Grundlagen der Mineralogie und Gesteinskunde

Physikalische Zustände der Materie

• Amorph: Keine interne geometrische Fernordnung.
• Kristallin / Kristall: Geordnete interne Gitterstruktur.
• Kristallisiert: Geordnete interne und externe Geometrie (z. B. bei Mineralien).

Kristalline Materialien

• Kristallgitter und Elementarzelle: Ein 3D-Gitter ist die periodische Wiederholung der kleinsten Elementarzelle, welche bereits alle charakteristischen Eigenschaften des Kristalls in sich trägt. Die wiederholte Anordnung bildet den makroskopischen Kristall.
• Homogene Symmetrie: Tritt durch die vielfache räumliche Wiederholung der Elementarzellen auf.
• Anisotropie: Richtungsabhängigkeit bestimmter physikalischer Eigenschaften innerhalb des Kristalls.
• Isotropie: Richtungsunabhängigkeit; die Eigenschaften sind in allen Raumrichtungen identisch.

Entstehung von Mineralien

• Kristallisation aus Fluiden: Durch Verdunstung des Lösungsmittels aus einer wässrigen Lösung, durch Abkühlung von flüssigem Magma oder direkt aus der Gasphase durch Sublimation.
• Reaktionen im festen Zustand: Ein oder mehrere Ausgangsminerale wandeln sich infolge veränderter Umgebungsbedingungen (Temperatur T, Druck P) in neue Minerale um, ohne dabei aufzuschmelzen.

Magmatische Gesteine (Magmatite)

Magma: Schmelze aus flüssigen Silikaten unter hohen Temperaturen (ca. 700–1200 °C) mit einem signifikanten Anteil gelöster Gase. Ursprungsort ist vor allem die Asthenosphäre bzw. der obere Erdmantel.

Klassifikation und Eigenschaften

• Gesteinsarten nach Bildungsort: Plutonite (Tiefengesteine, intrusiv) und Vulkanite (Ergussgesteine, effusiv/oberflächlich).
• Chemische Zusammensetzung:
  • Sauer: 700–900 °C, reich an Siliziumdioxid (SiO₂/Quarz), hochviskos.
  • Basisch: 900–1200 °C, niedrigerer SiO₂-Gehalt, dünnflüssiger.
• Farbindex: Leukokrat (hell gefärbte Gesteine/Minerale) versus melanokrat (dunkel gefärbte Gesteine/Minerale).
• Gefüge und Textur:
  • Plutonisch-granitisch (phaneritisch): Homogene Korngröße, gut auskristallisiert, einphasige langsame Abkühlung.
  • Vulkanisch-porphyrisch: Heterogene Korngrößenverteilung (Einsprenglinge in feinkörniger oder glasiger Grundmasse), unvollständig auskristallisiert, zweiphasige Abkühlung.

Metamorphe Gesteine und Metamorphose

Metamorphose: Gesteinsumwandlung im festen Zustand unter veränderten Druck- und Temperaturbedingungen (PT-Faktoren). Die Reaktionen finden ohne vollständiges Aufschmelzen statt und führen zu geochemischen sowie mineralogischen Neuordnungen (Phasenwechsel) und Gefügeveränderungen (Rekristallisation und Neuausrichtung).

• Schieferung (Foliation): Texturmerkmal metamorpher Gesteine, bei dem sich Minerale senkrecht zur Richtung der maximalen tektonischen Druckspannung (Stress) einregeln.
• Metamorphosefaktoren:
  • Druck (ΔP): Lithostatischer (konfinierender) Überlagerungsdruck, gerichteter tektonischer Druck sowie Fluiddruck.
  • Temperatur (ΔT): Geothermischer Gradient (Versenkung), magmatische Intrusionen und radioaktiver Zerfall.
• Metamorphosetypen:
  • Lokal: Kontaktmetamorphose (thermisch), kataklastische Metamorphose / Dislokationsmetamorphose (mechanisch an Störungen), Schockmetamorphose (Impakt).
  • Regional: Großräumige Regionalmetamorphose (orogenetisch bedingt).
• Indexminerale: Spezifische Minerale, die als Geothermometer bzw. Geobarometer präzise Rückschlüsse auf die durchlaufenen PT-Bedingungen erlauben.
• Paragenese: Die charakteristische Vergesellschaftung koexistierender Minerale, welche die Bildungsbedingungen widerspiegelt.
• Metamorphe Reihen / Zonen: Das resultierende metamorphe Gestein hängt sowohl vom Metamorphosegrad als auch von der Natur des Ausgangsgesteins (Protoliths) ab.

Sedimentgesteine

• Klastisch / Detritisch (physikalischer Transport): Rudite (Konglomerate, Brekzien), Sandsteine, Lutite (Ton- und Schluffsteine).
• Nicht-detritisch (chemisch und biogen aus wässrigen Lösungen): Karbonatgesteine, Evaporite, Kieselgesteine (Silikate/Chert) sowie organogene Kohlenstoffgesteine.

Fossile Brennstoffe: Kohle und Erdöl

• Kohle (Karbonate/Kaustobiolithe):
  • Herkunft: Höhere Pflanzenreste (Kohlenstoffverbindungen).
  • Ablagerungsmilieu: Sümpfe, Deltas, Lagunen.
  • Inkohlungsreihe (Reifegrad): Torf → Braunkohle → Steinkohle → Anthrazit → Graphit.
• Erdöl:
  • Herkunft: Einzellige Algen (Phytoplankton) und Mikroorganismen.
  • Bildungsprozess: Ablagerung organischer Substanz → anaerobe Zersetzung unter Bildung von Sapropel-Sedimenten → Diagenese mit bakterieller sowie chemischer Reduktion zu Kerogen → thermische Reifung zu flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen (Erdöl und Erdgas).
  • Temperaturbedingungen: 70–100 °C (Haupt-Ölfenster); oberhalb von ca. 150–250 °C vorwiegend Gasbildung; über 250–350 °C thermische Zersetzung, Überprägung und Graphitisierung.