Mineral

Kristalle von Serandit, Natrolith, Analcim und Aegirin vom Mont Saint-Hilaire, Quebec, Kanada ⓘ

In der Geologie und Mineralogie ist ein Mineral oder eine Mineralart im weitesten Sinne eine feste chemische Verbindung mit einer ziemlich genau definierten chemischen Zusammensetzung und einer spezifischen Kristallstruktur, die in der Natur in reiner Form vorkommt. ⓘ

Die geologische Definition von Mineral schließt normalerweise Verbindungen aus, die nur in Lebewesen vorkommen. Einige Minerale sind jedoch häufig biogen (z. B. Calcit) oder sind organische Verbindungen im Sinne der Chemie (z. B. Mellit). Außerdem synthetisieren Lebewesen oft anorganische Minerale (z. B. Hydroxylapatit), die auch in Gesteinen vorkommen. ⓘ

Der Begriff "Mineral" unterscheidet sich von "Gestein", das jedes feste geologische Material ist, das auf einer ausreichend großen Fläche relativ homogen ist. Ein Gestein kann aus einer einzigen Mineralart bestehen oder ein Aggregat aus zwei oder mehr verschiedenen Mineralarten sein, die räumlich in verschiedene Phasen getrennt sind. ⓘ

Einige natürliche Feststoffe ohne eindeutige kristalline Struktur, wie Opal oder Obsidian, werden richtiger als Mineraloide bezeichnet. Wenn eine chemische Verbindung in der Natur mit verschiedenen Kristallstrukturen vorkommt, wird jede Struktur als eine andere Mineralart betrachtet. So sind z. B. Quarz und Stishovit zwei verschiedene Mineralien, die aus derselben Verbindung, nämlich Siliziumdioxid, bestehen. ⓘ

Die International Mineralogical Association (IMA) ist das allgemein anerkannte Standardgremium für die Definition und Nomenklatur von Mineralienarten. Mit Stand vom Januar 2022 erkennt die IMA 5.780 offizielle Mineralienarten von 5.981 vorgeschlagenen oder traditionellen Arten an. ⓘ

Die chemische Zusammensetzung einer benannten Mineralart kann durch kleine Mengen von Verunreinigungen etwas variieren. Spezielle Varietäten einer Art haben manchmal eigene konventionelle oder offizielle Namen. So ist beispielsweise der Amethyst eine violette Varietät der Mineralart Quarz. Einige Mineralarten können unterschiedliche Anteile von zwei oder mehr chemischen Elementen aufweisen, die gleichwertige Positionen in der Struktur des Minerals einnehmen; die Formel von Mackinawit lautet zum Beispiel (Fe,Ni)
₉S
₈, was bedeutet, dass Fe
_xNi
_9-xS
₈, wobei x eine variable Zahl zwischen 0 und 9 ist. Manchmal wird ein Mineral mit variabler Zusammensetzung mehr oder weniger willkürlich in verschiedene Arten aufgespalten, die eine Mineralgruppe bilden; dies ist der Fall bei den Silikaten Ca
_xMg
_yFe
_2-x-ySiO
₄, die Olivin-Gruppe. ⓘ

Neben der wesentlichen chemischen Zusammensetzung und der Kristallstruktur umfasst die Beschreibung einer Mineralart in der Regel auch ihre allgemeinen physikalischen Eigenschaften wie Habitus, Härte, Glanz, Diaphanie, Farbe, Streifigkeit, Zähigkeit, Spaltbarkeit, Bruch, Trennung, spezifisches Gewicht, Magnetismus, Fluoreszenz, Radioaktivität sowie ihren Geschmack oder Geruch und ihre Reaktion auf Säure. ⓘ

Mineralien werden nach den wichtigsten chemischen Bestandteilen klassifiziert; die beiden vorherrschenden Systeme sind die Klassifikation nach Dana und die Klassifikation nach Strunz. Silikatminerale machen etwa 90 % der Erdkruste aus. Andere wichtige Mineralgruppen sind die einheimischen Elemente, Sulfide, Oxide, Halogenide, Karbonate, Sulfate und Phosphate. ⓘ

Der Pyrit zählt zum kubischen Kristallsystem und bildet würfelförmige Körper. Dieses Fotomaterial zeigt einen Pyrit aus Navajún, La Rioja, Spanien, der zu einem großen Korpus aus vielen verschachtelten Pyrit-Kuben gewachsen ist. ⓘ

Ein Mineral (aus mittellateinisch aes minerale „Grubenerz“, im 16. Jahrhundert nach französischem Vorbild geprägt) ist im Gegensatz zum Gestein ein einzelnes Element oder eine einzelne chemische Verbindung, die im Allgemeinen kristallin und durch geologische Prozesse gebildet wurde. Der Plural lautet Minerale (in der Wissenschaft in Deutschland und Österreich verwendet) oder Mineralien (von Sammlern, Händlern und in der Deutschschweiz als Synonym zu Minerale verwendet). ⓘ

Die Mehrzahl der heute bekannten und von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständig anerkannten rund 5.650 Mineralarten (Stand 2020) ist anorganisch, doch auch einige organische Substanzen wie beispielsweise Mellit und Evenkit oder die Nierensteinbildner Whewellit und Weddellit sind als Minerale anerkannt, weil sie sich auch in freier Natur bilden. Einschließlich aller bekannten Mineral-Varietäten und synonymer Bezeichnungen (ca. 1200) sowie noch nicht anerkannter Mineralarten (ca. 120) existieren allerdings über 6.800 Mineralnamen (Stand 2018/19). ⓘ

Die Lehre von den Mineralen ist die Mineralogie, die von ihrer Verwendung und Bearbeitung die Lithurgik. ⓘ

Definitionen

Internationale Mineralogische Vereinigung

Die International Mineralogical Association hat die folgenden Anforderungen festgelegt, damit eine Substanz als eigenständiges Mineral betrachtet werden kann:

1. Es muss sich um eine natürlich vorkommende Substanz handeln, die durch natürliche geologische Prozesse auf der Erde oder anderen extraterrestrischen Körpern entstanden ist. Dies schließt Verbindungen aus, die direkt und ausschließlich durch menschliche Aktivitäten (anthropogen) oder in Lebewesen (biogen) entstehen, wie z. B. Wolframkarbid, Harnsteine, Kalziumoxalatkristalle in Pflanzengeweben und Muscheln. Stoffe dieser Art können jedoch in Frage kommen, wenn an ihrer Entstehung geologische Prozesse beteiligt waren (wie im Fall von Evenkit, das aus Pflanzenmaterial gewonnen wird, oder Taranakit, das aus Fledermausguano gewonnen wird, oder Alpersit, das aus Bergwerksabfällen gewonnen wird). Hypothetische Stoffe sind ebenfalls ausgeschlossen, selbst wenn sie in unzugänglichen natürlichen Umgebungen wie dem Erdkern oder anderen Planeten vorkommen sollen.
2. Es muss sich um einen festen Stoff in seinem natürlichen Vorkommen handeln. Eine wichtige Ausnahme von dieser Regel ist natives Quecksilber: Es wird von der IMA immer noch als Mineral eingestuft, obwohl es nur bei Temperaturen unter -39 °C kristallisiert, da es vor der Festlegung der aktuellen Regeln aufgenommen wurde. Wasser und Kohlendioxid gelten nicht als Mineralien, auch wenn sie häufig als Einschlüsse in anderen Mineralien vorkommen; Wassereis wird jedoch als Mineral betrachtet.
3. Es muss eine klar definierte kristallografische Struktur oder, allgemeiner ausgedrückt, eine geordnete atomare Anordnung aufweisen. Diese Eigenschaft impliziert mehrere makroskopische physikalische Eigenschaften, wie Kristallform, Härte und Spaltbarkeit. Sie schließt Ozokerit, Limonit, Obsidian und viele andere amorphe (nicht kristalline) Materialien aus, die in geologischen Zusammenhängen vorkommen.
4. Sie müssen eine ziemlich genau definierte chemische Zusammensetzung aufweisen. Bestimmte kristalline Stoffe mit fester Struktur, aber variabler Zusammensetzung können jedoch als einzelne Mineralienarten angesehen werden. Eine gängige Klasse von Beispielen sind Mischkristalle wie Mackinawit, (Fe, Ni)₉S₈, bei dem es sich größtenteils um ein Eisensulfid handelt, bei dem ein erheblicher Anteil der Eisenatome durch Nickelatome ersetzt wurde. Andere Beispiele sind Schichtkristalle mit variabler Schichtung oder Kristalle, die sich nur durch die regelmäßige Anordnung von Leerstellen und Substitutionen unterscheiden. Andererseits können einige Stoffe, die eine kontinuierliche Reihe von Zusammensetzungen aufweisen, willkürlich in mehrere Minerale aufgeteilt werden. Ein typisches Beispiel ist die Olivingruppe (Mg, Fe)₂SiO₄, deren magnesiumreiche und eisenreiche Endglieder als getrennte Minerale gelten (Forsterit und Fayalit). ⓘ

Die Einzelheiten dieser Regeln sind etwas umstritten. So gab es in letzter Zeit mehrere Vorschläge, amorphe Substanzen als Minerale einzustufen, die jedoch von der IMA nicht akzeptiert wurden. ⓘ

Die IMA zögert auch, Minerale zu akzeptieren, die in der Natur nur in Form von Nanopartikeln mit einem Durchmesser von einigen hundert Atomen vorkommen, hat aber keine Mindestkristallgröße festgelegt. ⓘ

Einige Autoren verlangen, dass das Material bei Raumtemperatur (25 °C) ein stabiler oder metastabiler Feststoff ist. Die IMA verlangt jedoch nur, dass der Stoff so stabil ist, dass seine Struktur und Zusammensetzung gut bestimmt werden kann. So hat sie beispielsweise kürzlich Meridianiit (ein natürlich vorkommendes Hydrat von Magnesiumsulfat) als Mineral anerkannt, obwohl es erst unterhalb von 2 °C gebildet wird und stabil ist. ⓘ

Im Januar 2022 sind 5.780 Mineralienarten von der IMA anerkannt. Am häufigsten werden sie nach einer Person benannt, gefolgt von einem Fundort; Namen, die auf der chemischen Zusammensetzung oder den physikalischen Eigenschaften beruhen, sind die beiden anderen großen Gruppen von Mineralnamen-Etymologien. Die meisten Namen enden auf "-it"; die Ausnahmen sind in der Regel Namen, die sich bereits vor der Etablierung der Mineralogie als Disziplin etabliert haben, z. B. Bleiglanz und Diamant. ⓘ

Biogene Minerale

Ein Streitpunkt zwischen Geologen und Mineralogen war die Entscheidung der IMA, biogene kristalline Substanzen auszuschließen. So stellte Lowenstam (1981) fest, dass "Organismen in der Lage sind, eine Vielzahl von Mineralien zu bilden, von denen einige in der Biosphäre nicht anorganisch gebildet werden können". ⓘ

Skinner (2005) betrachtet alle Feststoffe als potenzielle Mineralien und schließt Biominerale in das Mineralienreich ein, d. h. solche, die durch die Stoffwechselaktivitäten von Organismen gebildet werden. Skinner erweiterte die frühere Definition eines Minerals dahingehend, dass er "Elemente oder Verbindungen, amorph oder kristallin, die durch biogeochemische Prozesse gebildet werden", als Mineralien einstuft. ⓘ

Jüngste Fortschritte in der hochauflösenden Genetik und Röntgenabsorptionsspektroskopie liefern Erkenntnisse über die biogeochemischen Beziehungen zwischen Mikroorganismen und Mineralien, die ein neues Licht auf diese Frage werfen können. Die von der IMA beauftragte "Working Group on Environmental Mineralogy and Geochemistry" befasst sich beispielsweise mit Mineralien in der Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre. Die Gruppe befasst sich mit mineralbildenden Mikroorganismen, die auf fast allen Gesteins-, Boden- und Partikeloberflächen auf der ganzen Welt bis in Tiefen von mindestens 1600 Metern unter dem Meeresboden und 70 Kilometern in die Stratosphäre (möglicherweise bis in die Mesosphäre) vorkommen. ⓘ

Biogeochemische Zyklen haben seit Milliarden von Jahren zur Bildung von Mineralien beigetragen. Mikroorganismen können Metalle aus einer Lösung ausfällen und so zur Bildung von Erzlagerstätten beitragen. Sie können auch die Auflösung von Mineralien katalysieren. ⓘ

Vor der Auflistung durch die International Mineralogical Association waren über 60 Biominerale entdeckt, benannt und veröffentlicht worden. Diese Minerale (eine Untergruppe, die in Lowenstam (1981) aufgelistet ist) werden nach der Definition von Skinner (2005) als Mineralien im eigentlichen Sinne betrachtet. Diese Biominerale sind nicht in der offiziellen Liste der Mineraliennamen der International Mineral Association aufgeführt; viele dieser Vertreter der Biomineralien sind jedoch unter den 78 Mineralienklassen des Dana-Klassifikationsschemas zu finden. ⓘ

Die Definition eines Minerals von Skinner (2005) trägt diesem Umstand Rechnung, indem sie besagt, dass ein Mineral kristallin oder amorph sein kann. Obwohl Biominerale nicht die häufigste Form von Mineralen sind, helfen sie, die Grenzen dessen zu definieren, was ein Mineral im eigentlichen Sinne ist. In der formalen Definition von Nickel (1995) wird die Kristallinität ausdrücklich als Schlüssel zur Definition einer Substanz als Mineral genannt. In einem Artikel aus dem Jahr 2011 wurde Ikosaeder, eine Aluminium-Eisen-Kupfer-Legierung, als Mineral definiert; benannt nach seiner einzigartigen natürlichen ikosaedrischen Symmetrie, ist es ein Quasikristall. Im Gegensatz zu einem echten Kristall sind Quasikristalle geordnet, aber nicht periodisch. ⓘ

Bedeutung

Schiefer ist ein metamorphes Gestein, das durch eine Fülle von plattigen Mineralien gekennzeichnet ist. In diesem Beispiel weist das Gestein auffällige Sillimanit-Porphyroblasten auf, die bis zu 3 cm groß sind. ⓘ

Ein Gestein ist eine Ansammlung von einem oder mehreren Mineralen oder Mineraloiden. Einige Gesteine, wie Kalkstein oder Quarzit, bestehen hauptsächlich aus einem Mineral - Calcit oder Aragonit im Falle von Kalkstein und Quarz im letzteren Fall. Andere Gesteine lassen sich durch die relative Häufigkeit der wichtigsten Mineralien definieren; ein Granit wird durch das Verhältnis von Quarz, Alkalifeldspat und Plagioklasfeldspat bestimmt. Die anderen Minerale im Gestein werden als akzessorische Minerale bezeichnet und haben keinen großen Einfluss auf die Hauptzusammensetzung des Gesteins. Gesteine können auch vollständig aus nicht-mineralischem Material bestehen; Kohle ist ein Sedimentgestein, das hauptsächlich aus organisch gewonnenem Kohlenstoff besteht. ⓘ

In Gesteinen sind einige Mineralarten und -gruppen wesentlich häufiger vertreten als andere; diese werden als gesteinsbildende Minerale bezeichnet. Die wichtigsten Beispiele hierfür sind Quarz, Feldspäte, Glimmer, Amphibole, Pyroxene, Olivine und Calcit; mit Ausnahme des letztgenannten Minerals sind alle diese Minerale Silikate. Insgesamt werden etwa 150 Minerale als besonders wichtig angesehen, sei es aufgrund ihres Vorkommens oder aufgrund ihres ästhetischen Wertes für das Sammeln. ⓘ

Kommerziell wertvolle Mineralien und Gesteine, die keine Edelsteine, Metallerze oder mineralische Brennstoffe sind, werden als Industrieminerale bezeichnet. Muskovit, ein weißer Glimmer, kann zum Beispiel für Fenster (manchmal auch als Isinglas bezeichnet), als Füllstoff oder als Isolator verwendet werden. ⓘ

Erze sind Mineralien, die eine hohe Konzentration eines bestimmten Elements, in der Regel eines Metalls, aufweisen. Beispiele sind Zinnober (HgS), ein Quecksilbererz, Sphalerit (ZnS), ein Zinkerz, Kassiterit (SnO₂), ein Zinnerz, und Colemanit, ein Borerz. ⓘ

Edelsteine sind Mineralien mit Zierwert, die sich von Nicht-Edelsteinen durch ihre Schönheit, Beständigkeit und in der Regel durch ihre Seltenheit unterscheiden. Es gibt etwa 20 Mineralienarten, die als Edelsteinminerale gelten und die etwa 35 der häufigsten Edelsteine ausmachen. Edelsteinminerale kommen oft in mehreren Varianten vor, so dass ein Mineral mehrere verschiedene Edelsteine ausmachen kann; Rubin und Saphir sind zum Beispiel beide Korund, Al₂O₃. ⓘ

Petrologische Bedeutung

Jedes Mineral ist nur unter bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen thermodynamisch stabil. Außerhalb seines Stabilitätsbereiches wandelt es sich mit der Zeit in die dort stabile Modifikation um. Einige Phasenumwandlungen erfolgen schlagartig beim Verlassen des Stabilitätsfeldes (zum Beispiel Hochquarz-Tiefquarz), andere sind kinetisch gehemmt und dauern Millionen Jahre. Teilweise ist die Aktivierungsenergie sogar so hoch, dass die thermodynamisch instabile Modifikation als metastabile Phase erhalten bleibt (zum Beispiel Diamant-Graphit). Diese Hemmung der Reaktion führt zu einem „Einfrieren“ des thermodynamischen Gleichgewichts, das zu einem früheren Zeitpunkt herrschte. Daher liefert der Mineralbestand eines Gesteins Informationen über die Bildung und Entwicklungsgeschichte eines Gesteins und trägt damit zur Kenntnis des Ursprungs und der Entwicklung des Planeten Erde bei (siehe auch Präsolares Mineral). ⓘ

Lagerstättenkundliche Bedeutung

Mineralische Rohstoffe werden in Energierohstoffe, Eigenschaftsrohstoffe und Elementrohstoffe unterteilt. Energierohstoffe sind zum Beispiel die Minerale Uraninit und Thorit als Kernbrennstoffe. Eigenschaftsrohstoffe werden ohne chemische Zerlegung in der Technik verwendet, darunter fallen zum Beispiel Quarz für die Glas- und Tonminerale für die keramische Industrie. Elementrohstoffe werden mit dem Ziel abgebaut, ein bestimmtes chemisches Element zu gewinnen. Handelt es sich dabei um ein Metall, so spricht man von einem Erz. Eine Anreicherung von Rohstoffen bezeichnet man als Lagerstätte, wenn sie wirtschaftlich abbaubar ist. Der Begriff ist somit ökonomisch, nicht wissenschaftlich geprägt: Ob ein gegebenes Vorkommen kommerziell ausgebeutet werden kann, hängt von den Abbau- und Aufbereitungskosten und dem Marktwert des enthaltenen Metalls ab – während der Eisenanteil von Mineralen bei bis zu 50 % liegen muss, um einen finanziellen Gewinn zu erzielen, reichte im Jahr 2003 bei dem wesentlich wertvolleren Platin bereits ein Anteil von 0,00001 % dazu aus. Neben der Gliederung nach der Verwendung des Rohstoffs ist auch eine Klassifizierung nach der Entstehung üblich. Sedimentäre Lagerstätten, wie zum Beispiel die gebänderten Eisenerzformationen, bildeten sich durch Fällungsreaktionen bei Änderung von pH-Wert, Druck und Temperatur oder durch den Einfluss von Bakterien oder durch Verwitterungsprozesse und den Transport von Mineralen aus ihrem ursprünglichen Entstehungsgebiet und ihre Ablagerung als (Seifen), zum Beispiel von Seifengold, am Grund von Flüssen, Seen oder flachen Meeren. Hydrothermale Lagerstätten bilden sich, indem Oberflächen- oder Tiefenwässer bestimmte Elemente aus den umgebenden Gesteinen lösen und diese an anderer Stelle ablagern oder aus Restfluiden nach der Erstarrung eines Magmas. Magmatische Lagerstätten entstehen durch die Kristallisation eines Magmas. Ein Beispiel sind viele Platin- und Chromit-Lagerstätten. Metamorphe Lagerstätten entstehen erst durch die Umwandlung von Gesteinen, zum Beispiel Marmor-Lagerstätten. ⓘ

Gemmologische Bedeutung

Diamanten im Brillantschliff ⓘ

Einige Minerale finden als Schmuck Verwendung. Wenn sie transparent sind und ihre Härte größer als 7 ist, bezeichnet man sie als Edelsteine, andernfalls als Schmucksteine. 95 Prozent des weltweiten Umsatzes auf diesem Markt wird mit Diamanten erzielt, der Rest fast überwiegend mit Saphiren, Smaragden, Rubinen und Turmalinen. Um die durch Farbe und Glanz beeinflusste Schönheit eines Schmucksteins zur Geltung zu bringen, muss er geschliffen und poliert werden. Dazu existieren zahlreiche verschiedene Schliffformen: Durchsichtige oder durchscheinende Varietäten werden in der Regel mit Facettenschliffen versehen, bei denen meist in festen Winkelbeziehungen zueinanderstehende Flächen, die sogenannten Facetten, die Lichtreflexion maximieren. Undurchsichtige Minerale erhalten hingegen glatte, einflächige Schliffe. Der Asterismuseffekt eines Sternsaphirs beispielsweise lässt sich nur durch den Cabochonschliff erzielen. Das Feuer eines im Brillantschliff geschliffenen Diamanten hängt in der Hauptsache von der Einhaltung bestimmter Winkelverhältnisse der einzelnen Facetten ab und entsteht durch die Aufspaltung des weißen Lichtes in die einzelnen sichtbaren Farben (Dispersion). ⓘ

Sonstige Bedeutung

Fundortspezifische Sammlung des Museo de Ciencias Naturales de Álava ⓘ

Einige Minerale finden auch als Mittel zur Körperpflege Verwendung. Lavaerde beispielsweise, ein gemahlener Ton, der reich an Tonmineralen der Saponitgruppe ist, wird bereits seit der Antike als Körper- und Haarreinigungsmittel verwendet. Andere Minerale, wie zum Beispiel Talk, dienen ebenso als Rohstoff in der bildenden Kunst wie auch medizinischen Zwecken (Pleurodese, Gleitmittel bei der Tablettenherstellung). ⓘ

In vielen alten Kulturen, aber auch in der modernen Esoterik schrieb und schreibt man bestimmten Mineralen gewisse Schutz- und Heilwirkungen zu. Beispielsweise galt bereits im Alten Ägypten der Karneol aufgrund seiner an Blut erinnernden Farbe als „Lebensstein“ und spielte bei Bestattungsritualen wie auch als Schutz- und Schmuckstein der Pharaonen eine entsprechende Rolle. Legendär sind auch die angeblichen Heil- und Schutzkräfte des Bernsteins, die schon von Thales von Milet und Hildegard von Bingen beschrieben wurden. ⓘ

Minerale können auch als Sammelobjekt von Bedeutung sein, entweder in wissenschaftlichen Mineralsammlungen zur Darstellung des Mineralbestands eines Fundortes (Typmaterial) oder für private Hobbysammler, die sich auf Fundortsammlungen oder verschiedene systematische Sammlungen spezialisiert haben. Aufgrund der Seltenheit vieler Minerale, die zudem oft nur in sehr kleinen Proben zu bekommen sind, sammeln Privatsammler mit Spezialisierung auf systematische Sammlungen aus Platz- und Kostengründen gerne auch Micromounts. ⓘ

Etymologie

Die erste bekannte Verwendung des Wortes "Mineral" in der englischen Sprache (Mittelenglisch) stammt aus dem 15. Das Wort stammt aus dem Mittellateinischen: minerale, von minera, Mine, Erz. ⓘ

Das Wort "species" kommt vom lateinischen species, "eine bestimmte Art, ein bestimmter Typ mit einem bestimmten Aussehen oder einer bestimmten Erscheinung". ⓘ

Chemie

Hübnerit, das manganreiche Endglied der Wolframitreihe, mit etwas Quarz im Hintergrund ⓘ

Die Häufigkeit und Vielfalt von Mineralen wird direkt durch ihre Chemie bestimmt, die wiederum von den Elementhäufigkeiten in der Erde abhängt. Die meisten der beobachteten Minerale stammen aus der Erdkruste. Acht Elemente machen aufgrund ihrer Häufigkeit in der Erdkruste den Großteil der Hauptbestandteile von Mineralien aus. Diese acht Elemente, die zusammen über 98 % des Gewichts der Erdkruste ausmachen, sind in der Reihenfolge ihrer abnehmenden Häufigkeit: Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen, Magnesium, Kalzium, Natrium und Kalium. Sauerstoff und Silizium sind bei weitem die beiden wichtigsten - Sauerstoff macht 47 % des Gewichts der Kruste aus, Silizium 28 %. ⓘ

Die Mineralien, die sich bilden, sind diejenigen, die bei der Temperatur und dem Druck der Bildung am stabilsten sind, und zwar innerhalb der Grenzen, die durch die Grundchemie des Grundkörpers vorgegeben sind. In den meisten Eruptivgesteinen kommen beispielsweise die Aluminium- und Alkalimetalle (Natrium und Kalium) in erster Linie in Kombination mit Sauerstoff, Silizium und Kalzium als Feldspatmineralien vor. Wenn das Gestein jedoch ungewöhnlich reich an Alkalimetallen ist, ist nicht genug Aluminium vorhanden, um sich mit dem gesamten Natrium zu Feldspat zu verbinden, und das überschüssige Natrium bildet natriumhaltige Amphibole wie z. B. Riebeckit. Ist der Aluminiumgehalt ungewöhnlich hoch, bildet das überschüssige Aluminium Muskovit oder andere aluminiumhaltige Minerale. Bei Siliziummangel wird ein Teil des Feldspats durch feldspathoide Minerale ersetzt. Genaue Vorhersagen darüber, welche Minerale in einem Gestein mit einer bestimmten Zusammensetzung, das bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck entstanden ist, vorhanden sein werden, erfordern komplexe thermodynamische Berechnungen. Ungefähre Schätzungen können jedoch anhand relativ einfacher Faustregeln vorgenommen werden, wie z. B. der CIPW-Norm, die vernünftige Schätzungen für vulkanisches Gestein aus Trockenmagma liefert. ⓘ

Die chemische Zusammensetzung kann zwischen den Endgliedern einer Mischkristallreihe variieren. Beispielsweise umfassen die Plagioklas-Feldspäte eine kontinuierliche Reihe vom natriumreichen Endglied Albit (NaAlSi₃O₈) bis zum kalziumreichen Anorthit (CaAl₂Si₂O₈) mit vier anerkannten Zwischensorten dazwischen (in der Reihenfolge von natrium- bis kalziumreich): Oligoklas, Andesin, Labradorit und Bytownit. Weitere Beispiele für Serien sind die Olivin-Serie aus magnesiumreichem Forsterit und eisenreichem Fayalit sowie die Wolframit-Serie aus manganreichem Hübnerit und eisenreichem Ferberit. ⓘ

Chemische Substitution und Koordinationspolyeder erklären dieses gemeinsame Merkmal der Minerale. In der Natur sind Minerale keine reinen Substanzen, sondern werden durch andere Elemente verunreinigt, die in dem jeweiligen chemischen System vorhanden sind. Daher ist es möglich, dass ein Element durch ein anderes ersetzt wird. Chemische Substitution findet zwischen Ionen ähnlicher Größe und Ladung statt; so kann beispielsweise K⁺ nicht durch Si⁴⁺ ersetzt werden, da es aufgrund des großen Größen- und Ladungsunterschieds zu chemischen und strukturellen Inkompatibilitäten kommt. Ein gängiges Beispiel für eine chemische Substitution ist die von Si⁴⁺ durch Al³⁺, die sich in Bezug auf Ladung, Größe und Häufigkeit in der Kruste ähneln. Im Beispiel von Plagioklas gibt es drei Fälle von Substitution. Feldspäte sind alle Gerüstsilikate, die ein Silizium-Sauerstoff-Verhältnis von 2:1 haben, und der Platz für andere Elemente wird durch die Substitution von Si⁴⁺ durch Al³⁺ geschaffen, um eine Basiseinheit von [AlSi₃O₈]- zu erhalten; ohne die Substitution wäre die Formel als SiO₂ ausgeglichen, was Quarz ergibt. Die Bedeutung dieser Struktureigenschaft wird anhand von Koordinationspolyedern näher erläutert. Die zweite Substitution erfolgt zwischen Na⁺ und Ca²⁺; der Ladungsunterschied muss jedoch durch eine zweite Substitution von Si⁴⁺ durch Al³⁺ ausgeglichen werden. ⓘ

Koordinationspolyeder sind geometrische Darstellungen, die zeigen, wie ein Kation von einem Anion umgeben ist. In der Mineralogie werden Koordinationspolyeder in der Regel in Bezug auf Sauerstoff betrachtet, da dieser in der Erdkruste sehr häufig vorkommt. Die Grundeinheit der Silikatminerale ist das Silikat-Tetraeder - ein Si⁴⁺, umgeben von vier O2-. Eine andere Möglichkeit, die Koordination des Silikats zu beschreiben, ist die Angabe einer Zahl: Im Fall des Kieselerdentetraeders hat das Silicium eine Koordinationszahl von 4. Verschiedene Kationen haben einen bestimmten Bereich möglicher Koordinationszahlen; für Silicium ist es fast immer 4, außer bei Mineralen unter sehr hohem Druck, bei denen die Verbindung so komprimiert ist, dass das Silicium in sechsfacher (oktaedrischer) Koordination mit Sauerstoff vorliegt. Größere Kationen haben eine höhere Koordinationszahl, da sie im Vergleich zum Sauerstoff größer sind (die letzte Orbitalunterschale der schwereren Atome ist ebenfalls anders). Veränderungen in der Koordinationszahl führen zu physikalischen und mineralogischen Unterschieden; bei hohem Druck, z. B. im Erdmantel, wandeln sich beispielsweise viele Minerale, insbesondere Silikate wie Olivin und Granat, in eine Perowskit-Struktur um, bei der das Silizium oktaedrisch koordiniert ist. Andere Beispiele sind die Alumosilikate Kyanit, Andalusit und Sillimanit (Polymorphe, da sie die Formel Al₂SiO₅ teilen), die sich durch die Koordinationszahl des Al³⁺ unterscheiden; diese Minerale gehen als Reaktion auf Druck- und Temperaturänderungen ineinander über. Bei den Silikaten ermöglicht die Substitution von Si⁴⁺ durch Al³⁺ eine Vielzahl von Mineralien, da ein Ladungsausgleich erforderlich ist. ⓘ

Da die acht häufigsten Elemente mehr als 98 % der Erdkruste ausmachen, werden die geringen Mengen der anderen Elemente, die typischerweise vorhanden sind, in den gewöhnlichen gesteinsbildenden Mineralen ersetzt. Die charakteristischen Minerale der meisten Elemente sind recht selten und werden nur dort gefunden, wo diese Elemente durch geologische Prozesse, wie z. B. hydrothermale Zirkulation, so stark konzentriert wurden, dass sie nicht mehr in gewöhnlichen Mineralen untergebracht werden können. ⓘ

Wenn Minerale reagieren, nehmen die Produkte manchmal die Form des Reagens an; das Produktmineral wird als Pseudomorph des Reagens (oder nach ihm) bezeichnet. Hier ist eine Pseudomorphie von Kaolinit nach Orthoklas abgebildet. Hier hat das Pseudomorph die für Orthoklas typische Karlsbader Zwillingsbildung erhalten. ⓘ

Änderungen von Temperatur, Druck und Zusammensetzung verändern die Mineralogie einer Gesteinsprobe. Veränderungen in der Zusammensetzung können durch Prozesse wie Verwitterung oder Metasomatismus (hydrothermale Alteration) verursacht werden. Temperatur- und Druckänderungen treten auf, wenn das Wirtsgestein eine tektonische oder magmatische Bewegung in unterschiedliche physikalische Zustände erfährt. Die veränderten thermodynamischen Bedingungen begünstigen die Reaktion von Mineralgruppen miteinander, um neue Minerale zu bilden. So ist es möglich, dass zwei Gesteine eine identische oder sehr ähnliche Gesteinschemie aufweisen, ohne eine ähnliche Mineralogie zu haben. Dieser Prozess der mineralogischen Umwandlung ist mit dem Gesteinszyklus verbunden. Ein Beispiel für eine Reihe von Mineralreaktionen wird im Folgenden dargestellt. ⓘ

Orthoklas-Feldspat (KAlSi₃O₈) ist ein Mineral, das häufig in Granit, einem plutonischen Eruptivgestein, vorkommt. Bei Verwitterung reagiert es zu Kaolinit (Al₂Si₂O₅(OH)₄, einem Sedimentmineral, und Kieselsäure):

2 KAlSi₃O₈ + 5 H₂O + 2 H⁺ → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4 H₂SiO₃ + 2 K^{+ ⓘ}

Unter niedriggradigen metamorphen Bedingungen reagiert Kaolinit mit Quarz und bildet Pyrophyllit (Al₂Si₄O₁₀(OH)₂):

Al₂Si₂O₅(OH)₄ + SiO₂ → Al₂Si₄O₁₀(OH)₂ + H₂O ⓘ

Mit zunehmendem metamorphen Grad reagiert der Pyrophyllit zu Kyanit und Quarz:

Al₂Si₄O₁₀(OH)₂ → Al₂SiO₅ + 3 SiO₂ + H₂O ⓘ

Alternativ kann ein Mineral seine Kristallstruktur als Folge von Temperatur- und Druckänderungen ändern, ohne zu reagieren. So verwandelt sich beispielsweise Quarz bei hohen Temperaturen in eine Vielzahl seiner SiO₂-Polymorphe, wie Tridymit und Cristobalit, und bei hohem Druck in Coesit. ⓘ

Physikalische Eigenschaften

Die Klassifizierung von Mineralen ist einfach bis schwierig. Ein Mineral kann anhand mehrerer physikalischer Eigenschaften identifiziert werden, wobei einige von ihnen für eine eindeutige Identifizierung ausreichen. In anderen Fällen können Minerale nur durch komplexere optische, chemische oder Röntgenbeugungsanalysen klassifiziert werden; diese Methoden können jedoch kostspielig und zeitaufwendig sein. Zu den physikalischen Eigenschaften, die für die Klassifizierung herangezogen werden, gehören Kristallstruktur und Habitus, Härte, Glanz, Diaphanie, Farbe, Streifigkeit, Spaltbarkeit und Bruch sowie das spezifische Gewicht. Andere, weniger allgemeine Tests umfassen Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Magnetismus, Radioaktivität, Zähigkeit (Reaktion auf mechanisch induzierte Formveränderungen), Piezoelektrizität und Reaktivität gegenüber verdünnten Säuren. ⓘ

Kristallstruktur und Habitus

Topas hat eine charakteristische orthorhombische, langgestreckte Kristallform. ⓘ

Die Kristallstruktur ergibt sich aus der geordneten geometrischen räumlichen Anordnung der Atome in der inneren Struktur eines Minerals. Diese Kristallstruktur beruht auf einer regelmäßigen inneren atomaren oder ionischen Anordnung, die sich häufig in der geometrischen Form des Kristalls ausdrückt. Selbst wenn die Mineralkörner zu klein sind, um sie zu sehen, oder unregelmäßig geformt sind, ist die zugrunde liegende Kristallstruktur immer periodisch und kann durch Röntgenbeugung bestimmt werden. Mineralien werden in der Regel durch ihren Symmetriegehalt beschrieben. Kristalle sind auf 32 Punktgruppen beschränkt, die sich durch ihre Symmetrie unterscheiden. Diese Gruppen werden wiederum in umfassendere Kategorien eingeteilt, von denen die sechs Kristallfamilien die umfangreichste sind. ⓘ

Diese Familien lassen sich durch die relativen Längen der drei kristallographischen Achsen und die Winkel zwischen ihnen beschreiben; diese Beziehungen entsprechen den Symmetrieoperationen, die die engeren Punktgruppen definieren. Diese Beziehungen entsprechen den Symmetrieoperationen, die die engeren Punktgruppen definieren. Sie werden im Folgenden zusammengefasst; a, b und c stehen für die Achsen und α, β, γ für den Winkel gegenüber der jeweiligen kristallographischen Achse (z. B. ist α der Winkel gegenüber der a-Achse, d. h. der Winkel zwischen den Achsen b und c):

Kristallfamilie	Längen	Winkel	Allgemeine Beispiele ⓘ
Isometrisch	a = b = c	α = β = γ = 90°	Granat, Halit, Pyrit
Tetragonal	a = b ≠ c	α = β = γ = 90°	Rutil, Zirkon, Andalusit
Orthorhombisch	a ≠ b ≠ c	α = β = γ = 90°	Olivin, Aragonit, Orthopyroxene
Hexagonal	a = b ≠ c	α = β = 90°, γ = 120°	Quarz, Calcit, Turmalin
Monoklin	a ≠ b ≠ c	α = γ = 90°, β ≠ 90°	Klinopyroxene, Orthoklas, Gips
Triklin	a ≠ b ≠ c	α ≠ β ≠ γ ≠ 90°	Anorthit, Albit, Kyanit

Die hexagonale Kristallfamilie wird ebenfalls in zwei Kristallsysteme unterteilt - das trigonale, das eine dreifache Symmetrieachse hat, und das hexagonale, das eine sechsfache Symmetrieachse hat. ⓘ

Chemie und Kristallstruktur zusammen definieren ein Mineral. Bei einer Beschränkung auf 32 Punktgruppen können Minerale mit unterschiedlicher Chemie eine identische Kristallstruktur aufweisen. So gehören beispielsweise Halit (NaCl), Bleiglanz (PbS) und Periklas (MgO) alle zur hexaoktaedrischen Punktgruppe (isometrische Familie), da sie eine ähnliche Stöchiometrie zwischen ihren verschiedenen Bestandteilen aufweisen. Im Gegensatz dazu sind Polymorphe Gruppen von Mineralen, die eine gemeinsame chemische Formel, aber eine unterschiedliche Struktur haben. So haben beispielsweise Pyrit und Markasit, beides Eisensulfide, die Formel FeS₂; ersteres ist jedoch isometrisch, während letzteres orthorhombisch ist. Dieser Polymorphismus erstreckt sich auch auf andere Sulfide mit der allgemeinen Formel AX₂; diese beiden Gruppen werden als Pyrit- und Markasitgruppen bezeichnet. ⓘ

Der Polymorphismus kann über den reinen Symmetriegehalt hinausgehen. Die Alumosilikate sind eine Gruppe von drei Mineralen - Kyanit, Andalusit und Sillimanit -, die die chemische Formel Al₂SiO₅ aufweisen. Kyanit ist triklin, während Andalusit und Sillimanit beide orthorhombisch sind und zur dipyramidalen Punktgruppe gehören. Diese Unterschiede ergeben sich daraus, wie das Aluminium in der Kristallstruktur koordiniert ist. In allen Mineralen ist immer ein Aluminium-Ion in sechsfacher Koordination mit Sauerstoff. Silizium ist in der Regel in allen Mineralen vierfach koordiniert; eine Ausnahme bildet Stishovit (SiO₂, ein Ultrahochdruck-Quarzpolymorph mit Rutilstruktur). In Kyanit liegt das zweite Aluminium in sechsfacher Koordination vor; seine chemische Formel kann als Al^[6]Al^[6]SiO₅ ausgedrückt werden, um seine Kristallstruktur wiederzugeben. Bei Andalusit liegt das zweite Aluminium in fünffacher Koordination vor (Al^[6]Al^[5]SiO₅) und bei Sillimanit in vierfacher Koordination (Al^[6]Al^[4]SiO₅). ⓘ

Die Unterschiede in der Kristallstruktur und der Chemie wirken sich stark auf andere physikalische Eigenschaften des Minerals aus. Die Kohlenstoff-Allotrope Diamant und Graphit haben sehr unterschiedliche Eigenschaften: Diamant ist der härteste natürliche Stoff, hat einen diamantenen Glanz und gehört zur isometrischen Kristallfamilie, während Graphit sehr weich ist, einen fettigen Glanz hat und in der hexagonalen Familie kristallisiert. Dieser Unterschied ist auf unterschiedliche Bindungen zurückzuführen. In Diamant befinden sich die Kohlenstoffe in sp³-Hybridorbitalen, d. h. sie bilden ein Gerüst, in dem jeder Kohlenstoff kovalent mit vier Nachbarn tetraedrisch verbunden ist; Graphit hingegen besteht aus Kohlenstoffplatten in sp²-Hybridorbitalen, in denen jeder Kohlenstoff nur mit drei anderen kovalent verbunden ist. Diese Schichten werden durch viel schwächere van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, und diese Diskrepanz führt zu großen makroskopischen Unterschieden. ⓘ

Kontaktzwillinge, wie sie in Spinell vorkommen ⓘ

Unter Zwillingen versteht man das Zusammenwachsen von zwei oder mehr Kristallen einer einzigen Mineralart. Die Geometrie der Zwillinge wird durch die Symmetrie des Minerals bestimmt. Daher gibt es mehrere Arten von Zwillingen, darunter Kontaktzwillinge, netzartige Zwillinge, genikulierte Zwillinge, Penetrationszwillinge, zyklische Zwillinge und polysynthetische Zwillinge. Kontaktzwillinge oder einfache Zwillinge bestehen aus zwei Kristallen, die in einer Ebene miteinander verbunden sind; diese Art von Zwillingen ist häufig bei Spinell zu finden. Bei netzartigen Zwillingen, die häufig in Rutil vorkommen, handelt es sich um ineinandergreifende Kristalle, die einem Netz ähneln. Genikulierte Zwillinge weisen in der Mitte eine Biegung auf, die durch den Beginn des Zwillings verursacht wird. Durchdringungszwillinge bestehen aus zwei ineinander gewachsenen Einkristallen; Beispiele für diese Zwillinge sind kreuzförmige Staurolithzwillinge und Karlsbader Zwillinge in Orthoklas. Zyklische Zwillinge werden durch wiederholte Zwillingsbildung um eine Rotationsachse verursacht. Diese Art der Zwillingsbildung tritt um drei, vier, fünf, sechs oder acht Achsen auf, und die entsprechenden Muster werden als Dreifachzwillinge, Vierfachzwillinge, Fünffachzwillinge, Sechsfachzwillinge und Achtfachzwillinge bezeichnet. Sechslinge sind in Aragonit häufig. Polysynthetische Zwillinge ähneln den zyklischen Zwillingen durch das Vorhandensein repetitiver Zwillinge; statt um eine Rotationsachse zu verlaufen, treten polysynthetische Zwillinge jedoch entlang paralleler Ebenen auf, in der Regel auf mikroskopischer Ebene. ⓘ

Der Kristallhabitus bezieht sich auf die Gesamtform des Kristalls. Zur Beschreibung dieser Eigenschaft werden mehrere Begriffe verwendet. Zu den gebräuchlichen Habits gehören nadelförmig (nadelförmige Kristalle wie bei Natrolith), blattförmig, dendritisch (baumförmig, häufig bei nativem Kupfer), gleichmäßig (typisch für Granat), prismatisch (in eine Richtung gestreckt) und tafelförmig, was sich vom blattförmigen Habit dadurch unterscheidet, dass ersterer plattig ist, während letzterer eine definierte Streckung aufweist. Im Zusammenhang mit der Kristallform ist die Qualität der Kristallflächen bei einigen Mineralien diagnostisch, insbesondere unter dem petrographischen Mikroskop. Euedrische Kristalle haben eine definierte äußere Form, während anedrische Kristalle dies nicht haben; diese Zwischenformen werden als subedrisch bezeichnet. ⓘ

Frei kristallisierte Minerale zeigen äußerlich eine geometrische Form mit definierten natürlichen Flächen, die in feststehenden Winkelverhältnissen zueinander stehen, je nach dem spezifischen Kristallsystem, dem das Mineral zugeordnet ist. Dies wird auch als Gesetz der Winkelkonstanz (Nicolaus Steno) bezeichnet. Die symmetrische Anordnung der Flächen ist Ausdruck der inneren Struktur eines kristallinen Minerals: Es zeigt eine wohlgeordnete Atomstruktur, die durch vielfach wiederholte Aneinanderreihung sogenannter Elementarzellen entsteht, die die kleinste Struktureinheit des Minerals ausmachen. Man unterscheidet aufgrund der inneren Symmetrie sechs bis sieben Kristallsysteme, nämlich das kubische, das hexagonale, das trigonale, das tetragonale, das orthorhombische, das monokline und das trikline System. Das hexagonale und das trigonale System werden von manchen Mineralogen gelegentlich zusammengefasst. Zwei oder mehr Mineralindividuen, die in einer bestimmten kristallographischen Orientierung miteinander verwachsen sind, bezeichnet man als Zwillinge. Sie entstehen beim Wachstum oder bei der Deformation des Gesteins. Vielfachzwillinge bilden oft sogenannte Zwillingslamellen, die nicht mit den Entmischungslamellen verwechselt werden dürfen, die entstehen, wenn ein Mischkristall bei der Abkühlung thermodynamisch instabil wird und sich Präzipitate bilden. ⓘ

Härte

Diamant ist das härteste natürliche Material und hat eine Mohshärte von 10. ⓘ

Die Härte eines Minerals gibt an, wie sehr es Kratzern widerstehen kann. Diese physikalische Eigenschaft wird durch die chemische Zusammensetzung und die kristalline Struktur eines Minerals bestimmt. Die Härte eines Minerals ist nicht notwendigerweise für alle Seiten konstant, was eine Funktion seiner Struktur ist; kristallographische Schwächen machen einige Richtungen weicher als andere. Ein Beispiel für diese Eigenschaft ist Kyanit, das parallel zu [001] eine Mohshärte von 5½, parallel zu [100] jedoch 7 aufweist. ⓘ

Die gebräuchlichste Messskala ist die ordinale Mohs-Härteskala. Sie wird durch zehn Indikatoren definiert, wobei ein Mineral mit einem höheren Index die darunter liegenden kratzt. Die Skala reicht von Talk, einem Schichtsilikat, bis zu Diamant, einem polymorphen Kohlenstoff, der das härteste natürliche Material ist. Die Skala ist unten aufgeführt:

Mohs-Härte	Mineral	Chemische Formel ⓘ
1	Talkum	Mg3Si4O10(OH)2
2	Gips	CaSO4-2H2O
3	Calcit	CaCO3
4	Fluorit	CaF2
5	Apatit	Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)
6	Orthoklas	KAlSi3O8
7	Quarz	SiO2
8	Topas	Al2SiO4(OH,F)2
9	Korund	Al2O3
10	Diamant	C

Andere Skalen umfassen diese;

• Shore-Härtetest, der die Widerstandsfähigkeit eines Minerals auf der Grundlage des Eindrückens eines federbelasteten Geräts misst.
• Die Rockwell-Skala
• Die Vickers-Härteprüfung
• Die Brinell-Skala ⓘ

Glanz und Diaphanie

Pyrit hat einen metallischen Glanz. ⓘ

Der Glanz gibt an, wie das Licht von der Oberfläche des Minerals reflektiert wird, und zwar in Bezug auf seine Qualität und Intensität. Es gibt zahlreiche qualitative Begriffe zur Beschreibung dieser Eigenschaft, die in metallische und nichtmetallische Kategorien unterteilt werden. Metallische und submetallische Minerale haben ein hohes Reflexionsvermögen wie Metall; Beispiele für Minerale mit diesem Glanz sind Bleiglanz und Pyrit. Zu den nichtmetallischen Glanzeffekten gehören: adamantinisch, wie z. B. bei Diamanten; glasig, ein glasartiger Glanz, der bei Silikatmineralen sehr häufig vorkommt; perlmuttartig, wie z. B. bei Talk und Apophyllit; harzig, wie z. B. bei Vertretern der Granatgruppe; seidig, wie z. B. bei faserigen Mineralen wie asbestartigem Chrysotil. ⓘ

Die Diaphanie eines Minerals beschreibt die Fähigkeit, Licht zu durchdringen. Transparente Minerale schwächen die Intensität des durch sie hindurchgehenden Lichts nicht ab. Ein Beispiel für ein transparentes Mineral ist Muskovit (Kali-Glimmer); einige Sorten sind so klar, dass sie für Fenster verwendet wurden. Transluzente Minerale lassen etwas Licht durch, aber weniger als transparente Minerale. Jadeit und Nephrit (Mineralformen der Jade) sind Beispiele für Minerale mit dieser Eigenschaft. Minerale, die kein Licht durchlassen, werden als undurchsichtig bezeichnet. ⓘ

Die Diaphanie eines Minerals hängt von der Dicke der Probe ab. Wenn ein Mineral ausreichend dünn ist (z. B. in einem Dünnschliff für die Petrographie), kann es durchsichtig werden, auch wenn diese Eigenschaft in einer Handprobe nicht sichtbar ist. Im Gegensatz dazu sind einige Minerale, wie Hämatit oder Pyrit, selbst im Dünnschliff undurchsichtig. ⓘ

Farbe und Streifigkeit

Die Farbe ist normalerweise keine diagnostische Eigenschaft von Mineralen. Abgebildet sind grüner Uvarovit (links) und rot-rosa Grossular (rechts), beides Granate. Zu den diagnostischen Merkmalen gehören dodekaedrische Kristalle, harziger Glanz und eine Härte um 7. ⓘ

Die Farbe ist die offensichtlichste Eigenschaft eines Minerals, aber sie ist oft nicht diagnostisch. Sie wird durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Elektronen verursacht (mit Ausnahme der Glut, die nicht auf Mineralien zutrifft). Zwei große Klassen von Elementen (idiochromatische und allochromatische) werden im Hinblick auf ihren Beitrag zur Farbe eines Minerals definiert: Idiochromatische Elemente sind wesentlich für die Zusammensetzung eines Minerals; ihr Beitrag zur Farbe eines Minerals ist diagnostisch. Beispiele für solche Minerale sind Malachit (grün) und Azurit (blau). Im Gegensatz dazu sind allochromatische Elemente in Mineralien nur in Spuren als Verunreinigungen vorhanden. Ein Beispiel für ein solches Mineral sind die Rubin- und Saphirvarietäten des Minerals Korund. Die Farben pseudochromatischer Minerale sind das Ergebnis der Interferenz von Lichtwellen. Beispiele hierfür sind Labradorit und Bornit. ⓘ

Neben der reinen Körperfarbe können Minerale verschiedene andere charakteristische optische Eigenschaften aufweisen, wie Farbspiele, Asterismus, Chatoyanz, Schillern, Anlaufen und Pleochroismus. Bei mehreren dieser Eigenschaften handelt es sich um Farbschwankungen. Das Farbenspiel, z. B. bei Opal, entsteht dadurch, dass die Probe beim Drehen unterschiedliche Farben reflektiert, während der Pleochroismus die Farbveränderung beschreibt, wenn das Licht ein Mineral in unterschiedlicher Ausrichtung durchdringt. Das Schillern ist eine Variante des Farbenspiels, bei der das Licht an einer Beschichtung der Kristalloberfläche, an Spaltflächen oder an Schichten mit geringen chemischen Abstufungen gestreut wird. Im Gegensatz dazu wird das Farbenspiel des Opals durch die Lichtbrechung an geordneten mikroskopischen Siliziumdioxidkugeln innerhalb seiner physikalischen Struktur verursacht. Chatoyancy ("Katzenauge") ist die wellenförmige Bänderung der Farbe, die beobachtet wird, wenn die Probe gedreht wird; Asterismus, eine Variante der Chatoyancy, gibt das Aussehen eines Sterns auf dem Mineralkorn. Die letztgenannte Eigenschaft ist besonders häufig bei Korund in Edelsteinqualität zu beobachten. ⓘ

Die Streifigkeit eines Minerals bezieht sich auf die Farbe eines Minerals in Pulverform, die mit seiner Körperfarbe identisch sein kann, aber nicht muss. Die gebräuchlichste Art, diese Eigenschaft zu prüfen, ist eine Streifplatte, die aus Porzellan besteht und entweder weiß oder schwarz gefärbt ist. Der Streifen eines Minerals ist unabhängig von Spurenelementen oder einer Verwitterungsoberfläche. Ein gängiges Beispiel für diese Eigenschaft ist Hämatit, der in der Handprobe schwarz, silbern oder rot gefärbt ist, aber einen kirschroten bis rötlich-braunen Streifen aufweist. Die Streifung ist häufiger bei metallischen Mineralien zu beobachten, im Gegensatz zu nichtmetallischen Mineralien, deren Körperfarbe durch allochromatische Elemente erzeugt wird. Die Streifentests werden durch die Härte des Minerals begrenzt, da Mineralien, die härter als 7 sind, stattdessen die Streifentafel pulverisieren. ⓘ

Spaltung, Teilung, Bruch und Zähigkeit

Perfekte Basalspaltung wie bei Biotit (schwarz) und gute Spaltbarkeit in der Matrix (rosa Orthoklas). ⓘ

Per Definition haben Minerale eine charakteristische atomare Anordnung. Schwachstellen in dieser kristallinen Struktur führen zu Schwächeebenen, und der Bruch eines Minerals entlang solcher Ebenen wird als Spaltung bezeichnet. Die Qualität der Spaltung lässt sich danach beschreiben, wie sauber und leicht das Mineral bricht; gebräuchliche Beschreibungen in der Reihenfolge abnehmender Qualität sind "perfekt", "gut", "deutlich" und "schlecht". Bei besonders transparenten Mineralen oder im Dünnschliff ist die Spaltung als eine Reihe paralleler Linien zu erkennen, die die ebenen Flächen von der Seite betrachtet markieren. Die Spaltbarkeit ist keine universelle Eigenschaft von Mineralen; so weist Quarz, der aus weitgehend miteinander verbundenen Siliziumdioxidtetraedern besteht, keine kristallographische Schwäche auf, die eine Spaltung ermöglichen würde. Im Gegensatz dazu bestehen Glimmer, die eine perfekte Basisspaltung aufweisen, aus Platten von Kieselsäuretetraedern, die nur sehr schwach zusammengehalten werden. ⓘ

Da die Spaltung von der Kristallographie abhängt, gibt es eine Vielzahl von Spaltarten. Die Spaltung erfolgt in der Regel entweder in eine, zwei, drei, vier oder sechs Richtungen. Die Basalspaltung in einer Richtung ist eine charakteristische Eigenschaft der Glimmer. Die zweidirektionale Spaltung wird als prismatisch bezeichnet und kommt bei Mineralen wie Amphibolen und Pyroxenen vor. Minerale wie Bleiglanz oder Halit weisen eine kubische (oder isometrische) Spaltung in drei Richtungen unter 90° auf; wenn drei Spaltrichtungen vorhanden sind, aber nicht unter 90°, wie bei Calcit oder Rhodochrosit, spricht man von rhomboedrischer Spaltung. Eine oktaedrische Spaltung (vier Richtungen) findet sich in Fluorit und Diamant, und Sphalerit hat eine dodekaedrische Spaltung mit sechs Richtungen. ⓘ

Mineralien mit vielen Spaltungen brechen möglicherweise nicht in allen Richtungen gleich gut; Calcit beispielsweise weist eine gute Spaltung in drei Richtungen auf, aber Gips hat eine perfekte Spaltung in einer Richtung und eine schlechte Spaltung in zwei anderen Richtungen. Die Winkel zwischen den Spaltungsebenen variieren von Mineral zu Mineral. Da zum Beispiel die Amphibole zweikettige Silikate und die Pyroxene einkettige Silikate sind, ist der Winkel zwischen ihren Spaltungsebenen unterschiedlich. Die Pyroxene spalten sich in zwei Richtungen mit einem Winkel von etwa 90°, während die Amphibole sich deutlich in zwei Richtungen spalten, die durch etwa 120° und 60° voneinander getrennt sind. Die Spaltwinkel können mit einem Kontaktgoniometer gemessen werden, das einem Winkelmesser ähnelt. ⓘ

Die Spaltung, die manchmal auch als "falsche Spaltung" bezeichnet wird, ähnelt in ihrem Erscheinungsbild der Spaltung, wird jedoch nicht durch systematische Schwäche, sondern durch strukturelle Defekte im Mineral verursacht. Die Spaltung variiert von Kristall zu Kristall eines Minerals, während alle Kristalle eines bestimmten Minerals spalten, wenn die atomare Struktur diese Eigenschaft zulässt. Im Allgemeinen wird die Spaltung durch Spannungen verursacht, die auf einen Kristall einwirken. Zu den Quellen der Spannungen gehören Verformung (z. B. eine Druckerhöhung), Exsolution oder Zwillingsbildung. Zu den Mineralien, die häufig eine Schieferung aufweisen, gehören Pyroxene, Hämatit, Magnetit und Korund. ⓘ

Wenn ein Mineral in einer Richtung gebrochen ist, die nicht mit einer Spaltungsebene übereinstimmt, wird es als gebrochen bezeichnet. Es gibt mehrere Arten von ungleichmäßigem Bruch. Das klassische Beispiel ist der Muschelbruch, wie er bei Quarz vorkommt: Es entstehen abgerundete Oberflächen, die durch glatte, gebogene Linien gekennzeichnet sind. Diese Art von Bruch tritt nur bei sehr homogenen Mineralien auf. Andere Brucharten sind faserig, splitterig und hackig. Letzteres beschreibt einen Bruch entlang einer rauen, gezackten Oberfläche; ein Beispiel für diese Eigenschaft findet sich in nativem Kupfer. ⓘ

Die Zähigkeit hängt sowohl mit der Spaltung als auch mit der Fraktur zusammen. Während Bruch und Spaltung die Oberflächen beschreiben, die entstehen, wenn ein Mineral gebrochen wird, beschreibt die Zähigkeit, wie widerstandsfähig ein Mineral gegenüber einem solchen Bruch ist. Minerale können als spröde, duktil, formbar, sektil, flexibel oder elastisch beschrieben werden. ⓘ

Spezifische Schwerkraft

Bleiglanz, PbS, ist ein Mineral mit einem hohen spezifischen Gewicht. ⓘ

Das spezifische Gewicht beschreibt numerisch die Dichte eines Minerals. Die Dimensionen der Dichte sind Masse geteilt durch Volumen mit den Einheiten: kg/m³ oder g/cm³. Das spezifische Gewicht ist definiert als die Dichte des Minerals geteilt durch die Dichte von Wasser bei 4 °C und ist somit eine dimensionslose Größe, die in allen Einheitensystemen gleich ist. Sie kann als Quotient aus der Masse der Probe und der Differenz zwischen dem Gewicht der Probe in Luft und ihrem entsprechenden Gewicht in Wasser gemessen werden. Bei den meisten Mineralien ist diese Eigenschaft nicht diagnostisch. Gesteinsbildende Mineralien - in der Regel Silikate oder gelegentlich Karbonate - haben ein spezifisches Gewicht von 2,5-3,5. ⓘ

Ein hohes spezifisches Gewicht ist eine diagnostische Eigenschaft eines Minerals. Eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung (und folglich der Mineralklasse) korreliert mit einer Veränderung der spezifischen Schwerkraft. Unter den häufiger vorkommenden Mineralen haben Oxide und Sulfide tendenziell ein höheres spezifisches Gewicht, da sie Elemente mit höherer Atommasse enthalten. Verallgemeinernd kann man sagen, dass Minerale mit metallischem oder diamantartigem Glanz ein höheres spezifisches Gewicht haben als solche mit nichtmetallischem oder stumpfem Glanz. Hämatit, Fe₂O₃, hat beispielsweise ein spezifisches Gewicht von 5,26, während Bleiglanz, PbS, ein spezifisches Gewicht von 7,2-7,6 aufweist, was auf den hohen Eisen- bzw. Bleigehalt zurückzuführen ist. Ein sehr hohes spezifisches Gewicht ist charakteristisch für einheimische Metalle; Kamazit, eine Eisen-Nickel-Legierung, die häufig in Eisenmeteoriten vorkommt, hat beispielsweise ein spezifisches Gewicht von 7,9, und bei Gold wurde ein spezifisches Gewicht zwischen 15 und 19,3 beobachtet. ⓘ

Andere Eigenschaften

Carnotit (gelb) ist ein radioaktives, uranhaltiges Mineral. ⓘ

Andere Eigenschaften können zur Diagnose von Mineralien verwendet werden. Diese sind weniger allgemein und beziehen sich auf bestimmte Mineralien. ⓘ

Wenn man verdünnte Säure (oft 10 % HCl) auf ein Mineral tropft, kann man Karbonate von anderen Mineralklassen unterscheiden. Die Säure reagiert mit der Karbonatgruppe ([CO₃]2-), was dazu führt, dass die betroffene Stelle sprudelt und Kohlendioxidgas freisetzt. Dieser Test kann noch erweitert werden, um das Mineral in seiner ursprünglichen Kristallform oder in Pulverform zu untersuchen. Ein Beispiel für diesen Test ist die Unterscheidung von Calcit und Dolomit, insbesondere innerhalb der Gesteine (Kalkstein bzw. Dolomit). Calcit sprudelt sofort in Säure, während auf pulverförmigen Dolomit Säure aufgebracht werden muss (oft auf eine zerkratzte Oberfläche in einem Gestein), damit er sprudelt. Zeolithmineralien sprudeln nicht in Säure, sondern werden nach 5-10 Minuten matt, und wenn sie einen Tag lang in Säure liegen, lösen sie sich auf oder werden zu Kieselgel. ⓘ

Magnetismus ist eine sehr auffällige Eigenschaft einiger weniger Minerale. Unter den häufigen Mineralien weist Magnetit diese Eigenschaft stark auf, und auch Pyrrhotit und Ilmenit weisen Magnetismus auf, wenn auch nicht so stark. Einige Minerale weisen elektrische Eigenschaften auf - Quarz ist beispielsweise piezoelektrisch -, doch werden elektrische Eigenschaften aufgrund unvollständiger Daten und natürlicher Schwankungen nur selten als Diagnosekriterien für Minerale verwendet. ⓘ

Minerale können auch auf ihren Geschmack oder Geruch getestet werden. Halit, NaCl, ist Kochsalz; sein kaliumhaltiges Gegenstück, Sylvit, hat einen ausgeprägten bitteren Geschmack. Sulfide haben einen charakteristischen Geruch, vor allem wenn die Proben gebrochen sind, reagieren oder pulverisiert werden. ⓘ

Radioaktivität ist eine seltene Eigenschaft von Mineralien, die radioaktive Elemente enthalten. Die radioaktiven Elemente können ein bestimmender Bestandteil sein, wie z. B. Uran in Uraninit, Autunit und Carnotit, oder als Spurenverunreinigungen vorhanden sein, wie in Zirkon. Der Zerfall eines radioaktiven Elements schädigt die Kristallstruktur des Minerals und macht es lokal amorph (metamiktischer Zustand); das optische Ergebnis, ein radioaktiver Halo oder pleochroitischer Halo, kann mit verschiedenen Techniken, wie z. B. der Dünnschliffpetrographie, beobachtet werden. ⓘ

Klassifizierung

Früheste Klassifizierungen

315 v. Chr. stellte Theophrastus seine Klassifizierung der Minerale in seiner Abhandlung Über Steine vor. Seine Klassifizierung war von den Ideen seiner Lehrer Platon und Aristoteles beeinflusst. Theophrastus klassifizierte Mineralien als Steine, Erden oder Metalle. ⓘ

Georgius Agricolas Klassifizierung der Mineralien in seinem 1546 veröffentlichten Buch De Natura Fossilium unterteilte die Mineralien in drei Arten von Stoffen: einfache (Steine, Erden, Metalle und erstarrte Säfte), zusammengesetzte (innig vermischt) und zusammengesetzte (trennbar). ⓘ

Linnaeus

Eine frühe Klassifizierung der Mineralien wurde von Carl Linnaeus in seinem bahnbrechenden Buch Systema Naturae von 1735 vorgenommen. Er teilte die natürliche Welt in drei Reiche ein - Pflanzen, Tiere und Mineralien - und klassifizierte jedes mit der gleichen Hierarchie. In absteigender Reihenfolge waren dies Phylum, Klasse, Ordnung, Familie, Stamm, Gattung und Art. ⓘ

Während sein System jedoch durch Charles Darwins Theorie der Artenbildung gerechtfertigt war und in den folgenden Jahrhunderten von Biologen weitgehend übernommen und erweitert wurde (die sogar noch sein auf Griechisch und Latein basierendes binomisches Benennungsschema verwenden), hatte es unter Mineralogen wenig Erfolg. ⓘ

Moderne Klassifizierung

Mineralien werden nach Sorte, Art, Serie und Gruppe klassifiziert, und zwar in der Reihenfolge ihrer zunehmenden Allgemeinheit. Die grundlegendste Definitionsstufe ist die der Mineralienarten, von denen sich jede durch einzigartige chemische und physikalische Eigenschaften von den anderen unterscheidet. Quarz beispielsweise wird durch seine Formel SiO₂ und eine spezifische kristalline Struktur definiert, die ihn von anderen Mineralen mit derselben chemischen Formel (den so genannten Polymorphen) unterscheidet. Wenn zwischen zwei Mineralienarten ein Bereich der Zusammensetzung besteht, wird eine Mineralreihe definiert. Die Biotitreihe wird beispielsweise durch unterschiedliche Mengen der Endglieder Phlogopit, Siderophyllit, Annit und Eastonit repräsentiert. Im Gegensatz dazu ist eine Mineralgruppe eine Gruppierung von Mineralarten mit einigen gemeinsamen chemischen Eigenschaften, die eine gemeinsame Kristallstruktur aufweisen. Die Pyroxengruppe hat die gemeinsame Formel XY(Si,Al)₂O₆, wobei X und Y beide Kationen sind, wobei X in der Regel größer ist als Y; die Pyroxene sind einkettige Silikate, die entweder im orthorhombischen oder monoklinen Kristallsystem kristallisieren. Eine Mineralsorte schließlich ist eine bestimmte Art von Mineralien, die sich durch ein physikalisches Merkmal wie Farbe oder Kristallform unterscheidet. Ein Beispiel ist der Amethyst, eine violette Varietät des Quarzes. ⓘ

Zwei gängige Klassifizierungen, Dana und Strunz, werden für Minerale verwendet; beide basieren auf der Zusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf wichtige chemische Gruppen, und der Struktur. James Dwight Dana, ein führender Geologe seiner Zeit, veröffentlichte sein System der Mineralogie erstmals 1837; es liegt seit 1997 in der achten Auflage vor. Die Dana-Klassifikation weist einer Mineralart eine vierteilige Nummer zu. Die Klassennummer basiert auf wichtigen Zusammensetzungsgruppen; der Typ gibt das Verhältnis von Kationen zu Anionen im Mineral an, und die letzten beiden Zahlen gruppieren die Mineralien nach struktureller Ähnlichkeit innerhalb eines bestimmten Typs oder einer Klasse. Die weniger gebräuchliche Strunz-Klassifikation, die nach dem deutschen Mineralogen Karl Hugo Strunz benannt ist, basiert auf dem Dana-System, kombiniert aber sowohl chemische als auch strukturelle Kriterien, letztere im Hinblick auf die Verteilung der chemischen Bindungen. ⓘ

Da die Zusammensetzung der Erdkruste von Silizium und Sauerstoff dominiert wird, sind Silikate die bei weitem wichtigste Mineralklasse, was die Gesteinsbildung und -vielfalt betrifft. Nicht-silikatische Minerale sind jedoch von großer wirtschaftlicher Bedeutung, insbesondere als Erze. Nicht-silikatische Minerale werden nach ihrer vorherrschenden Chemie in mehrere andere Klassen unterteilt, zu denen native Elemente, Sulfide, Halogenide, Oxide und Hydroxide, Karbonate und Nitrate, Borate, Sulfate, Phosphate und organische Verbindungen gehören. Die meisten nicht-silikatischen Mineralien sind selten (sie machen insgesamt 8 % der Erdkruste aus), obwohl einige relativ häufig vorkommen, wie Calcit, Pyrit, Magnetit und Hämatit. Bei den Nicht-Silikaten sind zwei Hauptstrukturarten zu beobachten: dicht gepackte und silikatartig verknüpfte Tetraeder. Dicht gepackte Strukturen sind eine Möglichkeit, die Atome dicht zu packen und gleichzeitig den Zwischenraum zu minimieren. Beim hexagonalen Close-Packing werden Schichten gestapelt, bei denen jede zweite Schicht gleich ist ("ababab"), während beim kubischen Close-Packing Gruppen von drei Schichten gestapelt werden ("abcabcabc"). Zu den Analoga der verknüpften Siliziumdioxid-Tetraeder gehören SO4-
₄ (Sulfat), PO4-
₄ (Phosphat), AsO4-
₄ (Arsenat) und VO4-
₄ (Vanadat) Strukturen. Die Nicht-Silikate sind von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da sie Elemente stärker konzentrieren als die Silikatminerale. ⓘ

Die bei weitem größte Gruppe von Mineralen sind die Silikate; die meisten Gesteine bestehen zu mehr als 95 % aus Silikatmineralen, und über 90 % der Erdkruste bestehen aus diesen Mineralen. Die beiden Hauptbestandteile der Silikate sind Silizium und Sauerstoff, die beiden am häufigsten in der Erdkruste vorkommenden Elemente. Andere häufige Elemente in Silikatmineralen entsprechen anderen häufigen Elementen in der Erdkruste, wie Aluminium, Magnesium, Eisen, Kalzium, Natrium und Kalium. Einige wichtige gesteinsbildende Silikate sind Feldspäte, Quarz, Olivine, Pyroxene, Amphibole, Granate und Glimmer. ⓘ

Silikate

Aegirin, ein Eisen-Natrium-Klinopyroxen, gehört zur Unterklasse der Inosilikate. ⓘ

Die Grundeinheit eines Silikatminerals ist der [SiO₄]4- Tetraeder. In den allermeisten Fällen befindet sich das Silicium in vierfacher oder tetraedrischer Koordination mit dem Sauerstoff. Unter sehr hohem Druck liegt Silicium in sechsfacher oder oktaedrischer Koordination vor, wie z. B. in der Perowskit-Struktur oder dem Quarzpolymorph Stishovit (SiO₂). Im letzteren Fall weist das Mineral keine Silikatstruktur mehr auf, sondern die von Rutil (TiO₂) und seiner Begleitgruppe, die einfache Oxide sind. Diese Silikat-Tetraeder werden dann bis zu einem gewissen Grad polymerisiert, um verschiedene Strukturen wie eindimensionale Ketten, zweidimensionale Platten und dreidimensionale Gerüste zu bilden. Das basische Silikatmineral, bei dem keine Polymerisation der Tetraeder stattgefunden hat, benötigt andere Elemente, um die Grundladung von 4 auszugleichen. In anderen Silikatstrukturen sind verschiedene Kombinationen von Elementen erforderlich, um die resultierende negative Ladung auszugleichen. Wegen der Ähnlichkeit von Ionenradius und Ladung wird Si⁴⁺ häufig durch Al³⁺ ersetzt; in diesen Fällen bilden die [AlO₄]5-Tetraeder dieselben Strukturen wie die unsubstituierten Tetraeder, aber ihre Anforderungen an den Ladungsausgleich sind unterschiedlich. ⓘ

Der Grad der Polymerisation lässt sich sowohl durch die gebildete Struktur als auch durch die Anzahl der gemeinsamen Tetraederecken (oder koordinierenden Sauerstoffatome) beschreiben (für Aluminium und Silicium in tetraedrischen Lagen):

Orthosilikate (oder Nesosilikate)

Haben keine Verknüpfung von Polyedern, daher teilen sich die Tetraeder keine Ecken.

Disilikate (oder Sorosilikate)

Haben zwei Tetraeder, die sich ein Sauerstoffatom teilen.

Inosilikate sind Kettensilikate

Einkettige Silikate haben zwei gemeinsame Ecken, während zweikettige Silikate zwei oder drei gemeinsame Ecken haben.

Schichtsilikate

weisen eine Blattstruktur auf, die drei gemeinsam genutzte Sauerstoffatome erfordert; im Falle von Doppelkettensilikaten müssen einige Tetraeder zwei statt drei gemeinsame Ecken aufweisen, da sonst eine Blattstruktur entstehen würde.

Gerüstsilikate (oder Tektosilikate)

haben Tetraeder, die sich alle vier Ecken teilen.

Ringsilikate (oder Cyclosilikate)

brauchen nur Tetraeder, die sich zwei Ecken teilen, um die zyklische Struktur zu bilden. ⓘ

Die Unterklassen der Silikate werden im Folgenden in der Reihenfolge ihrer abnehmenden Polymerisation beschrieben. ⓘ

Tektosilikate

Natrolith ist eine Mineralreihe aus der Gruppe der Zeolithe; diese Probe hat eine sehr ausgeprägte nadelförmige Kristallform. ⓘ

Tektosilikate, die auch als Gerüstsilikate bezeichnet werden, weisen den höchsten Polymerisationsgrad auf. Wenn alle Ecken eines Tetraeders gemeinsam genutzt werden, beträgt das Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff 1:2. Beispiele sind Quarz, Feldspäte, Feldspathoide und Zeolithe. Gerüstsilikate sind aufgrund der starken kovalenten Bindungen chemisch besonders stabil. ⓘ

Mit einem Anteil von 12 % an der Erdkruste ist Quarz (SiO₂) das am häufigsten vorkommende Mineral. Es zeichnet sich durch seine hohe chemische und physikalische Widerstandsfähigkeit aus. Quarz hat mehrere Polymorphien, darunter Tridymit und Cristobalit bei hohen Temperaturen, Hochdruck-Coesit und Ultrahochdruck-Stishovit. Das letztgenannte Mineral kann auf der Erde nur durch Meteoriteneinschläge gebildet werden, und seine Struktur wurde so stark komprimiert, dass es sich von einer Silikatstruktur in die von Rutil (TiO₂) verwandelt hat. Das Siliziumdioxid-Polymorph, das an der Erdoberfläche am stabilsten ist, ist α-Quarz. Sein Gegenstück, der β-Quarz, kommt nur bei hohen Temperaturen und Drücken vor (verwandelt sich unter 573 °C und 1 bar in α-Quarz). Diese beiden Polymorphe unterscheiden sich durch eine "Knickung" der Bindungen; diese Strukturänderung verleiht dem β-Quarz eine größere Symmetrie als dem α-Quarz, so dass sie auch als Hochquarz (β) und Tiefquarz (α) bezeichnet werden. ⓘ

Feldspäte sind mit etwa 50 % die am häufigsten vorkommende Gruppe in der Erdkruste. In den Feldspäten ersetzt Al³⁺ das Si⁴⁺, wodurch ein Ladungsungleichgewicht entsteht, das durch die Zugabe von Kationen ausgeglichen werden muss. Die Grundstruktur ist entweder [AlSi₃O₈]- oder [Al₂Si₂O₈]2-. Es gibt 22 Feldspatmineralien, die in zwei große Untergruppen - Alkali- und Plagioklas - und zwei weniger verbreitete Gruppen - Celsin und Banalsit - unterteilt sind. Die Alkalifeldspäte liegen meist in einer Reihe zwischen kaliumreichem Orthoklas und natriumreichem Albit; bei Plagioklas reicht die häufigste Reihe von Albit bis zu calciumreichem Anorthit. Kristallzwillinge sind in Feldspäten häufig, insbesondere polysynthetische Zwillinge in Plagioklas und Karlsbader Zwillinge in Alkalifeldspäten. Wenn die letztgenannte Untergruppe langsam aus einer Schmelze abkühlt, bildet sie Exsolutionslamellen, da die beiden Komponenten - Orthoklas und Albit - in fester Lösung instabil sind. Die Exsolution kann mikroskopisch klein sein und in einer Handprobe leicht beobachtet werden; eine perthitische Textur entsteht, wenn Na-reiche Feldspäte in einem K-reichen Wirt exsolvieren. Die entgegengesetzte Textur (antiperthitisch), bei der sich K-reicher Feldspat in einem Na-reichen Wirt auflöst, ist sehr selten. ⓘ

Feldspathoide ähneln strukturell dem Feldspat, unterscheiden sich aber dadurch, dass sie sich unter Si-armen Bedingungen bilden, was eine weitere Substitution durch Al³⁺ ermöglicht. Infolgedessen sind Feldspathoide fast nie in Verbindung mit Quarz zu finden. Ein gängiges Beispiel für ein Feldspathoid ist Nephelin ((Na, K)AlSiO₄); im Vergleich zu Alkalifeldspat hat Nephelin ein Al₂O₃:SiO₂-Verhältnis von 1:2, im Gegensatz zu 1:6 bei Alkalifeldspat. Zeolithe haben oft eine ausgeprägte Kristallform und treten in Form von Nadeln, Platten oder blockigen Massen auf. Sie bilden sich in Gegenwart von Wasser bei niedrigen Temperaturen und Drücken und weisen Kanäle und Hohlräume in ihrer Struktur auf. Zeolithe werden in der Industrie in verschiedenen Bereichen eingesetzt, insbesondere in der Abwasserbehandlung. ⓘ

Schichtsilikate

Muskovit, eine Mineralart aus der Gruppe der Glimmer, die zur Unterklasse der Schichtsilikate gehört ⓘ

Schichtsilikate bestehen aus Schichten von polymerisierten Tetraedern. Sie sind an drei Sauerstoffstellen gebunden, was ein charakteristisches Silicium:Sauerstoff-Verhältnis von 2:5 ergibt. Wichtige Beispiele sind Glimmer, Chlorit und die Kaolinit-Serpentin-Gruppe. Zusätzlich zu den Tetraedern haben Schichtsilikate eine Schicht aus Oktaedern (Elemente in sechsfacher Koordination durch Sauerstoff), die die basischen Tetraeder ausgleichen, die eine negative Ladung haben (z. B. [Si₄O₁₀]4-). Diese Tetraeder- (T) und Oktaederschichten (O) werden in einer Vielzahl von Kombinationen gestapelt, um Schichtsilikatschichten zu bilden. Innerhalb einer oktaedrischen Schicht gibt es drei oktaedrische Plätze in einer Einheitsstruktur; es können jedoch auch nicht alle Plätze besetzt sein. In diesem Fall wird das Mineral als dioktaedrisch bezeichnet, während es in einem anderen Fall als trioktaedrisch bezeichnet wird. Die Schichten sind durch van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken oder spärliche Ionenbindungen schwach gebunden, was zu einer kristallographischen Schwäche führt, die wiederum eine ausgeprägte Basalspaltung unter den Schichtsilikaten zur Folge hat. ⓘ

Die Kaolinit-Serpentin-Gruppe besteht aus T-O-Stapeln (die 1:1-Tonminerale); ihre Härte reicht von 2 bis 4, da die Schichten durch Wasserstoffbrückenbindungen gehalten werden. Die 2:1-Tonminerale (Pyrophyllit-Talk) bestehen aus T-O-T-Stapeln, sind aber weicher (Härte von 1 bis 2), da sie stattdessen durch van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Diese beiden Gruppen von Mineralen werden nach der oktaedrischen Besetzung unterteilt; insbesondere Kaolinit und Pyrophyllit sind dioktaedrisch, während Serpentin und Talk trioktaedrisch sind. ⓘ

Glimmer sind ebenfalls Schichtsilikate mit T-O-T-Stapelung, unterscheiden sich aber von den anderen Mitgliedern der Unterklassen T-O-T und T-O-Stapelung dadurch, dass sie Aluminium in die tetraedrischen Schichten einbauen (Tonminerale haben Al³⁺ in oktaedrischen Bereichen). Gängige Beispiele für Glimmer sind Muskovit und die Biotitreihe. Die T-O-T-Schichten des Glimmers sind durch Metallionen miteinander verbunden, was ihnen eine größere Härte verleiht als anderen Schichtsilikatmineralen, obwohl sie eine perfekte Basalspaltung aufweisen. Die Chloritgruppe ist mit der Glimmergruppe verwandt, doch befindet sich zwischen den T-O-T-Schichten eine brucitartige (Mg(OH)₂) Schicht. ⓘ

Aufgrund ihrer chemischen Struktur haben Schichtsilikate in der Regel flexible, elastische, transparente Schichten, die elektrisch isolierend sind und in sehr dünne Flocken gespalten werden können. Glimmer können in der Elektronik als Isolatoren, im Bauwesen, als optische Füllstoffe und sogar in der Kosmetik verwendet werden. Chrysotil, eine Serpentinart, ist die häufigste Mineralart im Industrieasbest, da sie weniger gesundheitsschädlich ist als der Amphibolasbest. ⓘ

Inosilikate

Asbestförmiger Tremolith, Teil der Amphibolgruppe in der Unterklasse der Inosilikate ⓘ

Inosilikate bestehen aus Tetraedern, die wiederholt in Ketten gebunden sind. Diese Ketten können einfach sein, wobei ein Tetraeder an zwei andere gebunden ist, um eine durchgehende Kette zu bilden; alternativ können zwei Ketten miteinander verbunden sein, um doppelkettige Silikate zu bilden. Einfachkettige Silikate haben ein Silicium-Sauerstoff-Verhältnis von 1:3 (z. B. [Si₂O₆]4-), während die doppelkettige Variante ein Verhältnis von 4:11 aufweist, z. B. [Si₈O₂₂]12-. Inosilikate enthalten zwei wichtige gesteinsbildende Mineralgruppen; einkettige Silikate sind meist Pyroxene, während zweikettige Silikate oft Amphibole sind. Es gibt Ketten höherer Ordnung (z. B. Dreier-, Vierer-, Fünferketten usw.), aber sie sind selten. ⓘ

Die Gruppe der Pyroxene besteht aus 21 Mineralarten. Pyroxene haben die allgemeine Strukturformel XY(Si₂O₆), wobei X ein oktaedrischer Platz ist und Y in der Koordinationszahl zwischen sechs und acht variieren kann. Die meisten Pyroxensorten bestehen aus Permutationen von Ca²⁺, Fe²⁺ und Mg²⁺, um die negative Ladung des Rückgrats auszugleichen. Pyroxene kommen in der Erdkruste häufig vor (etwa 10 %) und sind ein Hauptbestandteil von mafischem Eruptivgestein. ⓘ

Amphibole weisen eine große chemische Variabilität auf, die als "mineralogischer Mülleimer" oder als "mineralogischer Hai, der in einem Meer von Elementen schwimmt" bezeichnet wird. Das Rückgrat der Amphibole ist das [Si₈O₂₂]12-; es wird durch Kationen in drei möglichen Positionen ausgeglichen, wobei die dritte Position nicht immer genutzt wird und ein Element die beiden verbleibenden Positionen besetzen kann. Schließlich sind die Amphibole in der Regel hydratisiert, d. h. sie haben eine Hydroxylgruppe ([OH]-), die aber auch durch ein Fluorid-, ein Chlorid- oder ein Oxid-Ion ersetzt sein kann. Aufgrund der variablen Chemie gibt es mehr als 80 Amphibolarten, wobei es sich bei den Variationen, wie bei den Pyroxenen, meist um Mischungen von Ca²⁺, Fe²⁺ und Mg²⁺ handelt. Mehrere Amphibol-Mineralarten können eine asbestartige Kristallform aufweisen. Diese Asbestminerale bilden lange, dünne, biegsame und starke Fasern, die elektrisch isolierend, chemisch inert und hitzebeständig sind und daher vor allem in Baumaterialien Verwendung finden. Asbest ist jedoch als krebserregend bekannt und verursacht verschiedene andere Krankheiten wie Asbestose; Amphibolasbest (Anthophyllit, Tremolit, Aktinolith, Grunerit und Riebeckit) gilt als gefährlicher als Chrysotil-Serpentinasbest. ⓘ

Zyklosilikate

Ein Beispiel für Elbait, eine Turmalinart, mit ausgeprägter farblicher Bänderung. ⓘ

Zyklosilikate, auch Ringsilikate genannt, haben ein Verhältnis von Silizium zu Sauerstoff von 1:3. Am häufigsten sind sechsgliedrige Ringe mit einer Grundstruktur von [Si₆O₁₈]12-; Beispiele sind die Turmalingruppe und Beryll. Es gibt auch andere Ringstrukturen: 3, 4, 8, 9, 12 sind beschrieben worden. Zyklosilikate sind in der Regel fest und weisen längliche, gestreifte Kristalle auf. ⓘ

Turmaline haben eine sehr komplexe Chemie, die durch die allgemeine Formel XY₃Z₆(BO₃)₃T₆O₁₈V₃W beschrieben werden kann. T₆O₁₈ ist die grundlegende Ringstruktur, wobei T normalerweise Si⁴⁺ ist, aber durch Al₃₊ oder B³⁺ ersetzt werden kann. Turmaline können nach der Besetzung der X-Stelle in Untergruppen eingeteilt werden und von dort aus weiter nach der Chemie der W-Stelle unterteilt werden. Die Y- und Z-Stellen können eine Vielzahl von Kationen beherbergen, insbesondere verschiedene Übergangsmetalle; diese Variabilität des strukturellen Übergangsmetallgehalts verleiht der Turmalingruppe eine größere Farbvielfalt. Zu den anderen Cyclosilikaten gehört Beryll, Al₂Be₃Si₆O₁₈, zu dessen Varietäten die Edelsteine Smaragd (grün) und Aquamarin (bläulich) gehören. Cordierit ähnelt strukturell dem Beryll und ist ein häufiges metamorphes Mineral. ⓘ

Sorosilikate

Epidot hat oft eine charakteristische pistaziengrüne Farbe. ⓘ

Sorosilikate, auch Disilikate genannt, weisen eine Tetraeder-Tetraeder-Bindung an einem Sauerstoff auf, was zu einem Verhältnis von 2:7 zwischen Silizium und Sauerstoff führt. Das daraus resultierende gemeinsame Strukturelement ist die Gruppe [Si₂O₇]6-. Die bei weitem häufigsten Disilikate sind die Mitglieder der Epidotgruppe. Epidote kommen in einer Vielzahl von geologischen Gegebenheiten vor, die von mittelozeanischen Rücken über Granite bis hin zu Metapeliten reichen. Epidote sind um die Struktur [(SiO₄)(Si₂O₇)]10- herum aufgebaut; die Mineralart Epidot hat beispielsweise Calcium, Aluminium und Eisen im Ladungsgleichgewicht: Ca₂Al₂(Fe³⁺, Al)(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH). Das Vorhandensein von Eisen in Form von Fe³⁺ und Fe²⁺ trägt zur Pufferung der Sauerstoffflüchtigkeit bei, die wiederum ein wichtiger Faktor bei der Petrogenese ist. ⓘ

Weitere Beispiele für Sorosilikate sind Lawsonit, ein metamorphes Mineral, das sich in der Blauschichtfazies (Subduktionszone mit niedriger Temperatur und hohem Druck) bildet, und Vesuvianit, das in seiner chemischen Struktur eine beträchtliche Menge an Kalzium aufnimmt. ⓘ

Orthosilikate

Schwarzer Andradit, ein Endglied der orthosilikatischen Granatgruppe. ⓘ

Orthosilikate bestehen aus isolierten Tetraedern, deren Ladung durch andere Kationen ausgeglichen wird. Diese auch als Nesosilikate bezeichneten Silikate haben ein Verhältnis von Silicium zu Sauerstoff von 1:4 (z. B. SiO₄). Typische Orthosilikate neigen zur Bildung blockartiger, gleichmäßiger Kristalle und sind ziemlich hart. Mehrere gesteinsbildende Minerale gehören zu dieser Unterklasse, z. B. die Aluminosilikate, die Olivin-Gruppe und die Granat-Gruppe. ⓘ

Die Alumosilikate - Bkyanit, Andalusit und Sillimanit, alle Al₂SiO₅ - sind strukturell aus einem [SiO₄]4- Tetraeder und einem Al³⁺ in oktaedrischer Koordination aufgebaut. Das verbleibende Al³⁺ kann sechsfach (Kyanit), fünffach (Andalusit) oder vierfach (Sillimanit) koordiniert sein; welches Mineral sich in einer bestimmten Umgebung bildet, hängt von den Druck- und Temperaturbedingungen ab. In der Olivinstruktur besteht die Hauptolivinreihe aus (Mg, Fe)₂SiO₄ aus magnesiumreichem Forsterit und eisenreichem Fayalit. Sowohl Eisen als auch Magnesium liegen in oktaedrischer Form vor. Es gibt auch andere Mineralien mit dieser Struktur, wie z. B. Tephroit, Mn₂SiO₄. Die Granatgruppe hat die allgemeine Formel X₃Y₂(SiO₄)₃, wobei X ein großes achtfach koordiniertes Kation und Y ein kleineres sechsfach koordiniertes Kation ist. Es gibt sechs ideale Endglieder von Granat, die sich in zwei Gruppen aufteilen. Die Pyralspit-Granate haben Al³⁺ in der Y-Position: Pyrop (Mg₃Al₂(SiO₄)₃), Almandin (Fe₃Al₂(SiO₄)₃) und Spessartin (Mn₃Al₂(SiO₄)₃). Die Ugrandit-Granate haben Ca²⁺ in der X-Position: Uvarovit (Ca₃Cr₂(SiO₄)₃), Grossular (Ca₃Al₂(SiO₄)₃) und Andradit (Ca₃Fe₂(SiO₄)₃). Während es zwei Untergruppen von Granat gibt, existieren feste Lösungen zwischen allen sechs Endmitgliedern. ⓘ

Andere Orthosilikate sind Zirkon, Staurolith und Topas. Zirkon (ZrSiO₄) ist in der Geochronologie nützlich, da U⁶⁺ Zr⁴⁺ ersetzen kann; außerdem ist es aufgrund seiner sehr widerstandsfähigen Struktur schwierig, es als Chronometer zurückzusetzen. Staurolith ist ein häufiges metamorphes Indexmineral mittlerer Qualität. Es hat eine besonders komplizierte Kristallstruktur, die erst 1986 vollständig beschrieben wurde. Topas (Al₂SiO₄(F, OH)₂), der häufig in granitischen Pegmatiten in Verbindung mit Turmalin vorkommt, ist ein häufiges Edelsteinmineral. ⓘ

Nicht-Silikate

Einheimische Elemente

Natives Gold. Seltene Probe mit kräftigen Kristallen, die von einem zentralen Stiel ausgehen, Größe 3,7 x 1,1 x 0,4 cm, aus Venezuela. ⓘ

Native Elemente sind Elemente, die nicht chemisch an andere Elemente gebunden sind. Zu dieser Mineralgruppe gehören native Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle sowie verschiedene Legierungen und feste Lösungen. Die Metalle werden durch metallische Bindungen zusammengehalten, die ihnen besondere physikalische Eigenschaften verleihen, wie z. B. ihren metallischen Glanz, ihre Dehnbarkeit und Verformbarkeit sowie ihre elektrische Leitfähigkeit. Die einheimischen Elemente werden nach ihrer Struktur oder ihren chemischen Eigenschaften in Gruppen eingeteilt. ⓘ

Zur Goldgruppe, die eine kubische, dicht gepackte Struktur aufweist, gehören Metalle wie Gold, Silber und Kupfer. Die Platingruppe ist von der Struktur her ähnlich wie die Goldgruppe. Die Eisen-Nickel-Gruppe ist durch mehrere Eisen-Nickel-Legierungsarten gekennzeichnet. Zwei Beispiele sind Kamazit und Taenit, die in Eisenmeteoriten vorkommen; diese Spezies unterscheiden sich durch den Ni-Gehalt in der Legierung; Kamazit hat weniger als 5-7 % Nickel und ist eine Variante von Nativeisen, während der Nickelgehalt von Taenit zwischen 7-37 % liegt. Bei den Mineralen der Arsengruppe handelt es sich um Halbmetalle, die nur einige metallische Eigenschaften aufweisen; so fehlt ihnen beispielsweise die Formbarkeit von Metallen. Nativer Kohlenstoff kommt in zwei Allotropen vor, Graphit und Diamant; letzterer bildet sich unter sehr hohem Druck im Erdmantel, wodurch er eine viel festere Struktur als Graphit erhält. ⓘ

Sulfide

Roter Zinnober (HgS), ein Quecksilbererz, auf Dolomit. ⓘ

Sphaleritkristall, teilweise in Kalzit eingeschlossen, aus der devonischen Milwaukee-Formation von Wisconsin ⓘ

Sulfidminerale sind chemische Verbindungen aus einem oder mehreren Metallen oder Halbmetallen mit einem Chalcogen oder Pnictogen, von denen Schwefel am häufigsten vorkommt. Tellur, Arsen oder Selen können den Schwefel ersetzen. Sulfide sind in der Regel weiche, spröde Mineralien mit einem hohen spezifischen Gewicht. Viele pulverisierte Sulfide, wie Pyrit, haben einen schwefeligen Geruch, wenn sie pulverisiert werden. Sulfide sind verwitterungsanfällig, und viele von ihnen lösen sich leicht in Wasser auf; diese gelösten Mineralien können später wieder abgelagert werden, wodurch angereicherte sekundäre Erzlagerstätten entstehen. Sulfide werden nach dem Verhältnis des Metalls oder Halbmetalls zum Schwefel klassifiziert, z. B. M:S gleich 2:1 oder 1:1. Viele Sulfidminerale sind als Metallerze von wirtschaftlicher Bedeutung; Beispiele sind Sphalerit (ZnS), ein Zinkerz, Bleiglanz (PbS), ein Bleierz, Zinnober (HgS), ein Quecksilbererz, und Molybdänit (MoS₂), ein Molybdänerz. Pyrit (FeS₂) ist das am häufigsten vorkommende Sulfid, das in den meisten geologischen Umgebungen zu finden ist. Es ist jedoch kein Eisenerz, sondern kann zur Herstellung von Schwefelsäure oxidiert werden. Mit den Sulfiden verwandt sind die seltenen Sulfosalze, bei denen ein metallisches Element an Schwefel und ein Halbmetall wie Antimon, Arsen oder Wismut gebunden ist. Wie die Sulfide sind auch die Sulfosalze in der Regel weiche, schwere und spröde Minerale. ⓘ

Oxide

Oxidminerale werden in drei Kategorien unterteilt: einfache Oxide, Hydroxide und Mehrfachoxide. Einfache Oxide sind durch O2- als Hauptanion und primär ionische Bindungen gekennzeichnet. Sie können nach dem Verhältnis von Sauerstoff zu den Kationen weiter unterteilt werden. Die Gruppe der Periklase besteht aus Mineralen mit einem Verhältnis von 1:1. Zu den Oxiden mit einem Verhältnis von 2:1 gehören Cuprit (Cu₂O) und Wassereis. Die Mineralien der Korundgruppe haben ein Verhältnis von 2:3 und umfassen Mineralien wie Korund (Al₂O₃) und Hämatit (Fe₂O₃). Die Minerale der Rutilgruppe haben ein Verhältnis von 1:2; die gleichnamige Art, Rutil (TiO₂), ist das wichtigste Titanerz; andere Beispiele sind Kassiterit (SnO₂; Zinnerz) und Pyrolusit (MnO₂; Manganerz). Bei den Hydroxiden ist das wichtigste Anion das Hydroxyl-Ion (OH-). Bauxite, das wichtigste Aluminiumerz, sind ein heterogenes Gemisch aus den Hydroxidmineralen Diaspore, Gibbsit und Bohmit; sie bilden sich in Gebieten mit sehr starker chemischer Verwitterung (vor allem unter tropischen Bedingungen). Mehrfachoxide schließlich sind Verbindungen von zwei Metallen mit Sauerstoff. Eine wichtige Gruppe innerhalb dieser Klasse sind die Spinelle mit der allgemeinen Formel X²⁺Y³⁺₂O₄. Beispiele für solche Arten sind Spinell (MgAl₂O₄), Chromit (FeCr₂O₄) und Magnetit (Fe₃O₄). Letzteres ist leicht an seinem starken Magnetismus zu erkennen, der dadurch entsteht, dass das Eisen in zwei Oxidationsstufen vorliegt (Fe²⁺Fe³⁺₂O₄), was es zu einem Mehrfachoxid und nicht zu einem einfachen Oxid macht. ⓘ

Halogenide

Rosafarbene kubische Halitkristalle (NaCl; Klasse der Halogenide) auf einer Nahcolitmatrix (NaHCO₃; ein Karbonat und die mineralische Form von Natriumbicarbonat, das als Backpulver verwendet wird). ⓘ

Halogenidminerale sind Verbindungen, in denen ein Halogen (Fluor, Chlor, Jod oder Brom) das Hauptanion ist. Diese Mineralien sind in der Regel weich, schwach, spröde und wasserlöslich. Gängige Beispiele für Halogenide sind Halit (NaCl, Kochsalz), Sylvit (KCl) und Fluorit (CaF₂). Halit und Sylvit bilden sich häufig als Evaporite und können die vorherrschenden Mineralien in chemischen Sedimentgesteinen sein. Kryolith, Na₃AlF₆, ist ein Schlüsselmineral bei der Gewinnung von Aluminium aus Bauxit; da jedoch das einzige bedeutende Vorkommen in Ivittuut, Grönland, in einem granitischen Pegmatit, erschöpft ist, kann synthetischer Kryolith aus Fluorit hergestellt werden. ⓘ

Karbonate

Carbonatminerale sind Minerale, bei denen die anionische Hauptgruppe Carbonat, [CO₃]2-, ist. Karbonate sind in der Regel spröde, viele weisen eine rhomboedrische Spaltung auf, und alle reagieren mit Säure. Aufgrund der letzten Eigenschaft haben Geologen vor Ort oft verdünnte Salzsäure bei sich, um Karbonate von Nicht-Karbonaten zu unterscheiden. Die Reaktion von Säure mit Karbonaten, die meist in Form von polymorphem Kalzit und Aragonit (CaCO₃) vorkommen, führt zur Auflösung und Ausfällung des Minerals, das eine wichtige Rolle bei der Bildung von Kalksteinhöhlen, Stalaktiten und Stalagmiten sowie Karstlandschaften spielt. Karbonate bilden sich meist als biogene oder chemische Sedimente in marinen Umgebungen. Die Karbonatgruppe ist strukturell ein Dreieck, in dem ein zentrales C⁴⁺-Kation von drei O2--Anionen umgeben ist; verschiedene Mineralgruppen bilden sich aus unterschiedlichen Anordnungen dieser Dreiecke. Das am häufigsten vorkommende Karbonatmineral ist Calcit, der Hauptbestandteil von sedimentärem Kalkstein und metamorphem Marmor. Calcit, CaCO₃, kann einen erheblichen Prozentsatz an Magnesium als Ersatz für Calcium enthalten. Unter Bedingungen mit hohem Mg-Gehalt bildet sich stattdessen sein Polymorph Aragonit; die marine Geochemie kann in diesem Zusammenhang als Aragonit- oder Calcitmeer bezeichnet werden, je nachdem, welches Mineral sich bevorzugt bildet. Dolomit ist ein Doppelkarbonat mit der Formel CaMg(CO₃)₂. Bei dieser Reaktion wird der Porenraum vergrößert (das Zellvolumen von Dolomit beträgt 88 % des Volumens von Calcit), wodurch ein Reservoir für Öl und Gas entstehen kann. Diese beiden Mineralarten gehören zu gleichnamigen Mineralgruppen: Die Calcitgruppe umfasst Karbonate mit der allgemeinen Formel XCO₃, die Dolomitgruppe Mineralien mit der allgemeinen Formel XY(CO₃)₂. ⓘ

Sulfate

Gips-Wüstenrose ⓘ

Die Sulfatminerale enthalten alle das Sulfatanion [SO₄]2-. Sie sind in der Regel durchsichtig bis durchscheinend, weich, und viele sind zerbrechlich. Sulfatminerale bilden sich in der Regel als Evaporite, d. h. sie fallen aus verdampfenden Salzwässern aus. Sulfate können auch in hydrothermalen Adersystemen in Verbindung mit Sulfiden oder als Oxidationsprodukte von Sulfiden vorkommen. Sulfate können in wasserfreie und wasserhaltige Mineralien unterteilt werden. Das bei weitem häufigste wasserhaltige Sulfat ist Gips, CaSO₄⋅2H₂O. Er bildet sich als Evaporit und ist mit anderen Evaporiten wie Calcit und Halit vergesellschaftet; wenn er beim Auskristallisieren Sandkörner einschließt, kann Gips Wüstenrosen bilden. Gips hat eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit und behält eine niedrige Temperatur bei, wenn er erhitzt wird, da er diese Wärme durch Austrocknung verliert; daher wird Gips als Isolator in Materialien wie Gips und Trockenbau verwendet. Das wasserfreie Äquivalent des Gipses ist Anhydrit; es kann sich unter sehr trockenen Bedingungen direkt aus Meerwasser bilden. Die Barytgruppe hat die allgemeine Formel XSO₄, wobei X ein großes 12-koordiniertes Kation ist. Beispiele sind Baryt (BaSO₄), Coelestin (SrSO₄) und Anglesit (PbSO₄); Anhydrit gehört nicht zur Barytgruppe, da das kleinere Ca²⁺ nur achtfach koordiniert ist. ⓘ

Phosphate

Die Phosphatminerale sind durch die tetraedrische Einheit [PO₄]3- gekennzeichnet, obwohl die Struktur verallgemeinert werden kann und Phosphor durch Antimon, Arsen oder Vanadium ersetzt wird. Das am häufigsten vorkommende Phosphat ist die Apatit-Gruppe; häufige Arten innerhalb dieser Gruppe sind Fluorapatit (Ca₅(PO₄)₃F), Chlorapatit (Ca₅(PO₄)₃Cl) und Hydroxylapatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)). Die Minerale dieser Gruppe sind die wichtigsten kristallinen Bestandteile von Zähnen und Knochen von Wirbeltieren. Die relativ häufig vorkommende Monazitgruppe hat die allgemeine Struktur ATO₄, wobei T für Phosphor oder Arsen steht und A häufig ein Seltenerdelement (REE) ist. Monazit ist in zweierlei Hinsicht wichtig: Erstens kann er als REE-"Senke" diese Elemente ausreichend konzentrieren, um zu einem Erz zu werden; zweitens können die Elemente der Monazitgruppe relativ große Mengen an Uran und Thorium enthalten, die in der Monazit-Geochronologie zur Datierung des Gesteins auf der Grundlage des Zerfalls von U und Th zu Blei verwendet werden können. ⓘ

Organische Minerale

Die Strunz-Klassifikation enthält eine Klasse für organische Minerale. Diese seltenen Verbindungen enthalten organischen Kohlenstoff, können aber durch einen geologischen Prozess gebildet werden. Whewellit, CaC₂O₄⋅H₂O, ist beispielsweise ein Oxalat, das in hydrothermalen Erzgängen abgelagert werden kann. Während hydratisiertes Kalziumoxalat in Kohleflözen und anderen Sedimentablagerungen mit organischem Material gefunden werden kann, wird das hydrothermale Vorkommen nicht mit biologischer Aktivität in Verbindung gebracht. ⓘ

Jüngste Fortschritte

Die Klassifizierungssysteme für Mineralien und ihre Definitionen werden ständig weiterentwickelt, um den jüngsten Fortschritten in der Mineralwissenschaft zu entsprechen. Zu den jüngsten Änderungen gehört die Hinzufügung einer organischen Klasse sowohl in der neuen Klassifikation nach Dana als auch nach Strunz. Die organische Klasse umfasst eine sehr seltene Gruppe von Mineralen mit Kohlenwasserstoffen. Die IMA-Kommission für neue Mineralien und Mineralnamen verabschiedete 2009 ein hierarchisches Schema für die Benennung und Klassifizierung von Mineralgruppen und Gruppennamen und setzte sieben Kommissionen und vier Arbeitsgruppen ein, um Mineralien zu überprüfen und in eine offizielle Liste ihrer veröffentlichten Namen einzuordnen. Nach diesen neuen Regeln können "Mineralienarten auf verschiedene Weise gruppiert werden, z. B. auf der Grundlage von Chemie, Kristallstruktur, Vorkommen, Assoziation, genetischer Geschichte oder Ressourcen, je nachdem, welchem Zweck die Klassifizierung dienen soll". ⓘ

Astrobiologie

Es wurde vorgeschlagen, dass Biominerale wichtige Indikatoren für extraterrestrisches Leben sein könnten und somit eine wichtige Rolle bei der Suche nach vergangenem oder gegenwärtigem Leben auf dem Mars spielen könnten. Darüber hinaus wird angenommen, dass organische Komponenten (Biosignaturen), die häufig mit Biominerale verbunden sind, eine entscheidende Rolle bei präbiotischen und biotischen Reaktionen spielen. ⓘ

Im Januar 2014 teilte die NASA mit, dass die Rover Curiosity und Opportunity auf dem Mars nach Beweisen für altes Leben suchen werden, einschließlich einer Biosphäre, die auf autotrophen, chemotrophen und/oder chemolithoautotrophen Mikroorganismen beruht, sowie nach altem Wasser, einschließlich fluvio-lakustriner Umgebungen (Ebenen, die mit alten Flüssen oder Seen verbunden sind), die möglicherweise bewohnbar waren. Die Suche nach Beweisen für die Bewohnbarkeit, die Taphonomie (im Zusammenhang mit Fossilien) und den organischen Kohlenstoff auf dem Planeten Mars wurde zu einem vorrangigen Ziel der NASA. ⓘ

Siehe auch

• Agrominerale
• Amateur-Geologie
• Isomorphismus (Kristallographie)
• Liste der Mineralien
• Liste der von der International Mineralogical Association anerkannten Mineralien
• Mineraliensammeln
• Entwicklung der Mineralien
• Mineral (Nährstoff), auch als Nahrungsmineral bekannt
• Polymorphismus (Werkstoffkunde) ⓘ

Allgemeine Referenzen

• Busbey, A.B.; Coenraads, R.E.; Roots, D.; Willis, P. (2007). Gesteine und Fossilien. San Francisco: Fog City Press. ISBN 978-1-74089-632-0.
• Chesterman, C.W.; Lowe, K.E. (2008). Feldführer zu nordamerikanischen Gesteinen und Mineralien. Toronto: Random House of Canada. ISBN 978-0394502694.
• Dyar, M.D.; Gunter, M.E. (2008). Mineralogie und optische Mineralogie. Chantilly, VA: Mineralogische Gesellschaft von Amerika. ISBN 978-0939950812. ⓘ

Abgrenzungen und Ausnahmen

Im Allgemeinen gelten nur Elemente und chemische Verbindungen als Mineralien, die natürlich, chemisch einheitlich und von wenigen Ausnahmen abgesehen anorganisch, fest und kristallin sind: ⓘ

Homogenität

Die Begriffe „chemisches Element“ und „chemische Verbindung“ beinhalten eine feste Zusammensetzung und eine definierte chemische Struktur. Stoffgemische sind keine Minerale. Die Zusammensetzungen von Mineralen können jedoch eine gewisse Variation aufweisen (Mischkristalle), solange sie strukturell homogen sind. ⓘ

Eine chemische Verbindung kann mit verschiedenen Strukturen auftreten. Chemisch einheitliche Gemische von verschiedenen Phasen unterschiedlicher Struktur sind ebenfalls keine Minerale. So kann z. B. Feuerstein (Hornstein) aus reinem SiO₂ bestehen, ist aber kein Mineral, sondern ein Gemisch der strukturell unterschiedlichen Minerale Tiefquarz, Mogánit und Opal und somit ein Gestein. ⓘ

Extraterrestrische Substanzen

Die Prozesse, die zur Bildung extraterrestrischer Substanzen, z. B. in Meteoriten und Mondgesteinen, beitragen, sind ähnlich denen, die auch auf der Erde stattfinden. Infolgedessen werden natürlich vorkommende Komponenten extraterrestrischer Steine und kosmischen Staubes als Minerale bezeichnet (z. B. Tranquillityit, Brownleeit). ⓘ

Vorkommen

Mit Ausnahme der natürlichen Gläser und der Kohlegesteine sind alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper aus Mineralen aufgebaut. Am häufigsten kommen etwa dreißig Minerale vor, die sogenannten Gesteinsbildner. Daneben findet man Minerale auch als Kolloide im Wasser oder als Feinstaub in der Luft. Auch Wasser selbst ist ein Mineral, wenn es in Form von Wassereis vorliegt. ⓘ

Mineralbildung

Minerale bilden sich

1. durch Kristallisation aus Schmelzen (magmatische Mineralbildung) oder aus wässrigen Lösungen (hydrothermale und sedimentäre Mineralbildung) oder aus Gasen durch Resublimation (zum Beispiel an Vulkanen)
2. während der Metamorphose durch Festkörperreaktionen aus anderen Mineralen oder natürlichen Gläsern. ⓘ

Primärminerale entstehen zeitgleich mit dem Gestein, dessen Teil sie sind, während sich Sekundärminerale durch eine spätere Veränderung des Gesteins (Metamorphose, hydrothermale Überprägung oder Verwitterung) bilden. ⓘ

Man unterscheidet zwei Phasen der Mineralbildung: Zunächst lagern sich mehrere Atome oder Ionen zusammen und bilden einen Kristallisationskeim (Keimbildung). Wenn dieser einen kritischen Keimradius überschreitet, wächst er weiter und es entsteht ein Mineral (Kristallwachstum). Nach zahlreichen Umwandlungsreaktionen mit anderen Mineralen, mit der Luft oder mit dem Wasser kommt es schließlich zur Zerstörung der Minerale durch die Verwitterung. Die Ionen, aus denen das Kristallgitter aufgebaut war, gehen wieder in Lösung oder gelangen bei der Anatexis in eine Gesteinsschmelze (Magma). Schließlich beginnt der Zyklus an einem anderen Ort von vorn. ⓘ

Zur Bestimmung des Abkühlalters siehe Spaltspuren. ⓘ

Eine besondere Form der Mineralbildung aus der Lösung ist die Biomineralisation. Darunter versteht man die Bildung von Mineralen durch Organismen. Folgende Minerale können auf diesem Wege entstehen:

• Calcit, Vaterit und Aragonit bilden die Schalen von Schnecken, Muscheln, Foraminiferen und Coccolithophoriden.
• Hydroxylapatit baut die Knochen aller Wirbeltiere und zusammen mit Fluorapatit den Zahnschmelz von Säugetieren auf.
• Magnetit dient einer Reihe von Lebewesen als Kompass zur Orientierung im Erdmagnetfeld. Dies hat man zunächst bei magnetotaktischen Bakterien festgestellt. Es ist heute auch von Insekten, Weichtieren, Fischen, Vögeln und Säugetieren bekannt. ⓘ

Weitere Formen der Mineralbildung aus der Lösung beziehungsweise durch die Reaktion von Mineralen mit Wasser spielen in der Technischen Mineralogie eine Rolle: Calcit dient der Neutralisation von Säuren einschließlich Kohlensäure unter Bildung von Wasserhärte, Pyrit wirkt als Reduktionsmittel bei der bakteriellen Elimination von Nitrat durch Denitrifikation, während Tonminerale Neutralisationsreaktionen bei niedrigen pH-Werten und Ionenaustauschreaktionen bewirken können. Bei der Trinkwasseraufbereitung entstehen als Reaktionsprodukte bei der Elimination von Eisen(II)- und Manganionen Goethit und δ-MnO₂, Calcit kann bei Enthärtungsreaktionen (Entkarbonisierung) gebildet werden. Bei der Abwasserbehandlung können bei ausreichend hohen Phosphatkonzentrationen in den Abwasserbehandlungsanlagen wasserklare Kristalle von Struvit, einem Ammonium-Magnesiumphosphat, entstehen. Diese können den Querschnitt von Leitungen verengen. Bei der Korrosion von Stahl und Gusseisen im Kontakt mit Wasser können je nach Wasserbeschaffenheit Goethit, Magnetit und Lepidokrokit, bei höherer Karbonathärte auch Siderit, in phosphathaltigen Wässern Vivianit, in sulfathaltigen Wässern Troilit und in schwefelwasserstoffhaltigen Wässern Greigit gebildet werden. Aus Kupfer kann sich Cuprit, Malachit oder Azurit bilden, während aus Blei hauptsächlich Hydrocerussit entsteht. ⓘ

Eigenschaften

Magnetische Eigenschaften

• Magnetismus: Man unterscheidet ferromagnetische Minerale (zum Beispiel Eisen), ferrimagnetische Minerale (zum Beispiel Magnetit), paramagnetische Minerale (zum Beispiel Biotit), diamagnetische Minerale (zum Beispiel Quarz) und antiferromagnetische Minerale (zum Beispiel Hämatit). Üblicherweise werden nur Ferro- und Ferrimagnetismus mit Hilfe einer Kompassnadel bestimmt. ⓘ

Elektrische Eigenschaften

• Elektrische Leitfähigkeit: Die meisten Minerale sind Nichtleiter, einige Sulfide und Oxide sind Halbleiter, gediegene Metalle sind Leiter. Covellin ist mit einer Sprungtemperatur von 1,63 Kelvin der einzige bekannte natürlich vorkommende mineralische Supraleiter.
• Piezoelektrizität: Fähigkeit, eine mechanische Schwingung in eine elektrische Wechselspannung umzuwandeln und umgekehrt. Beispiel: Quarz.
• Pyroelektrizität: Fähigkeit, eine Temperaturdifferenz in eine Ladungstrennung umzuwandeln. Beispiel: Turmalin ⓘ

Chemische Eigenschaften

• Flammenfärbung: Einige Elemente verfärben eine Flamme. Diese Eigenschaft wird in der Flammenprobe verwendet, um auf die chemische Zusammensetzung eines Minerals zu schließen. Gasbrenner sind in abgedunkelten Räumen dazu am besten geeignet.
• Schmelzbarkeit: Sie beschreibt das Verhalten vor dem Lötrohr, also die Schmelzreaktion.
• Reaktion mit Salzsäure: Karbonate reagieren unterschiedlich stark mit heißer, teilweise auch mit kalter Salzsäure. Diese Eigenschaft ist ein wichtiges diagnostisches Kriterium für diese Mineralgruppe. ⓘ

Geruchseigenschaften

Schwefelhaltige Minerale lassen sich oft am Geruch erkennen, der beim Anschlagen entsteht. ⓘ

Geschmackseigenschaften

Die Unterscheidung von Halit und Sylvin erfolgt traditionell dadurch, dass letzterer bitter schmeckt. ⓘ

Sonstige Eigenschaften

• Radioaktivität: Dies ist die Eigenschaft, hochenergetische Strahlung ohne Energiezufuhr auszusenden. Man unterscheidet traditionell drei Arten von Strahlen: Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Die Strahlenmessung erfolgt mit einem Geigerzähler. Radioaktivität ist auch in niedrigen Dosen potentiell gesundheitsschädlich. Radioaktive Minerale sind zum Beispiel Uraninit, aber auch Apatit, der Uran als Spurenelement anstelle von Phosphor einbaut.
• Mobilisierung: Mineralien werden durch den Bergbau mobilisiert, können aber auch durch natürliche Vorgänge (Erosion) freigesetzt werden. Bei den toxikologisch relevanten schwermetallhaltigen Mineralien übersteigt die Mobilisierung durch den Menschen bei weitem die natürlichen Prozesse. ⓘ