen SiO2)
Wie gesagt, dies ist nur meine Meinung und Theorie.
Es gibt dazu garantiert "richtigere" Theorie und zugleich bewiesene wissenschaftliche Untersuchungen.

Gruß
Kay


 

[Krizu]

Auch wenn ich die Theorie über "Oswald-Miers-Bereich" nicht kenne.

http://de.wikipedia.org/wiki/Ostwald-Reifung
es fehlt das T.

kurz gesagt: die Kristallisation ist ein Phasenübergang (ja, es gibt verschiedene : -) ) Dieser Phasenübergang kann ab einer bestimmsten Temperatur einsetzen, muss aber nicht, z.B. Eis kann ab 0°C entstehen, muss aber nicht - unterkühlte Schmelze. Und in diesen Bereiche ngibt es Übergänge in denen etwas nicht neu entstehen kann (Keim fehlt), aber wachsen kann, wenn ein Keim vorhanden ist.

Und das ist  bei seltenen Elemente ja eher die Regel.

Vergleiche einmal die Löslichekti von Gips und Baryt. Der Baryt wird eher ausfallen=kristallisieren :-) Egal ob millionenmal mehr Ca in der Lösung ist.

Es ist auch möglich, dass noch weitere seltene Erden, die z.B. noch feinverteilt im Nebengestein enthalten sind,
in Lösung gehen. Dies wäre für eine weitere Kristallisation von Vorteil.

Dafür braucht du einen thermischen Gradienten zur Lösung und Kristallisation (von heiss nach kalt) und chemischen Gradienten damit sich was bewegt (Diffusion), wenn nichts zirkuliert.

Bestimmte z.T. hauchdünne Mineralablagerungen können die nachfolgende
Mineralbildung einfach verhindern. Dann wachsen die Kristalle nur an den Stellen, die nicht benetzt sind.
(Dies ist ist in meiner Heimatregion bei den Zepterquarzen bzw. Fensterquarzen auf Nadelquarz wahrscheinlich
der Fall. Hier sind es gewöhnliche Eisenhydroxyoxidablagerungen, die oft nur einen
Zepterquarz oder Fensterquarzdoppelender wachsen lassen, je nachdem wo eine freie nicht deaktivierte Stelle auf den Nadelquarzen ist. Und dies bei dem häufigen SiO2)

Tja, das ist so eine Sache: Jetzt komem nwir in den Bereich der Homo- und Hetero-Keimbildung bzw. Epitaxie.
Es gibt imho drei Fälle:
- gleicher Keim = geringe Unterkühlung reicht zu mWachstum
- angepasster Hetero-Keim (Fremdkein) = in der Regel eine Art Epitaxie, es wird eine größere Unterkühlung benötigt.
- absoluter Hetero-Keim = es muss sich eine neuer Homo-Keim bilden.

Dann sind aber andere Flächen schnell günstiger. Das ist meine Erklärung der "Passivierung".

Totaler Querlink durch die Thermodynamik: http://de.wikipedia.org/wiki/Moussierpunkt

Mfg

Frank
(der gleich Phasendiagramme diskutieren darf :-( )

[uwe]

Von Interesse sollte noch sein, daß im Beispiel Hopffeldboden alle Kristalle eines Exotenminerals ungefähr die gleiche Größe haben - also es gibt beispielsweise keine Synchesite von 2 cm länge neben solchen von unter einem mm länge. Das sollte doch für Oswald-Miers sprechen, nach dem kleine Kristalle wieder in Lösung gehen und dafür größere weiter wachsen und das alles in einem geschlossenen System .

Ich habe mal die Theorie gehört, daß die höffige Zone im Hopffeldboden ein durch Auffaltung liegender Vulkanschlot wäre. Hier wäre ja genug Wärmezufuhr von unten gegeben gewesen, um ein geschlossenes System lange genug stabil zu halten .

Uwe

[Kay]

Hallo Frank,
werde demnächst das t nicht vergessen

http://de.wikipedia.org/wiki/Ostwald-Reifung
es fehlt das T.

Mit den Phasendiagrammen durfte ich mich vor 22Jahren auch mal beschäftigen.
Das die Löslichkeit entscheidend ist, was zuerst ausfällt=auskristallisiert :-), ist selbstverständlich.
Ich habe neben dem Sammeln von Zepterquarzen und Fensterquarzen mich auch dann auch damit beschäftigt,
warum meistens sich nur ein oder zwei gößere Zepter bilden und nicht dutzend winzige Zepter.
In einer benachbarten Geode, kann es dann sein, dass sich kein Zepterquarz sondern an Prismenfläche
ein oder zwei dickprismatische Doppelender bilden. Zufall? Ein Hinweis über die Passivierung = Deaktivierung
durch Eisenhydroxyverbindungen fand ich in der Literatur.

Vergleiche einmal die Löslichekti von Gips und Baryt. Der Baryt wird eher ausfallen=kristallisieren :-) Egal ob millionenmal mehr Ca in der Lösung ist.

Gruß
Kay