Mineral- und Erzlagerstättenkunde: Band 1 [Reprint 2020 ed.] 9783112315576, 9783112304389

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S A M M L U N G G Ö S C H E N B A N D 1014

Mineral- und Erzlagerstättenkunde Von

H. Huttenlocher Professor an der Universität Bern

I

W A L T E R

D E

G R U Y T E R

vormals G . J . Göachen'acbe V e r U g s h a n d l n o g

&

CO,

— J . Guttentag, Verlag»«

buchhandlung — G e o r g R e i m e r — K a r l J . T r ü b o e r — Veit & C o m p .

Berlin 1954

Alle Rechte,

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der

Mikrofilmen,

Rechte der H e r s t e l l u n g

v o n der V e r l a g s h a n d l u n g

Copyright WALTER

1954

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DE G R U Y T E R & CO.

Berlin W 35, Genthiner Str. 13.

Aidliv-Nr. Satz

u. Druck:

11 10 14

Buchkunst,

Printed in

Berlin W 35

Germany.

und

INHALTSVERZEICHNIS Einleitung

6

I. Geochemischer und kristallchemischer Überblick A. G e o c h e m i s c h e G r u n d l a g e n 1. Geochemische Gliederung der Erde mit ihren Außenzonen a) b) c) d)

Die Die Die Die

Atmosphäre Hydrosphäre Biosphäre Lithosphäre

9 9 10 12 12

2. Geochemische u n d geophysikalische Gliederung der eigentlichen Erdkugel 3. Die Geochemie der Lithosphäre a) Chemische Zusammensetzung b) Gesetzmäßigkeiten der Elementenhäufigkeit Beziehungen zum periodischen System

9 9

und

12 15 15 17

4. Der geochemische C h a r a k t e r der Elemente u n d ihre Stellung im periodischen System

20

B. K r i s t a l l c h e m i s c h e Grundlagen und B e z i e h u n g e n des physikochemischen V e r h a l t e n s zum Kristallgitter

23

II. Physiko-Chemische Grundlagen der Mineralbildung . A. G l e i c h g e w i c h t s und Phasenlehre 1. Allgemeine Betrachtungen zum U b e r gang Lösung — Kristall 2. Einstoffsysteme 3. Mehrstoffsysteme a) Reaktionen nach dem Eutekttyp b) Ausscheidung nach dem Mischkristallsystem c) Ausscheidung nach dem diskontinuierlidien Reaktionsschema (inkongruenter Schmelzpunkt)

29 29 29 32 34 34 37 38

4 B. Z i e l s t r e b i g k e i t i m A b l a u f e mineral- und gesteinsbildender Prozesse; Mineralassoziationen und Gesteine als P h a s e n g e m e i n schaften 40 III. Der innere Stoffkreislauf

43

A. D e r m a g m a t i s c h e A b l a u f 43 1. Allgemeiner Entwicklungsverlauf unter plutonischen und vulkanischen Verhältnissen 43 a) Abyssisch b) Vulkanisch

2. Das plutonische Verhalten a) Das liquidmagmatische Stadium a) Die Differentiation der Eruptivgesteine ß) Die liquid- oder orthomagmatisdien Lagerstätten b) Das pegmatitisch-pneumatolytische Stadium a) Die pegmatitisdie Fazies ß) Die pneumatolytisdie Fazies c) Das hydrothermale Stadiiim a) Erzgänge ß) Hydrothermale Drusen-Mineralisation und AutometamorphoLj

45 46

47 47 47 49 50 50 52 53 53 54

3. Das vulkanische Verhalten 55 4. Zeitlich-räumliche Elementenabfolge und klassifikatorische Lagerstättenbezeichnungen 56 B. D e r m e t a m o r p h e A b l a u f 1. Die Thermometamorphose 2. Die Metasomatose 3. Die mechanische Deformationsmetamorphose 4. Die Regionalmetamorphose

60 61 62 65 66

IV. Der äußere Stoffkreislauf 68 A. V e r w i t t e r u n g 69 1. Die physikalische Verwitterung 69 2. Die chemische Verwitterung und Fraktionierung der Elemente 69

5 B. T r a n s p o r t u n d A b s a t z Fraktionen 1. Residuen

der

a) Die Trümmerlagerstätten b) Die Seifen c) Konzentration in der Oxydations- und tationszone primärer Erzlagerstätten

71 74 Zemen-

2. Oxydate und Hydrolysate

76

79

a) Die bauxitisch-lateritische Hydrolysatanreicherung b) Die vorwiegend festländische eisen- und manganhydratische Anreicherung c) Die Anreicherung von Nickel und Magnesium in Hydrosilikaten und in Magnesitgängen d) Schwermetallische Fernausscheidungen in ariden Sduittbecken e) Hydratisdie und karbonatische Fe- und Mn-Ausscheidungen im limnischen und marinen Bereich

3. Karbonate und untergeordnete 4. Evaporate

75 75

Sulfate

a) Marine Salze b) Terrestrische Salze

5. Biogene Sedimente V. Äußere Form und inneres Gefüge, der Lagerstätten als A.Die Form der L a g e r s t ä t t e n geologischer Körper 1. Stöcke 2. Nester, Schlieren, Linsen und Knollen .. 3. Schichten, Lager oder Flöze 4. Gänge B. T e x t u r e l l e Gefügeverhältnisse der Lagerstätten 1. Texturen der Ganglagerstätten 2. Erzfälle 3. Texturen im Kleingefüge C. S t r u k t u r e l l e G e f ü g e v e r h ä l t nisse 1. Kristallinität, Korngröße und Mengenbeziehungen 2. Gegenseitige Verwachsungsverhältnisse der mineralischen Gesteinskomponenten VI. Metallogenetische Epochen und Provinzen . . . . Literatur Register

79 80 82 83 85

87 90 90 94

95 98 99 99 101 102 103 108 109 112 114 116 116 120 122 127 128

EINLEITUNG Unter M i n e r a l i e n versteht man die homogenen Bausteine der Erdkruste; zu ihnen zählen auch die E r z e , die in der Regel metallisches Aussehen aufweisen und welche Ausgangsstoffe f ü r die Metallgewinnung darstellen. Ausnahmslos treten nun die anorganisch - mineralischen A u f b a u s t o f f e unserer Erdrinde, auf der sich das gesamte menschliche, tierische und pflanzliche Leben abspielt, in Assoziationen auf. Kommen diesen Vergesellschaftungen größere geologische Räume zu, so bilden sie G e steine. Die G e s t e i n s k u n d e , Petrologie oder Pétrographie, vermittelt die Kenntnisse von den gesteinsmäßigen Mineralassoziationen und bezeichnet Gesteine dann als v e r s c h i e d e n a r t i g , wenn sie in Mineralinhalt und Gefüge voneinander abweichen. Die gegenseitigen räumlichen Beziehungen verschiedenartiger Gesteine, also deren Verbandsverhältnisse und die Berücksichtigung der versteinerten Organismen, der Fossilien, gestatten die H a u p t a u f gabe der G e o l o g i e zu lösen: Die Darstellung der Erdgeschichte in chronologischer Folge. Es wird die Petrologie zu einem wichtigen Bestandteil der Geologie, sie u m f a ß t deren stofflich-materielle Seite, ohne dabei einer historischen Betrachtung entbehren zu können, da jede Mineralassoziation als das P r o dukt eines Werdeganges verstanden werden muß. Da verschiedene Mineralbestände bruttochemisch gleich ausfallen können (Heteromorphie der Gesteine), darf der Chemismus für die Verschiedenheit der Gesteine nicht entscheidend sein. Je nach veränderten Bildungs-

Einleitung

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bedingungen d. h. geologischen Verumständungen, werden sich jedoch bei gleichbleibendem Chemismus verschiedene Mineral- und Gefügeverhältnisse und somit verschiedene Gesteine entwickeln. Die chemische Natur der Einzelmineralien kann mikroskopisch-optisch, oder, nach mechanischer Isolierung, analytisch-chemisch, eventuell auch spektralanalytisch und gegebenenfalls auch röntgenographisch bestimmt werden. Die feldgeologisch und im Laboratorium ermittelten Tatsachen bestimmen nun das Bild des Bildungsvorganges. Hierzu stehen uns nur in beschränktem Maße direkte Einblicke zur Verfügung und läßt sich das Aktualitätsprinzip anwenden, wie dies f ü r die Vorgänge an Vulkanen oder an den an der Erdoberfläche oder in den verschiedenen Wasser- und Meerestiefen verfolgbaren Ablagerungen und Ausscheidungen möglich ist. Die größten Teile der Erdrinde dagegen bestehen aus Mineralbildungen, die sich in nicht unerheblichen Erdtiefen vollzogen haben und erst im Laufe der jüngsten erdgeschichtlichen Epochen uns zugänglich geworden sind, ohne inzwischen eine nennenswerte Veränderung erfahren zu haben. Hier gilt es, die im wahren Sinne des Wortes in steinernen Lettern geschriebene Schrift der Natur, aus Mineralbestand und Gefüge bestehend, zu entziffern. Die unter analogen geologischen Verhältnissen sich immer wiederholenden Erscheinungen bilden einen wertvollen Erfahrungsschatz f ü r die Deutung der Vorgänge. Ihnen stehen bis zu einem gewissen Grade die Ergebnisse der Experimente unterstützend zur Seite, die uns selbst aber nur in den allerwenigsten Fällen die direkten Naturprodukte liefern, sondern nur die Richtungsverläufe der in der Natur vor sich gehenden Prozesse angeben. Daß dem Faktor „Zeit" f ü r die geologischen Vorgänge eine recht bedeutsame Rolle eingeräumt werden muß, soll hier besonders hervorgehoben werden; ihm sind Wirkungen zuzuschreiben, f ü r die wir keine Mittel einsetzen können. Die mineral- und gesteinbildenden Prozesse verlaufen alle gerichtet nach physiko-chemischen Gesetzen. Ein Verständnis f ü r Minero- und Petrogenese macht die Anwendung physiko-chemischer Betrachtung zur Voraussetzung. Da die mineralischen Endprodukte stets kristal-

8

Einleitung

lin sind und dieser Zustand auf der Erdkruste die anorganische Welt beherrscht, so hat eine zeitgemäße Mineralogie und Petrologie weitgehend die Ergebnisse der Kristallstrukturforschung (Kristallchemie) zu berücksichtigen, will sie die Erscheinungen in natürliche Zusammenhänge bringen. So entspricht der heutigen Lehre von den Gesteinen und Minerallagerstätten eine Synthese aus einer Reihe von mit einander verbundenen Disziplinen: Geologie, Mineralogie-Petrographie, physikalische Chemie, Kristallchemie und Geophysik.

Mineral- und Erzlagerstätten verdanken ihre Entstehung nicht zufälligen Vorgängen, sie stellen vielmehr die im normal verlaufenden und allgemeine Gültigkeit aufweisenden Gesteinsbildungsprozeß anfallenden Produkte dar. In gewissen Stadien der Evolution, begünstigt durch bestimmte physikochemische Bedingungen, kommt es zu m i n e r a l i s c h e n S t o f f k o n z e n t r a t i o n e n von ausgesprochenem Charakter. Zugleich erlangen sie eine gewisse, immerhin in den Ausmaßen noch recht variable, räumliche Beschränktheit, die wir, im Unterschied zum Gestein, Lagerstätten nennen. Handelt es sich hierbei um eine Mineralart oder um Mineralkombinationen, die für kulturelle Zwecke eine Bedeutung erlangen, so sprechen wir von n u t z b a r e n L a g e r s t ä t t e n . Das Studium der Mineral- und Erzlagerstätten, welchem hier vor allem die Aufmerksamkeit gezollt werden soll, kann deshalb nur ein petrographisch ausgerichtetes sein.

I. GEOCHEMISCHER UND KRISTALLCHEMISCHER ÜBERBLICK

A. Geochemische Grundlagen 1. Geochemische Gliederung der Erde mit ihren Außenzonen Das Studium im Verhalten der chemischen Elemente den verschiedenen geophysikalischen Bedingungen gegenüber, ihre Anpassungs- und Wanderungsfähigkeit bei veränderten geologischen Situationen, ihr Austreten aus mineralischen Verbindungen und Eintreten in neue anders geartete, die Migration der Elemente, macht das Wesen der G e o c h e m i e aus Jede lagerstättenmäßige Stoffkonzentration stellt ein geochemisches Problem dar. Zunächst ist es angezeigt, ganz allgemein die Verteilung der 90 Elemente auf der Erde und damit ihren geochemischen Grundcharakter kennen zu lernen. Weiter unten wird noch einläßlicher dargelegt, wie die Erde aus Schalen aufgebaut ist, die verschiedenen physikalischen Bedingungen unterliegen und die demgemäß auch verschiedene chemische Natur besitzen. (Geosphären). a) Die Atmosphäre Die Atmosphäre finden wir als alleräußerste Geosphäre. Nach V. M. GOLDSCHMIDT kommt ihr folgende gewichtsprozentische Zusammensetzung zu:

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I. Geoehemischer u. kristallchemischer Uberblick 0 2 23.01 N3 75.51 Ar 1.286 C0 2 .04

Ne He Kr X

.0012 .00007 .0003 .00004

Berechnet man die untere Grenze der Atmosphäre als bei 256 m Meereshöhe liegend, so lasten auf jedem cm2 Erdoberfläche 1,002—1,003 kg Atmosphäre mit folgenden Mengen der geochemisch wichtigsten Bestandteile: N 755 g Edelgase 13.3 g O 230 g H 3.2 g CO. .4 g b) Die Hydrosphäre Die Hydrosphäre folgt als nächst wichtige Geosphäre, allerdings die Erde nicht vollständig umspannend, doch sind immerhin von den 510 10 6 km 2 Erdoberfläche 361 • 10° km 2 durch das Areal des Weltmeeres eingenommen mit einem Volumen von 1,37 10° km 3 , zu welchem noch die Mengen der Binnenseen, Grundwässer, Flüsse und Eismassen als kaum in Betracht fallende Größen hinzu kämen. Somit kann die Zusammensetzung des Ozeanwassers dem Chemismus der Hydrosphäre gleichgesetzt werden. Die entsprechenden Zahlen nach V. M. GOLDSCHMIDT u. a. lauten: 0 H C1 Na Mg S Ca K Br C

85.89 Gew.-Vo

10.80 1.93 1.07 .13 .088 .042 .037 .0060 .002

Sr B Si Rb F Li Cu Fe Ag Au

.001 Gew.-0/» .000 4 .000 4 .000 14 .000 02 .000 007 .000 001 .000 000 2 .000 000 03 .000 000 000 1

A. Geoehemische Grundlagen

11

Gibt man die Zusammensetzung des Salzgehaltes an, der im freien Ozean 3.5—3.7 °/o ausmacht, so lauten die Zahlen: C1 55.3 Gew.-'/o Na 30.1 S 0 4 7.7 Mg 3.7 Fe < .0001

Ca 1.2 Gew.-0/» K 1.1 CO, .2 Br .2 Gew.-11/«

Dem Weltmeer kommt im Stoffhaushalt der Erde eine hohe Bedeutung als Regulator zwischen den Kohlensäuregehalten der Atmosphäre und der Hydrosphäre zu. Da sich zwischen der Zusammensetzung des festen Erdkrustenmaterials und derjenigen des Meerwassers recht große Verschiedenheiten abzeichnen, erscheint es angezeigt, auf die vermittelnde Zusammensetzung der F l u ß w ä s s e r hinzuweisen, die, obwohl zur Hydrosphäre gehörig, gegenüber Meerwasser beträchtliche Unterschiede aufweisen. Berechnungsdaten von Binnenwässern verschiedener Kontinente. C0 3 S04 C1 NOa Ca

35.15 Gew.-"/« 12.14 5.68 .90 20.39

Mg Na K (Fe, A1)203 SiO,

3.41 G€w.-°/o 5.79 2.12 2.75 11.67

Auf jeden cm2 der Erdoberfläche entfallen folgende Anteile der Hydrosphäre: 268.45 1 Meerwasser, .1 1 Süßwasser, 4.5 kg Kontinentaleis, .003 kg Wasserdampf.

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I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

c) Die Biosphäre Sie ist noch weniger als die beiden vorigen eine streng abgrenzbare Schale. Ihre Zusammensetzung ist nicht ohne weiteres ermittelbar, sie schachtelt sich zu sehr zwischen die verschiedenen Geosphären ein, ja infiltriert sie förmlich. Es ist die Zone, in welcher organisches Leben pulsiert, das zu ungeahnten chemischen Massenumsätzen Veranlassung gibt. Auf jeden Fall sind durch sie die unmittelbar angrenzenden übrigen Geosphären in ihren Zusammensetzungen beeinflußt und wiesen ohne die Hydrosphäre und Atmosphäre andere Werte auf. Vor allem hat der russische Geochemiker VERNADSKY ihre außerordentliche Bedeutung ins richtige Licht gerückt und auf die enge Verflechtung zwischen organischer und anorganischer Welt hingewiesen. d) Die Lithosphäre ist diejenige äußere Erdschale, in der sich n u n unsere Lagerstätten einstellen, und zwar kommt hier der äußerste Schalenanteil in Betracht, der gleichzeitig auch in Wechselwirkung mit den vorgenannten Geosphären zu treten vermag. Seine Bedeutung ist so beträchtlich, daß er eingehender betrachtet werden muß. F ü r das Verständnis der auf der Erde sich abspielenden Prozesse anorganischer und organischer N a t u r erschien eine vorausgehende Vermittlung der Kenntnisse von der chemischen N a t u r der Hydround Atmosphäre unentbehrlich. Ihrer eingehenderen Charakterisierung selbst soll aber eine kurze Skizzierung der weiteren Gliederung der Erde und die Beziehung der Schale zu den Kernanteilen vorausgehen. 2. Geochemische und geophysikalische Gliederung der eigentlichen Erdkugel Zahlreiche physikalische Tatsachen sprechen f ü r physikalische und stoffliche Inhomogenität der Erde,

A. Geochetnische Grundlagen

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für deren erdumspannende Schalengliederung. Das spez. Gewicht der Oberflächengesteine beträgt 2,7, das der Gesamterde 5,5, somit müssen im Erdinnern die Oberflächengesteine durch wesentlich dichteres Material abgelöst werden. In der gleichen Richtung weisen die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Erdbebenwellen (Longitudinalwellen Vi/sec), die in verschiedenen Tiefen sprunghafte Änderungen aufweisen. Die großgeologischen und geophysikalischen Untersuchungen lassen zunächst eine relativ reiche Gliederung der eigentlichen E r d k r u s t e zu. Nachstehendes Profil (Abb. 1) orientiert über Zusammensetzung, Vi, Dichte d, Druck und Temperatur der verschiedenen Tiefenzonen. Die auf die Dunitschale folgende alkalibasaltische Olivin-, Pyroxen-, Plagioklasi-Zusammensetzung erfährt aber eine den hier herrschenden Drucken von ä ; 20 000 Atm angepaßte eigene Molekülausbildung als Diopsid-Granatit (eklogitartig) wodurch V| weiterhin steigt. Erst in Tiefen von 85—95 km beginnt Vi langsam rückläufig zu werden, was wohl mit allmählicher Zunahme einer magmaähnlichen basaltischen Zwischenmasse erklärt werden kann. Die hohen Drucke bedingen e'%»;' jedoch kein gewöhnliches A b b ' L S''¿ÖRCHERT) ErdkrUSte MaSma, sondern einen hochviskosen glasartigen labilen Zustand, einer „quasikristallinen Schmelze" oder einem „verwackelten Kristalle" entsprechend, der

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I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

auf zeitliche und räumliche Veränderungen in den Spannungszuständen empfindlich beeinflußbar ist. Das ist überdies auch die Eklogitfazies; Druckentlastung führt sie leicht in die normale Basaltmagmafazies über. Auf jeden Fall haben wir eine Zone, die leicht befähigt ist, örtlich Magmen zu bilden ohne eine allumfassende Magmenschale annehmen zu müssen, die dann ihren Weg in äußere Krustenteile einschlagen können. In Tiefen von 80—120 km dürfte auch der isostatische Ausgleich liegen, unterhalb welchen ein Nebeneinander verschieden dichter Erdrindenkomplexe nicht mehr besteht. Die Isostasie tendiert dahin, das durch den Mangel an festem Material und durch die leichte Hydrosphäre über den ozeanischen Bezirken verursachte Schweredefizit durch Massen größerer Dichte zu kompensieren wie umgekehrt, daß unter den hochaufgetürmten Massen der kontinentalen Gebirge deren Last durch Massen geringerer Dichte ausgeglichen wird. (Schweremessungen.) Die allerdings an den verschiedenen Punkten der Erde unterschiedliche Werte aufweisende geothermische T i e f e n s t u f e (Anzahl der Tiefenmeter für 1° C Temperatursteigerung z. B. Mittel in Europa 32 m, in Südafrika 90 m), der aber keineswegs ein lineares Verhältnis zukommt, könnte zur Vorstellung eines in bestimmter Tiefe sich einstellenden Schmelzgürtels führen. Seine Natur hat aber bereits oben eine Charakterisierung erfahren. Die seismische Untersuchungsmethode läßt noch tiefergelegene Diskontinuitäten erkennen. Eine, bei 1200 km gelegen, trennt den „Mantel", von welchem die „Kruste" den alleräußersten Teil darstellt (Verhältnis von Eischale zum Ei), von einer „Zwischenschichten" umfassenden Zone, und eine noch ausgesprochenere, in 2900 km liegende, scheidet diese vom „Kern" (V. M. GOLDSCHMIDT u. a.). Nach dieser Auffassung sollen den silikatischen Zwischenschichten größere Gehalte an schwermetallischen oxydisch-sulfidischen Verbindungen zukommen und der Kern vorwiegend aus Nickeleisen bestehen.

A. Geochemische Grundlagen

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Neben diese bis vor kurzem allgemein gültige Auffassung tritt die neue KUHN-RITTMANN'sche, nach welcher der Kern noch komprimierte, in überkritischem Zustande sich befindliche Solarmaterie enthält. Die 2900-km-Grenze ist demnach keine stofflich, sondern eine physikalisch bedingte und beruht auf der Abnahme der Relaxionszeit mit zunehmender Erdtiefe in einem sonst stofflich homogenen Erdinnern. 3. Die Geochemie der Lithosphäre a) Chemische Zusammensetzung Die bis 3000 m tiefgehenden künstlichen Aufschlüsse und die aus geologisch-tektonischen Überlegungen abzuleitenden, bis 20 km tief in die Erdkruste reichenden Einblicke eröffnen uns ein Material mit folgender Durchschnittszusammensetzung: SiO> TiOo AUO.i Fe2Os FeO MnO MgO CaO Na 2 0 KäO H,0 P2O5

59.12 Gew.-"/ü (Clarke-Washington) 1.05 15.34 3.08 3.80 .12 3.49 5.08 3.84 3.13 1.15 .30 .05

S .10 CO, Dies entspricht der üblichen chemischen Darstellung, die Metalloxyde in Gewichts-°/o ausgedrückt. Dieselbe Analyse, in' welcher die Elemente selbst die Einheiten darstellen und in Gew.-, Atom- oder

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I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

Vol-°/o ausgedrückt werden können, nimmt nachstehende Form an:

o Si AI Fe Mg Ca Na K Ti H Mn P S C1 C

Gew.-o/o

Atom-o/o

Vol.-o/o

46.60*) 27.70 8.13 5.00 2.09 3.63 2.83 2.57 .44 .13 .10 .08 .05 .05 .03 99.43

62.46 21.01 6.44 1.93 1.84 1.93 2.66 1.43

91.77 .80 .76 .68 .56 1.48 1.60 2.1

*) oder 466 kg/t

Der gesteinschemische Durchschnitt der Lithosphäre entspricht einem granodioritischen Eruptivgestein. Bemerkenswert dabei ist die geringe Zahl von Elementen, welche mit 10 sozusagen die Ganzheit der Zusammensetzung ausmachen; unter diesen bestehen weiter Einschränkungen so, daß O, Si, AI durchaus herrschend und Fe, Ca, Na schon in untergeordneter Weise auftreten. Ohne weiteres erhellt daraus die Bedeutung der Stoffkonzentration in den Lagerstätten', da z. B. Cu, Ag, Pt, Mo, Pb, Zn, im Durchschnitt mit aussichtslos geringen Verteilungszahlen auftreten. Die die Häufigkeit der Elemente charakterisierende scharfe Auswahl wird noch besonders durch die Dominanz des Kations Si und derjenigen des Anions O besonders betont.

A. Geochsrrüsche Grundlagen

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b) Gesetzmäßigkeiten der Elementenhäufigkeit und Beziehungen zum periodischen System Die Fundamentalprobleme der Geochemie behandeln nicht nur die Mengenbestimmung der Elemente in den verschiedenen' Teilen der Erdkruste, sondern auch das Herausschälen von Verteilungsgesetzen, das Ermitteln von Kombinations- und Ansammlurigsmöglichkeiten, das Feststellen von'Migrationsgesetzen. V. M. GOLDSCHMIDT hat schon vor mehr als 25 Jahren erörtert, daß die geochemische Verteilungsweise eines Elementes durch den Bau der Elektronenhülle und seine Häufigkeit durch die Eigenschaften des Atom-Kernes bedingt werden. Russische Forscher haben vor allem die Abhängigkeit der Verteilung von der Stellung im periodischen System verfolgt. Die Abhängigkeit der Verteilurigszahl (Mengenoder Clarke-Zahl) eines Elementes von den Atomeigenschaften hat nicht nur eine irdische, sondern eine kosmische Geltung. Die Erde hat mit dem übrigen Teil des Sonnensystems dieselben Elemente gemeinsam, verändert sind n u r die Mengenverhältnisse. Der Lithosphäre selbst gehören als Hauptelemente die ersten Elemente mit den niederen Ordnungszahlen 1 — 28 an. ODDO und HARKINS haben schon f r ü h auf die Tatsache größerer Häufigkeit von Elementen mit gerader Ordnungszahl hingewiesen und diese Gesetzmäßigkeit hat sich an der kohärenten Elementengruppe der seltenen Erden in Analysen von Meteoriten, von Tonschiefern, der La i Pr I Pm I Eo I TB! Ho I Tm I LU Sonnenatmosphäre und Ce Nd 5n, Pd Dv Fr Yb L i t h o s p h ä r e vollauf immer wieseHenen* Erden^in^q/t ¡Lad, ¿er bestätigen lassen. (Abb. 2). ODDO UND HARKINS). Das in der Natur herrschende 2

Huttenlodier, Mineral- u. Erzlager I

der

18

I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

Symmetrieprinzip setzt sich auch hier im Auftreten der Elemente mit gerader Ordnungszahl durch. Diese Elemente zeichnen sich durch ihre Kernkonstitution in allen ihren physikalischen Eigenschaften und in ihrer energetischen Stabilität gegenüber den unpaarigen aus. Vorherrschend geradzahlige Isotopen aufweisend, nehmen sie geradzahlige Maximalvalenz an und streben nach geradzahliger Koordination und maximal stabilem Bau. Die NIGGLI-SONDER'sche Regel weist in dieselbe Richtung; in ihr kommt die Periodizität der Elementenhäufigkeit deutlich zum Ausdruck. O Si Ca Fe Sr Sn Ba W Pb Th Element 8 14 20 26 38 50 56 74 82 90 Ordnungszahl 6 6 6 12 12 6 18 8 8 Differenz Zwischen den Ordnungszahlen der Elemente mit Häufigkeitsmaxima bestehen Differenzen von 6 oder Vielfachen davon. Am Ende der Reihe bilden sich 8erDifferenzen. Man darf darin eine periodische Wiederkehr besonders stabiler Aufbauschemata der Atomkerne erblicken. Später soll die Ausscheidung aus silikatischen Schmelzlösungen (Magmen) eine besondere Darstellung erfahren. Hier mag in diesem Zusammenhange auf den verschiedenen Baucharakter der während der Früh- und Spätstadien in der mineralischen Auskristallisation fixierten Elemente hingewiesen werden. D i e F r ü h - ( o d e r P r o t o)- K r i s t a l l i s a t i o n , bei 1000°—800° C sich vollziehend und Verbindungen mit niedrigem Kieselsäuregehalt liefernd, hat darin folgende Elemente angereichert: Mg, Si, Ti, Fe, Ni als dominierende, C, O, Ca, Cr, Pt, Na, AI, P, S, Cl, V als wichtige, Sc, Co, Cu, Zn, Ge Mo als ergänzende, Sr, Zr, Nb, Ag, Ta, Wo, Re als akzessorisch auftretende. Es dominieren Elemente vom 4-q-Typus (fett) d. h. Elemente, deren Ordnungszahl selbst oder doch deren hauptsächlichste Isotopen durch 4 teilbar sind.

A. Geochemische Grundlagen

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4 ist ja die Massenzahl u n d zugleich das Atomgewicht von Helium. Die hierhergehörigen Elemente sind häufig solche mit innerer Schalenkomplettierung, hoher Valenz und vorwiegender Geradzahligkeit. I h r e Ionenradien h a b e n Mittelwerte 0,5—0,8 A. Es resultieren kompakte, relativ hoch symmetrische Gitter mit 4-, 6-, 8-Koordination. Die Verbindungen mit Elementen innerer Schalenkomplettierung sind dunkelgefärbt, es resultieren dann dunkle, melanokrate Gesteine. Zahlreich sind die A n w e n dungen der hier gebildeten Mineralien auf den verschiedensten Gebieten der Technik (Baukonstruktion, Überzug f ü r Oxydationsschutz, Chem. Apparatebau, hochfeuerfeste Industrie). I m S p ä t s t a d i u m (Tele- oder Endkristallisation) mit Temperaturbereich 700°—400° C, bilden sich die kieselsäurereichern pegmatitischen Kristallate mit folgender Element-Charakterisierung: AI, O, Si, P, Na, K, Li, dominierende Elemente, H, Be, B, F, Mn, Y, seltene Erden, Zr, Hf, wichtige Elemente, S, Ca, Ti, Fe, Ga, Rb, Cs, Nb, Ta, Mo, Sri, W, Th, U, ergänzende. Paarige Elemente u n d Elemente vom 4-q-Typ treten gegenüber der Frühkristallisation ganz erheblich zurück. Die Differenz der Ionenradien wird bezeichnend, hohe Koordinationszahl einerseits oder anderseits Bevorzugung einer 3-Zähligkeit in trigonal oder pseudotrigonalen Kristallsymmetrien (Quarz, Beryll, Glimmer, Chlorit, Turmalin usw.). Bevorzugung der alkalischen Elemente und Fallen der Beteiligungswerte f ü r Mg und Fe kennzeichnen weiter die Endkristallisation. FERSMANN weist noch auf andere Gesetzmäßigkeiten hin: Das Ionisationspotential u n d das Cartledge'sche Ionenpotential (Ladg./Ionenradius) n e h m e n kleine Werte an im Gegensatz zu der Protokristallisation; das bedingt schwächere Gitterenergien. Auf dem ganzen Wege von der Anfangskristallisation bis zu den letzten Phasen der Endkristallisation folgt der Prozeß einer geraden u n v e r ä n d e r t e n Richtung, in welcher die Beständigkeit der entstehenden P r o d u k t e ab-, ihre Löslichkeit, Hydrolysierbarkeit und Wanderungsfähigkeit zunimmt. 2'

20

I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

4. Der geochemische Charakter der Elemente und ihre Stellung im periodisdien System. Wie schon die Erwähnung der f ü r die Früh- und Endkristallisation typischen Atome erkennen ließ, bevorzugen f ü r die Mineralbildung die Elemente gemäß der ihnen eigenen Natur, die durch die Stellung im periodischen System bedingt ist, ganz bestimmte Bildungsbereiche, die zu charakteristischen Mineralassoziationen führen. Solche Bildungsbereiche bestanden schon in den allerfrühesten Evolutionsepochen unserer Erde und führten zweifellos zu einer Grobsonderung, wie sie im heutigen Schalenbau besteht. Sie hat sich aber nicht völlig quantitativ vollzogen', so daß die eigentlich mehr zu den tieferen Erdzonen gehörigen, jetzt in die Kruste geratenen Atome hier in analog verlaufenden Prozessen sich konzentrieren oder sich scheiden können, nur geschieht dies in viel enger umgrenzten Räumen. WASHINGTON trennte zwischen p e t r o g e n e t i s c h e n und m e t a l l o g e n e t i s c h e n Elementen, erstere sind vorwiegend Gesteine, letztere hauptsächlich Erzlagerstätten aufbauende Mineralien. Eine weitere Gliederung im geochemischen Verhalten strebte V. M. GOLDSCHMIDT an, ausgehend von Beobachtungen der Elemente in metallurgischen Schmelzen und in Meteoriten. Es schien gegeben, das Eisen als Einheitsmetall, als Vergleichsbasis zu wählen, steht es doch mit seinem Verteilungskoeffizienten unter den elektropositiven Elementen an erster Stelle, wenn man vom weniger positiven Si absieht. Als elektronegatives Bezugselement wählte GOLDSCHMIDT Schwefel. Je nachdem die Atome mehr zu einer Bindung mit metallischem Eisen oder mit Schwefel hinneigen, werden sie siderophil oder chalkophil bezeichnet. Bezeichnungen wie lithophil, atmophil und biophil ergänzen die Ausdrucksweise f ü r das geochemische Verhalten der Elemente. Die 5-Gliederung,

A. Geochamische Grundlagen

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(siehe auch Tabelle, S. 22), i n S i d e r o p h i l i e , C h a l k o p h i l i e , L i t h o p h i l i e , A t m o p h i l i e und B i o p h i l i e entspricht eigentlich im Grundcharakter einer Trennung der Atome zwischen einer metallischen, an freien Fe-Metallen reichen Phase, einer halbmetallischen sulfidischen und einer silikatischen Schmelze von ionogenem Charakter, denen sich eine Gasphase anschließt mit entweder freien flüchtigen Elementen oder gasförmigen Komponenten. Solche Phasen haben je und je seit der Entwicklung unseres Planeten bestanden und entwickeln sich heute noch. Die 5. und letzte, biophile Gruppe, in den letzten Evolutionsperioden der Erde entstanden, vereinigt die im lebenden Organismus angereicherten Elemente. In den 4 ersten Elementengruppen zeichnet sich deutlich eine Abhängigkeit von der Zonenschalenkonfiguration ab. Die Edelgase und die edelgasähnlich gebauten Elemente sind in den Ionenlösungen der Lithosphäre und Atmosphäre, in den Steinmeteoriten, in den intermediären und sauren Eruptivgesteinen und Sedimenten der Erdkruste. Die metallischen Elemente der Übergangsreihe mit geringer Affinität zu O oder S, die sich gleichzeitig leicht in geschmolzenem Fe lösen lassen, treten vorwiegend in Fe-(Ni-, Rho-, Ru-, Pt-, Ir)-Legierungen ein. (Eisenkern, Meteoriten, ultrabasische Gesteine.) Elemente, die eine 18er-Elektronenschale besitzen, zeigen hohe Affinität zu S und verhalten sich chalkophil, wenn das Reduktionspotential nicht zu hoch ist, um in Fe-Legierungen einzutreten. (Zwischenschichten oder Sulfo-Oxyschalen, Meteoriten und ultrabasische Gesteine). Es erscheint ferner charakteristisch, daß die für die Biochemie so wichtigen Elemente O, H, C und P in den einfachen Elementen angetroffen werden und daß diese Elemente also kaum weitere Isotopen aufweisen.

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I- Geothemischer u. kristallchemischer Überblick

Die Anordnung der geochemischen Gruppen im periodischen System zeigt die nebenstehende Tabelle 1. S u cn g •6 5 S. g 'ö ä o el | « | •6 S •g

H

Eine solche geochemische Gruppierung läßt sofort verwandtschaftliehe Beziehungen der Elemente hervortreten, wodurch das assoziative und paragenetische Verhalten der Stoffe zum Ausdruck kommt. Das Bestreben, in einem gegebenen System Gleichgewicht herzustellen,wird aber fallweise ein und dasselbe Element der einen oder andern geochemisehen Gruppe zuordnen. Umfangreiches Beobächtungsmaterial aus Experiment und Natur zeigt, daß die Gruppeneinteilung nicht starr angewandt werden darf.

B. Kristallchemische Grundlagen

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Eine weitere periodische Gruppengliederung im geochemischen Verhalten zeigt die Atomvolumenkurve.

Abb. 3. Beziehung zwischen Atomvolumen und geodiemischem Verhalten (nach GOLDSCHMIDT).'

B. Kristallchemische Grundlagen und Beziehungen des physiko-chemischen Verhaltens zum Kristallgitter. Den Aufbau und die Funktion in der organischen Welt besorgt die Zelle; an ihrer Stelle erscheint in der anorganischen der K r i s t a l l . Daraus erhellt die Notwendigkeit, dieses Grundelement im anorganischen Werden und Vergehen in seinen Wesenszügen zu kennen. Die mineralischen Baustoffe der Erdkruste und die von uns verwendeten Rohstoffe sind außer einigen Ausnahmen (Wasser, Quecksilber, Erdöl, Kohle) kristallin: d.h. es ordnen sich unbekümmert um die jeweilige äußere Begrenzungsform stets die den Stoff aufbauenden Teilchen (Atome, Ionen, Radikale oder Moleküle) im Innern in perio-

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I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

disch gesetzmäßiger Weise nach Art eines R a u m g i t t e r s an, dessen Identitätsperioden sich im Bereiche von Angströmeinheiten (1 A =' 10 - 8 cm) bewegen, (fester Zustand der Materie, Festkörper). Die theoretische Betrachtung läßt erwarten, und die Erfahrung in der Natur bestätigt es, daß jedem Stoff von bestimmter chemischer Zusammensetzung auch ein entsprechend genotyper Aufbauplan seiner Teilchen zukommt. Eine Voraussage des so und nicht anders ist möglich. Zunächst scheinbar eine vieltausendfache unübersehbare Vielgestaltigkeit! Die Natur des Einzelelements (atomar, ion'ogen), seine Bindekraft im Gitter, seine Größe, seine Gitterpartner, sind Eigenschaften, welche zusammen den Aufbauplan und das physikalisch-chemische Verhalten der Stoffe bestimmen. Diese aber weisen gemäß der Stellung im periodischen System gesetzmäßig wiederkehrende Wechsel auf und damit erfährt die Vielgestaltigkeit in Erscheinungsform und physiko-chemischem Verhalten von vornherein bedeutende Einschränkungen und ordnende Prinzipien, die durch weitere Gesetzmäßigkeiten noch gesteigert werden. Da die weitaus meisten Vorgänge in und auf der Erdkruste irgendwie und irgendwann durch das Ein- oder Austreten der Atome in das Kristallgitter gekennzeichnet sind, wird die G e o c h e m i e zur K r i s t a l l c h e m i e . Eine geochemische Betrachtung bedeutet gleichzeitig nichts anderes als das Zusammentreten von Elementen zu Assoziationen, wie sie in den einzelnen kristallisierten Mineralarten vorliegen. Unsere Betrachtung über die geochemische Natur der Elemente setzt somit fort in eine solche über das gesetzmäßige assoziative Zusammentreten von Atomen zu einem Kristallverband (Kristallchemie). Die allermeisten natürlichen Mineralien sind sogenannte Kristallverbindungen, d. h. durch die ent-

B. Kristallchemische Grundlagen

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gegengesetzten Ladungen der den Stoff aufbauenden Teilchen (Ionen, Radikale) erhält dieser eine ins Unendliche reichende gesetzmäßige Anordnung, ohne daß das Molekül als Baustein selbst eine Rolle zu spielen braucht. Stets lassen sich dabei aber verschiedene enger und weiter gefaßte Anordnungsschemata herauslesen: 1. ein in engerem Bereich sich abzeichnendes K o o r d i n a t i o n s s c h e m a , wonach sich ein Atom mit einer bestimmten Anzahl anderer in gleichen Abständen umgibt (Koordinationszahl = KZ); ein kleines Zentralatom weist niedrige, ein größeres eine höhere KZ auf. 2. Ein übergeordneter B a u v e r b a n d , die räumliche Anordnung und Fortsetzung ins Unendliche bestimmend, die bald ein- oder zweidimensional, am häufigsten dreidimensional erfolgt. Sie beeinflußt in maßgebender Weise die Gestalt (nadlig, blättrig, isometrisch), sowie eine Reihe physikalischer Eigenschaften. Die im Kristallbau resultierende Teilchenanordnung strebt nach einem minimalen Energiegehalt und nach einem in sich ladungskompensierten Gebilde, dessen alleräußerste Teilchen freilich nie völlig abgesättigt sein können. Die Ladungskompensation bestimmt sowohl das Koordinationsschema als auch den weiteren Bauverband. Die moderne Gesteinskunde, die es mit dem Werden und Vergehen der Mineralien zu tun hat, kann diesen Vorgängen nur dann mit Verständnis gegenüberstehen, wenn die Gesetze vom Kristallgitterbau bekannt sind. Einige Grundtatsachen sollen nachstehend aufgeführt werden. Das Koordinations-Prinzip gestattet den Ersatz von Zentral- und umgebenden Atomen, wobei lediglich übereinstimmende Raumbeanspruchimg (Ionenradien) eine Rolle spielt. Dies gilt für alle jene Fälle, iri welchen zwischen den Partnern keine deformierenden Effekte, Polarisationswirkungen, bestehen.

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I. Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

Reiner Edelgasbautypus verhält sich polarisationsfrei, davon abweichender Atombau neigt zu Deformierung. Nachfolgende Elemente mit zugehöriger KZ und beigefügter auf KZ = 6 umgerechneter Ionenradiengröße ersetzen einander (siehe auch Tabelle 1): 1. K. Z. 4: Si 0,39, Be 0,34, Ge 0,44, AI 0,57, P + 5 0,3 bis 0,4 As+ 5 0,4. 2. K. Z. 6: AI 0,57, Fe+ 3 0,67, Ga 0,62, Ti+ 4 0,64, Li 0,78 Mg 0,78, Ni 0,78, Fe+ 2 0,83, Mn 0,70, Co 0,82. 3. K. Z. 8: Na 0,98, Ca 1,06, Y 1,06, K 1,33, Sr 1,27, La 1,22, O - 2 1,32, F - 1 1,33, OH- 1 = 1,33. Die einander ersetzenden Elemente nennt man d i a d o c h. Die Diadochie ist häufig eine gekoppelte, z. B.: CaAl — NaSi. Das heißt, wird in der tetraedrischen 4-Koordination das zentrale Si durch ein AI ersetzt, so muß außerhalb des Si-O-Tetraeders ein Na durch ein Ca ersetzt werden, damit Valenzkompensation eintritt. Trotz gleicher Ionenradien ersetzen F bzw. O den Dipolbausteiri OH nicht ohne weiteres, denn OH strebt Polarisation und Schichtgitteranordnung an. Die Ersetzbarkeit begünstigt die Bildung des i s o m o r p h e n M i s c h k r i s t a l l s (vgl. S. 37), der in der natürlichen Mineralwelt eine dominierende Rolle spielt; wodurch den Bezeichnungen wie Augit, Hornblende, Glimmer, Feldspat eher die Bedeutung einer Konstitution 1 als die einer bestimmten chemischen Zusammensetzung zukommt. Die chemische Variabilität der angeführten Mineralien kann wegen der Isomorphie recht erheblich werden. Nur wenige Mineralien weisen eine gewisse Konstanz ihres Chemismus auf, wie z. B. Quarz, der allerdings auch wieder Wechsel, die bis mehrere Einheiten in der 2. Dezimale ausmachen können, aufweist.

B. Kristallchemische Grundlagen

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Die wechselnde Zusammensetzung eines Minerals verändert dessen physikalische Eigenschaften, so daß die kristalloptischen Feststellungen mit dem Polarisationsmikroskop Aussagen über den Chemismus ermöglichen. Mit der Erscheinung des Mischkristalls ist aufs engste diejenige der E n t m i s c h u n g verknüpft, die in petrographisch-lagerstättenkundlicher, sowie auch in praktisch-technischer Hinsicht große Bedeutung erlangt. Die im Mischkristall homogen gelösten Komponenten des Systems können je nach TP-Bedingungen als selbständige Mineralindividuen sich ausscheiden. J e nach den herrschenden Umständen geschieht dies in allen Größenordnungen und Dispersitätsgraden (emulsionshafte Aussonderung bis individualisierte Kriställchen), wobei die ausgesonderte Substanz nicht selten eine geometrische Orientierung zum Wirtskristall annimmt. (Bd. II, Abb. 15, Abb. 20.) Die Ersetzbarkeit analoger Gitterpositionen vollzieht sich geordnet (Übergitter) oder statistisch verteilt. Der erste Fall begünstigt das Anstreben stöchiometrischer Zusammensetzung, die im allgemeinen keineswegs zutrifft. Variable Zusammensetzung wird jedoch auch erzielt durch Eintreten von Atomen zwischen die normal periodisch sich wiederholenden Positionen oder durch Ausfall von Gitterpunkten einer Atomart. Damit sind schon Abweichungen vom idealen Gitterbau aufgezeichnet. Andrerseits können zusätzliche Bausteine in größere Lücken eingefügt werden, die durch den normalen und ideal gestalteten Bauverband zustande kommen. Je nachdem Atome oder Radikale Positionen besetzen, die zum architektonischen Aufbaugerüst des Kristalls gehören oder nur hohlraumfüllend auftreten, resultiert Zusammenbruch des Gerüstes und Neuanlage mit veränderter Ordnung; im letztern Falle ist Ein- und Auswandern und Austauschfähig-

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I- Geochemischer u. kristallchemischer Überblick

keit ohne Gitterveränderung möglich. Der Kristallbau weist also ein Doppelgesicht auf: Einmal die starre geometrische Periodizität (Idealgitter) und dann die Fehlerhaftigkeit des Idealgitters, das Realgitter mit den daraus resultierenden Eigenschaften. Im Kristall mit seiner ideal gebauten Gitteranordnung und mit seinem Fehlerbau liegt unter allen Umständen ein sehr anpassungsfähiges System vor, in dem sich seine Teilchen den' jeweils herrschenden Bedingungen und Zuständen fügen, wodurch Verhältnisse repräsentiert werden, die uns aus der organischen Welt durchaus geläufig sind. Setzt ein chemischer Auflösungsprozeß ein, so wird der Abbau dirigiert nach den energetischen Verhältnissen, mit welchen die Einzelbausteine am Gitter sitzen, gemäß dem den Kristall beherrschenden idealen Aufbauplan, modifiziert jedoch durch die Abweichungen, welche durch die Gitterbaufehler entstehen. In ähnlicher Weise wird auch die theoretische mechanische Festigkeit eines Kristalls beeinflußt und herabgesetzt, desgleichen seine Verformung. Diese liefert ein' vorzügliches Beispiel von der hohen Bedeutung des gittermäßigen Aufbaus f ü r die Natur des Festkörpers, bildet doch gerade der Gitterbau den Transformator f ü r die plastische Verformung, denen die Mineralien während gebirgsbildender Prozesse unterworfen sind, und die sich als Translationsgleitung oder Zwillirigsumstellung äußert. Das am Phänokristall schon längst bekannte Gesetz der rationalen Indizes (es treten n u r Flächen auf, welche auf denselben Achsen rationale Parameter bilden) setzt sich hier durch, in dem die Gleitung und Translation nur an rationalen Gitterebenen stattfindet. Dasselbe gilt f ü r das Auftreten von Spaltebenen', die f ü r die Auflockerung der Mineralien durch Druck und Zug während gebirgsbildender Prozesse in Betracht kommen.

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

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n . PHYSIKO-CHEMISCHE GRUNDLAGEN DER MINERALBILDUNG

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre 1. Allgemeine Betrachtungen zum Übergang Lösung — Kristall Die große Vielfalt an Mineralien und Gesteinen, welche unsere Erdkruste aufweist, stellt nichts anderes als eine feinst aufgegliederte Stoffdifferentiation' dar, die durch die verschiedenen, oft ineinander greifenden Bedingungsänderungen hervorgerufen wird. Bei hoher Temperatur hätten wir eine einzige homogene flüssige Schmelze, bei höchster wohl sogar ein Gas. Die Verschiedenheit der einzelnen Elemente im chemo-physikalischen Verhalten erleichtert die Aufspaltung des ursprünglich homogenen Gemisches um so eher. Kristallisation, Sublimation, Entmischung im festen oder flüssigen Zustand, Verdampfung sind stets Vorgänge, die aus homogenen Systemen heterogene mit Stoffsonderung schaffen'. Wir müssen überprüfen, ob die aus Laboratoriumsarbeiten ermittelten Prinzipien der Reaktionsabläufe auch für die in der Natur vor sich gehenden Prozesse Gültigkeit haben; damit gewinnen wir Einblicke in die Bildungsprozesse, die ihrerseits auch wieder zur wissenschaftlichen und praktisch-ökonomischen Beurteilung einer Lagerstätte herangezogen werden können. Doch wohl schon ehe eine Kristallisation aus einer Schmelze oder Lösung sich einstellt, bestimmen interne Gleichgewichtsverschiebungen den Auf- oder Abbau bestimmter Atomvergesellschaftungen in der noch homogenen Phase. Da wir es allermeist mit Kristallverbindungen zu tun haben, die sich ja erst mit der Kristallbildung fertig ausbauen, handelt es sich dabei weniger um endgültig gebildete Moleküle,

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II. Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg.

sondern um deren molekülartige Vorstufen oder Grundbauelemente. Verschiedene Druck(P)-Temperatur(T)- oder Konzentrations(X)-Verhältnisse, unter denen das homogene System jeweils steht, führen zu verschiedenen Konfigurationen solcher zunächst noch wenig stabiler und leicht beeinflußbarer Grundbauelemente. Insbesondere ist es das Massenw i r k u n g s g e s e t z (Guldberg und Waage), nach welchem bei Gleichgewicht zwischen den untereinander in Reaktion verbundenen Molekelarten bei gegebenem P und gegebener T ein bestimmtes Konzentrationsverhältnis sich einstellt. Bei komplexeren Systemen wird man gerade in der Bildung verschiedenartiger Molekelkonfigurationen die Ursache für die H e t e r o m o r p h i e der Eruptivgesteine erblicken, welche ja dadurch gekennzeichnet ist, daß bei übereinstimmendem Pauschalchemismus die Mineralbestände verschieden sind, was gleichbedeutend ist mit dem Auftreten verschiedener Gesteinstypen. Der Übergang vom Lösungs- in den Kristallzustand ist also weitgehend konfigurativ vorgebildet, er wird es um so mehr sein, je konzentrierter die Lösung ist. Bei wäßrigen Systemen der obersten Erdoberfläche bildet die phasentheoretisch schwierig zu behandelnde k o l l o i d a l e L ö s u n g oder das Hydrosol eine Rolle. Sie ist als feinste Zerteilung von Aggregaten kleinster Kristallkeime (Dispersum) in Wasser (Dispergens) anzusehen und deutet darauf hin, daß bei seiner Entstehung einerseits eine hohe Zahl von Kristallisationszentren vorlag, die sich andererseits nicht zu Makrokristallen auswachsen konnten. Solche Hydrosole sind schwer, erst bei hohen Elektrolytkonzentrationen (hydrophil) ausfällbar oder leicht bei niedrigen (hydrophob). Die relativ große Oberfläche der Teilchen und deren Struktur befähigt sie zur Ausbildung von Adsorptionshüllen; meistens besitzen sie elektrische Ladungen, was bei Gleichsinnigkeit

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

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größere Dispersion oder Peptisier u n g , bei entgegengesetzter Ladung K o a g u l a t i o n , A u s f l o c k u n g oder P e k t i s a t i o n zur Folge hat, wie dies auch im Gel oder in der Gallerte zum Ausdruck kommt. Systeme ganz entgegengesetzter Natur sind wasserarme oder gänzlich wasserfreie Schmelzen, insbesondere solche silikatischer Zusammensetzung. F ü r diese sind hohe innere Reibung (Viskosität) charakteristisch, die aber auch wieder verschiedene Ausmaße annehmen kann, je nach den jeweiligen molekelhaften Konstitutionen. In der Mitte zwischen beiden Gruppen (Magmaschmelze und kolloidale Oberflächenlösung) stehen die normalen Lösungen mit rein ionogenem Charakter, f ü r welche die Gleichgewichtseinstellungen nach dem Massenwirkungsgesetz erfolgen. Betrachtet man die Reaktion BaS0 4 + NaoCOs ^ BaCOa + Na,SOj, so gilt: Konz. BaSOi Konz. Na 2 CQ 3 _ ^ Konz. BaCOs • Konz. Na 2 S0 4 = Eine NaoCCVKonzentrationserhöhung hat eine Erniedrigung der BaSC>4-Konzentration zur Folge, es bildet sich BaCOs auf Kosten von BaSOi. Ein Kristallisieren von BaCOs erfolgt erst, wenn von diesem Reaktionsprodukt mehr produziert wird, als der Sättigungskonzentration entspricht. Das Löslichkeits- oder Ionenprodukt einer Verbindung stellt eine Konstante dar f ü r diejenige Konzentration, bei welcher sie als Bodenkörper vorhanden ist. Mit wechselnden Wasserstoff ionenkonzentrationen nimmt diese Konstante andere Werte an. (Wasserstoffionenkonzentration auch ausgedrückt in pn = negativer Exponent); neutral = 7, sauer (hohe EiKonzentration) hat niedrige Werte (0—7); alkalische (niedrige H-Konzentration) entspricht hohen Werten (7—14).

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II. Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg. 2. Einstoffsysteme

Das Vorhandensein oder Fehlen eines Stoffes oder auch die Art seines Zustandes rufen nach deren Ursache. Schon in einem Einstoffsystem, lassen sich verschiedene Zustände ein und derselben chemischen Zusammensetzung feststellen, von welchen am meisten die Veränderung von fest (Kristall) zu flüssig (Schmelze) oder auch die Umwandlung zwischen 2 verschiedenen festen Formen interessieren. In einem Druck(P)-Temperatur (T)-Diagramm lassen sich die Existenzfelder der Zustände (Phasen) und deren zu verschiedenen P - und T-Gradienten gehörigen Koexistenzen ablesen, die durch monovariante Umwandlungskurven oder nonvariante Punkte dargestellt werden. Die Kurven sind gleichzeitig DampfdruckT kurven; diejenige Zustandsform Abb. 4. PT-Ztistandsist die stabilere, welche niedri-

diaqramm des Schwefels.

_

.

,

geren Dampfdruck hat. Im Falle des unären Systems Schwefel (Abb. 4) bedeuten: AB Umwandlungskurve orhomb. Schwefel-Dampf BC „ monokl. S - Dampf BF „ orhomb. S - monokl. S CF „ monokl. S - Schmelze CK „ Schmelze-Dampf FG „ orhomb. S - Schmelze B, C, F sind nonvariante Tripelpunkte, mit 3 koexistenten Phasen. E = Umwandlungspunkt orhomb. monokl. Schwefel bei 1 Atm und 95° C. Der Schmelzpunkt des orhomb. Schwefels läßt sich also nur bei hohen Drucken (1320 Atm) erreichen, darunter wird stets bei steigender Temperatur

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

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orhomb. Schwefel in monoklinen und umgekehrt sich umwandeln, was einer E n a n t i o t r o p i e oder einem reversibel verlaufenden Prozeß entspricht. Die beiden festen Zustandsformen heißen1 M o d i f i kationen.

Die Phasenregel von W. G I B B S , wonach Phasen + Freiheiten => Komponenten + 2, ist im oben skizzierten System bestätigt (Vergleiche z. B. die invarianten Punkte mit 3-Phasenkoexistenz, für welche 3 + 0 = 1 + 2 wird). Sie wird in Mehrstoffsystemen noch viel bedeutungsvoller und gibt Anhaltspunkte über den zu erwartenden Reaktionsverlauf. Sehr viele mineralische Stoffe weisen, wie der Schwefel, verschiedene feste Zustände auf. Diese können aber auch im Verhältnis der M o n o t r o p i e zueinander stehen, bei welchem der Schmelzpunkt der Tieftemperaturmodifikation unter dem Umwandlungspunkt der festen Phasen liegt. Sehr häufig liegt auch nur Pseudomonotropie vor und erscheinen die verschiedenen Phasen als gleich beständig nebeneinander, obwohl theoretisch Gleichgewicht nur dann besteht, wenn eine einzige Modifikation zugegen ist. Die verschiedenen Modifikationen werden mit a-, ß-, y- usw. voneinander unterschieden, wobei die a-Modifikation die bei höchster Temp. bestandfähige ist. Die Verbindung SiO a besitzt 6 feste, TiO ä und CaCO, j e 3. Statt a-, ß- usw. Unterscheidungen sind auch besondere Mineralnamen eingeführt: T i 0 2 : Rutil, Anatas, Brookit.

Das Auftreten verschiedener Modifikationen ein und derselben chemischen Substanz ist gleichbedeutend mit dem Auftreten verschiedener Mineralien, die sich voneinander durch abweichende Gitteranordnung, andere Energieverhältnisse und abweichende physiko-chemische Eigenschaften unterscheiden. Die übereinstimmende chemische Natur verleiht ihnen' aber doch oft gitterbauliche Gemeinsamkeiten, die sich bald nur in geringen, bald in größern Abweichungen voneinander unterscheiden. Das Umklappen der einen in die andere Form und umgekehrt dürfte im ersten Falle leichter vor sich gehen, als im zweiten (geringer Umordnungseffekt). 3

Hnttenlodier, Mineral- u. Enlncter I

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100

A

II. Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg. 3. Mehrstoffsysteme a) Reaktionen nach dem Eutekttyp Das Temp.(T)-Konzentrat. (X)-Diagramm eines 2-Kom'' ponenten (A-B)-Systems nach dem Eutekttyp (Abb. 5 u. flüssig 5 a) läßt folgende Reaktionsverläufe als Gleichgewichtseinstellungen überblicken: Oberhalb der Kurve A'E °*B' herrscht homogene Flüssigkeit; die Kurve A'E ist Ausscheidungskurve, Kristallisationsbahn, von reinem A. Abb. 5 Binäres Eutekt B'E, die entsprechende f ü r TX-Diagramm.

4oSo

Cu 2 + 6-Cua0 Abb. 5 a. Eutektsystem Cu-CusO mikroskopische Gefügebilder eutektisdie (1), Ca-reidie (2) und CusO-reidie (3) Kristallate. Schwarz = CusO.

tür

reines B, d. h. die Ausscheidungstemperaturen der Einzelkomponenten erniedrigen sich mit zunehmender Mischung der Ausgangslösung; A', bzw. B' sind die Ausscheidungstemperaturen aus ungemischten Schmelzen. Das Feld A'CE beherbergt reines festes A und Lösung,

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

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das Feld B'DE beherbergt reines festes B und Lösung, unterhalb C—D ist alles fest. Aus der Lösung X (60 °/o A u. 40 °/o B) kann auf zweierlei Weise Kristallisation erfolgen: 1. I s o t h e r m (gleichbleibende Temp.) durch Konzentrationsverschiebung (Verdunsten von' A aus dem Lösungsgemisch so lange, bis das Gemisch die Zusammensetzung Xi (80 °/o B, 20 °/o A) erreicht hat. Dann scheidet sich bei Auftreffen auf der Kurve B'E Komponente B aus. Bei andauernd gleichbleibender Temperatur und weiterer Verdunstung von A scheidet sich bis zum völligen Verbrauch der Lösung weiter B aus (Auftreffen auf B'D). Analog ist der Vorgang mit Lösung y und Ausscheidung von A. 2. I s o b a r mit fallender Temperatur: Aus Lösung X scheidet sich erst nach Durchschreiten des bei t' erreichten Temperaturgefälles die feste Komponente B aus (X'). Im Laufe des Kristallisationsintervalles t'-tE scheidet sich weiter B aus; die Lösung verändert sich unter Anreicherung an A entlang der Kristallisationsbahn von X ' bis E. Bei E (Eutekt) kristallisiert die Restlösung vollends eutektisch aus unter gleichzeitiger Ausscheidung von A und B. Daraus ergeben sich folgende wichtige Tatsachen: 1. Das Erstausgeschiedene hat andere Zusammensetzung als die Ausgangslösung, woraus sich, wenn die Kristallisation bis zur Erschöpfung der Lösung zu Ende geht, eine K r i s t a l l i s a t i o n s f o l g e entwickelt. 2. Die Kristallisationsfolge ist verschieden, je nachdem die Ausgangslösung ihren darstellenden Punkt rechts oder links von E hat. 3. Nur Ausgarigskonzentrationen von der Zusammensetzung E scheiden von Anfang an Kristallate derselben Zusammensetzung aus. 3*

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II. Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg.

4. E ist d e r tiefste T e m p e r a t u r p u n k t , bei welchem noch Flüssigkeit a u f t r i t t und ist auch E n d p u n k t der Kristallisation. Ein 3 - Komponentensystem erfordert eigentlich schon eine räumliche Darstellung, wenn nicht die Höhen der T e m p e r a t u r e n auf die Konzentrationsebene projeziert werden (Abb. 6). Die Ausgangslösung X, deren Konzentrationspunkt T E im Felde A E A B E A C E A B C liegt, läßt bei der Temperat u r tA reines A ausfallen; diese Ausscheidung setzt sich unter gleichzeitiger Veränd e r u n g der Restlösung entlang d e r K r i s t a l l i s a t i o n s b a h n (Verbindende von TA mit Projektionspunkt von X auf der Ausscheidungsfläche B AEABEAC) fort; t r i f f t die Kristallisationsbahn die Eutektlinie zwischen A und B im P u n k t e D, so scheidet sich neben A noch B aus, bis die Kristallisationsbahn auf der Eutektlinie im t e r n ä r e n Eut e k t p u n k t E A B C angelangt ist, wo noch C mit ausfällt. Somit lautet die Kristallisationsfolge f ü r Ausgangslösung X A—B—C. Man sucht nach Möglichkeit komplexe Systeme auf t e r n ä r e zu vereinfachen, u m die P r i n zipien der Reaktioinsverläufe Abb. 6. Ternäres Eutekt TX- polynärer Systeme mit geDiagramm, oben 3-dimenstopai n ü g e n d e r Klarheit übermit

Isothermensdinltten,

Projektion

in

unten

die Ebene.

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blicken ZU können.

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

37

b) Ausscheidung nach dem Mischkristallsystem Einen weiteren in der Natur ungemein verbreiteten Reaktionstyp stellt die Ausscheidung des M i s c h k r i s t a l l s dar (Abb. 7). Die Wesensart sei am System Albit (Ab) — Anorthit (An) (Plagioklas) abgeleitet: Oberhalb der Linie ACFHB (Liquiduskurve) besteht homogene Schmelze. Im Felde zwischen ACFHB und ADEGB sind fest und flüssig koexistent, unterhalb ADEGB (Soliduskurve) ist n u r mehr kristalline Phase möglich. Eine Schmelze von der Zusammensetzung X ( 6 0 A n , 40 °/o Ab) läßt bei 1480 einen Mischkristall (D) Abb. 7. B i n ä r « System Anorausfallen, der aber wesentthit - Albit. (PiagloUas) TXlich Anreicher (85 V« An) Diagräfnm mit kontinuierlicher Mischbarkeit. ist. Im Laufe weiteren Temperaturgefälles verändert sich die Restschmelze entlang der Liquidus — und gleichzeitig der ausgeschiedene Kristall entlang der Soliduskurve — so daß zwischen beiden eine kontinuierliche Reaktion, die die Einstellung des Gleichgewichts anstrebt, besteht. Hat die Gleichgewichtseinstellung bis zu einem An-Gehalt von' 70 °/o im Kristall (E) geführt, so hat die koexistente Flüssigkeit (horizontale Linie) den hohen Gehalt von annähernd 70 % Ab (F) erreicht. Die restierende Flüssigkeit hat also höhere Albit und damit auch höhere Alkali- und Kieselsäuregehalte. Bei G hat der Kristall die Zusammensetzung der Ausgarigslösung erreicht, der letzte Schmelzrest liegt bei 8 0 % Ab.

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II- Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg.

In nebenstehender I Abb. 7 a ist ein teilweise b verzwillingter PlagioA klas dargestellt, der sich zu keiner einheitlichen Zusammensetzung zu entwickeln vermochte, sondern dessen Anwachsschalen oszillierende An - Gehalte aufweisen, der Kern J 80%, die äußerste Schale B 0 mm A Die verschiedenen Abb. 7a. Oszillierende An-Gehalte eines Schalen weisen alte schalicj gebauten Plagioklases {nadi Korrosionsränder auf. BARBER). In der Verschiedenheit von ausgeschiedener Kristallphase und restierender Schmelze ist ein wichtiges Moment zur Stoffdifferenzierung zu erblicken. Absaigern der Kristallate oder Abpressen und Abwandern der Restschmelze. Die von ROOZEBOOM durchgearbeiteten Systeme weisen noch Modifikationen auf, die vor allem durch Mischlücken gekennzeichnet sind und wie sie für die Alkalifeidspäte Gültigkeit besitzen. c) Ausscheidung nach dem diskontinuierlichen Reaktionsschema (inkongruenter Schmelzpunkt) Auch diesem Reaktionstyp kommt minero- und petrogenetisch eine hohe Bedeutung zu. Er sei am System Leuzit-SiOo (Abb. 8) erläutert. Bei A liegt die Schmelztemperatur von Leuzit (1685°). Wird die SchmelzeX abgekühlt, so scheidet sich aus ihr bei 1370° C Leuzit aus; die Leuzitausscheidung setzt sich fort unter Veränderung der Restschmelze bis zum Punkte U (1170° C), wo Umsetzung des Leuzits mit der Restschmelze unter Bildung der neuen festen Phase Orthoklas (C) stattfindet. Schema: [ A] + Lu^-[C].

A. Gleichgewichts- und Phasenlehre

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Es bildet sich eine neue feste Phase durch Resorption einer f r ü h e r gebildeten. U braucht nicht unüberschreitbaren Endpunkt darzustellen, wie es der E u t e k t p u n k t stets tut, sondern er gilt als peritektischer Haltepunkt, der bei Vorhandensein / Crist. Schmelze / von Restlösung ü b e r leuzit + \ schritten werden kann, Schmelze so daß die Reaktion \ / Tridymit * bis zum E u t e k t p u n k t zu \ / Schmelze Ende läuft. Aus AusM Ii / gangskonzentrationen, Leuzit+ Schm+OrmV/ zwischen C und U lieOrth. Orthoklas + Tridymit gend, würde nachsteC KAISijCt KAISijOa 42,z 5i • eutektische Endkristallisation von Orthoklas + Si02. Minero-petrogenetisch ist alsobedeutsam, daß imEndkristallat feste Phasen nicht m e h r anzutreffen sind, die sich in f r ü h e r e n Stadien des völlig normal ablaufenden Prozesses gebildet hatten. Bei völliger Einstellung der Gleichgewichte ist das Zusammen-Auftreten' von Leuzit u n d Quarz unmöglich. Wiederum können nach diesem Reaktionsschema vor sich gehende Entwicklungen zu beträchtlichen Stoffsonderungen f ü h r e n , wobei stets wesentlich f ü r die Zusammensetzung der Restschmelze in Betracht kommt, ob mit dem f r ü h e r ausgeschiedenen Leuzit ein' Ausgleich stattfinden k a n n oder nicht. (Gravitatives Aussaigern oder Umpanzerung durch Pyroxen.) Dieser Redaktionstyp ist auch m i t dem Namen „inkongruenter Schmelzpunkt" bekannt, da oberhalb 1100° C Orthoklas in Schmelze und Leuzit zu zerfallen beginnt.

40

II. Physiko-chem. Grundlagend. Mineralbildg.

B. Zielstrebigkeit im Ablaufe mineral- und gesteinsbildender Prozesse: Mineralassoziationen und Gesteine als Phasengemeinschaften Die während ablaufender Reaktion sich vollziehenden Gleichgewichtseinstellungen weisen stets eine konsequente Zielstrebigkeit auf, wovon man sich leicht durch das Studium der Diagramme überzeugen kann. Auch wenn durch die Komplexheit der in der freien Natur vor sich gehenden Prozesse diese Zielstrebigkeit nicht immer ohne weiteres zu erkennen ist, so besteht sie doch. Sie unter Berücksichtigung der den Einzel lall charakterisierenden Gesamterscheinungen zu bestätigen suchen, ist für den Petrologen eine ebenso notwendige wie auch anregende Aufgabe. Das ternäre System Forsterit (Fo), Mg2SiOi, (2MgO • Si02), Cristobalit SiO» und Anorthit (An), CaAl2Si208, (CaO • Al2Os • 2SiO) (Abb. 9) in roher Annäherung in einer basaltischen Schmelze verwirklicht, läßt folgende Entwicklung ableiten: Die Verbindung MgSiOä (Klinoenstatit) zeigt analog wie Orthoklas (S. 39) inkongr. Schmelzpunkt (1557 °); ihr Darstellungspunkt liegt, wie im Falle Orthoklas, wieder außerhalb des Existenzfeldes ABDE. Existenzfeld Si0 2 ist 2-geteilt in HochtemCaAl2âÎ20g peratur (Cristobalit) MgtSIQ, und Tieftemperatur Abb. 9. TernSres System Forsterit(Tridymit). Anorthit-SiOi nach ANDERSEN.

B. Zielstrebigkeit; Phasengemeinschaften

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Eine Schmelze X (60% Fo, 20°/o SiOa und 20°/« An) hat ihren Darstellungspunkt im Fo-Feld. Aus ihr scheidet sich bei 1500 0 Forsterit aus, dies so lange, bis in F (1640 °) die Resorption von Forsterit und die Umbildung zu Klinoenstatit einsetzt. Bleibt die Restschmelze in Koexistenz mit dem in Resorption begriffenen Forsterit, so ändert sich die Restlösung entlang FD bis D — weil die Ausgangszusammensetzung auf der verbindenden MgSiOs — Anorthit liegt — wobei Forsterit und Schmelze aufgebraucht werden und ein eutektisches Endkristallat von Klinoenstatit und Anorthit entsteht. Hat sich der früh ausgeschiedene Forsterit gravitativ aus dem System ausgesondert, oder wurde die Schmelze von ihm abgepreßt, so entfernt sich ihre Kristallisationsbahn von der Peritektikalen FD und verläuft ins Klinoenstatitfeld, von wo sie auf die Eutektlinie DE stößt um im Punkte E 1222 ° mit der Kristallisation von Klinoenstatit, An und Si0 2 zu enden. In Analogie zu diesem Beispiel ließen sich noch zahlreiche andere Systeme mit stets erkennbarer Zielstrebigkeit anführen. Die Erstarrung silikatischer Magmen führt demnach stets zu einer Anreicherung der Kieselsäure und der Alkalien in der Restlösung bei gleichzeitiger Verarmung an Magnesium. Das ist ein allgemein gültiges Gesetz, das zu bestimmten Mineralassoziationen führt. Die in einer Frühkristallisation vereinigte mineralische Phasengemeinschaft bedingt demnach eine andere Gesteinsart als dies in einer Spätkristallisation der Fall ist. Dies bedeutet D i f f e r e n t i a t o n . Bei Einstellung völligen Gleichgewichts wird in einer Mineralvergesellschaftung das Zusammenauftreten gewisser Phasen unmöglich, sie müssen sich zu neuen Kombinationen umlagern. So wird freies Si0 2 neben Forsterit unmöglich, es entsteht Enstatit (Pyroxen): SiO* + Mg2SiOä i 2MgSi0 3

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II- Physiko-chem. Grundlagen d. Mineralbildg.

Die beträchtlichen chemischen Verschiebungen während des Kristallisationsverlaufes werden durch folgende auf diesen Fall bezügliche Daten belegt. (Abb. 9.)

Molekulare Zusammensetzung der Ausgangsschmelze X Restschmelze in D Restschmelze E

Si02

CaO

AI2O3

MgO

100 119 173

8,3 26 30,5

8,3 26 30,5

83,3 48 39

Selbstverständlich haben diese Gesetze auch für wäßrige Lösungen Gültigkeit, in welchen sich die Sättigungen für die Einzelkomponenten wesentlich verschieben, je nachdem in der Lösung gleich- oder ungleichionige Salze vorliegen. Ungleichionige bedingen Erhöhung, gleichionige, wie nebenstehendes Diagramm (Abb. 10) zeigt, Erniedrigungen; Temperatursteigerung verschiebt abermals die AusAbb. 10. NaCl-KCl-Diagramm. scheidungsverhältnisse RP = Sättigungskurve für NaCl, SP = Sättigungskurve für KCl, beider Komponenten in Sättigungsverhältnis sich veränungleicher Weise. dernd mit Temp. In den salinaren Gesteinen liegen ebenfalls Kombinationen von Mineralphasen vor, ausgeschieden aus einem Lösungsgemisch, das sich mit der Zeit im Großen kontinuierlich, im Kleinen in Unterabschnitten sich wiederholend, in seinen Zustandsbedingungen (Konzentration) veränderte, was zu einer gesetzmäßig entwickelten Gesteins Stoffdifferentiation führt.

A. Der magmatische Ablauf

43

III. DER INNERE STOFFKREISLAUF Das Geschehen auf der Erde spielt sich in 2 Großzyklen ab, im e n d o g e n e n , innern und im e x o g e n e n äußern. Der erstgenannte vollzieht sich ohne Mitwirkung von Hydrosphäre, Atmosphäre und Biosphäre, der zweitgenannte, den s e d i m e n t ä r e n ausmachend, unter wesentlicher Beteiligung derselben. Die endogenen Vorgänge gruppieren sich in die m a g m a t i s c h e n , die zu ihrer Entwicklung eine magmatische Schmelze zur Voraussetzung haben, und in die m e t a m o r p h e n , während welcher nie ein magmatischer Schmelzzustand erreicht wird. In' beiden Zyklen vollziehen sich bedeutsame Elementenfixierungen und Verschiebungen. Die geschichtliche Entwicklung der „Erdkruste" stellt eine vielfach sich ablösende Aufeinanderfolge und periodische Verflechtung beider Großzyklen dar und hat mit der Erstarrung einer aus gasförmigem Zustand kondensierten Urschmelze nichts zu tun.

A. Der magmatische Ablauf 1. Allgemeiner Entwicklungsverlauf unter plutonischen und vulkanischen Verhältnissen Die natürliche magmatische Schmelze stellt nicht n u r ein bei hoher T e m p e r a t u r mehr oder weniger flüssiges Gemenge von Metalloxyden in silikatischer oder alumosilikatischer Bindung, wie sie in den Laboratoriumsversuchen vorliegt, dar, sondern repräsentiert ein komplexes System, in welchem schwer- und leichtflüchtige Komponenten' sich gegenseitig in Lösung halten. Solches ist aber n u r möglich, wenn das System in gewisser Erdtiefe, also u n t e r erhöhtem Außendruck sich befindet. Um so verständlicher wird dann auch

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Der innere Stoffkreislauf

das empfindliche Reagieren einer solchen Lösungsphase auf Druckvariation. Wegen der hohen Flüchtigkeitsunterschiede der Komponenten und der deshalb anzuwendenden großen Drucke sind silikatmagmatische Systeme, wie sie in der Natur vorkommen, direkt den Experimenten nur schwer zugänglich. Diese bleiben auf „trockene" Systeme beschränkt. Wenn doch mit Komponenten beträchtlich verschiedener Flüchtigkeit gearbeitet wird, so geschieht dies in Systemen wesentlich einfacherer Zusammensetzung um wenigstens Vertrautheit mit dem grundsätzlichen Verhalten zu gewinnen.

Höchst bedeutsam erscheint dabei die Tatsache, daß die bei hohem Druck in der Silikatschmelze gelösten flüchtigen Anteile mit Nachlassen des auf dem System lastenden Außendruckes oder bei Steigerung des Innendruckes mit zunehmender Kristallisation des schwerflüchtigen Silikatanteils v e r d a m p f e n können. Nicht das Kristallisieren einer magmatischen Schmelze macht deren Wesen aus, sondern die zwangsläufig damit gekoppelte Verdampfung und Kondensation der aus leichtflüchtigeren und leichtflüchtigsten Anteilen' bestehenden Teillösungen. Dies sind Prozesse, die sich räumlich und zeitlich weit über den Ort und die Zeit der Verfestigung der eigentlichen Schmelzlösung hinaus ausdehnen. Nur dank dieser Entwicklung kommt es zu solchen Konzentrationen kulturell wichtiger Stoffe, deren Abbau sich lohnt. Für die räumliche Gestaltung der Erdkruste und für die Lagerstättenbildung ist das magmatische Geschehen der Tiefe, abyssisch oder hypabyssisch (Plutonismus), ungleich bedeutungsvoller als das an der Oberfläche sich vollziehende (Vulkanismus). Einsehr vereinfachtes binäres System mit A als leicht- und B als schwerflüchtiger Komponente, charakterisiere die beiden Fälle im TX und PT-Diagramm. Schwer-

A. Der magmatische Ablauf

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flüchtig sind die silikatischen Komponenten, leichtflüchtig H.O, COo, Verbindungen von Halogenen, von S, B u. a. a) Abyssisch-plutonisch Im TX-Diagr amm l+q+[f] )l (Abb. 11 Kursiv) besteht eine Kurve, Hauptenstarrung entlang welcher Chemismus und Zustandsform sich kontinuierlich ändern. Sie läßt sich aber in 3 Hauptabschnitte Kondensation gliedern: + 'V

[F] L

I. L i q u i d oder orthomagmatisches 3 t a d i u m, in welchem die Hauptmasse der relativ viskosen Silikatschmelze das Verhalten bestimmt (1100—700° C = katathermal), in teilweiser Übereinstimmung mit den Experimenten der trockenen Silikatschmelzen. II. P e g m a t i t i s c h - p n e u m a t o l y t i s c h e s Stadium mit Lösungen größerer Beweglichkeit, die neben vorwiegenden Anteilen der silikatischen Hauptmasse hohe Beträge an leichtflüchtigen Komponenten aufweisen (700—350° C = kata- bis mesothermal). Dieser Lösungscharakter muß sich nach Auskristallisation der schwerflüchtigen Hauptmasse (Stad. I.) und der daraus sich ergebenden Konzentrationsverschiebung nach der leichtflüchtigen Komponente zwangsläufig ergeben. Die frühere pegmatitische Ausbildung erweist sich als charakteristische Restlösung mit engstem chemischen Anklang an die silikatische Haupterstarrung, die spätere pneuma-

B A Abb. 11. Binäres System aus sdiwer- (B) und leichtflüchtigen (A) Komponenten kombiniertem TX- und TP-Diagramm. Ausgezogene Kurven und Schrägschrift für plutonische, gestrichelte Kurve und Steilschrift für vulkanische Verhältnisse.

46

Der innere Stoffkreislauf

tolytische besitzt mit den Halogen- und Wassergehalten in ihren Mineralbeständen oder mit den aus Wechselreaktion flüchtiger Anteile entstandenen oxydischen oder sulfidischen Mineralphasen eine wesentlich abweichendere Natur. Da die kritischen Werte der leichtflüchtigen Anteile z. T. tief unter der Schmelztemperatur der schwerflüchtigen liegen, resultieren fluide Gemische im überkritischen Zustande von hohem Innendruck und großer chemischer und physikalischer Reaktionsfähigkeit. III. H y d r o t h e r m a l e s S t a d i u m kennzeichnet sich durch das Auftreten wäßriger Lösungen, die vor allem aus den leichtflüchtigen Anteilen bestehen. Sie haben sich nach Kondensation der in Dampf- und Gasform vorhandenen Gemische des vorigen Stadiums, die sich mittlerweile in ihrer Zusammensetzung noch weiter nach links verschoben haben, entwickelt (350—100° C). Sie führen große Mengen karbonatischer, sulfatischer und sulfidischer Zusammensetzung. I entspricht magmatischen, II und III postmagmatischen Lösungen. b) Vulkanisch Dieses, direkter Beobachtung zugänglich, zeigt deutlich auf (Abb. 11 Blockschrift), wie bei zunehmender Erstarrung eines oberflächennahen Magmas der dadurch gesteigerte Gas- und Dampfdruck die geringe Oberflächenbedeckung (Verstopfter Schlot, dünne Vulkanwände) zu zersprengen vermag und wie im Explosionsakt eine Gasphase von extrem leichtflüchtiger Zusammensetzung gleichzeitig mit einem Magma (Lava) von ausschließlich schwerflüchtiger Silikatzusammensetzung gefördert wird. Hier besteht keine Kontinuität, intermediäre Gemische werden nicht gebildet, daher sind pegmatitische Entwicklungen und eine Reihe wichtiger Lagerstätten ujimöglich. Einseitig aus leichtflüchtigen Anteilen bestehende Absätze und solche, die aus Dämpfen und Gasen der zwischen-

A. Der magmatische Ablauf

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eruptiven Ruhestadien stammen, sind häufig. Eine vermittelnde Stellung kommt den s u b v u l k a n i s c h e n Lagerstätten zu, die von einem relativ hoch gelegenen1 Magmaherd abstammen, welche Lage den Lösungen eine reichgliedrige Fraktionierung nicht ermöglicht. (Vergleiche zeitl.-räumliche Elementenabfolge S. 56). 2. Das plutonische Verhalten a) Das liquidmagmatische Stadium a) Die Differentiation der Eruptivgesteine Die Entwicklung eines liquidmagmatischen Systems kommt in der Ausscheidungsfolge der ein Eruptivgestein zusammenfügenden Mineralien in klarster Weise zum Ausdruck und ist schon in den Anfängen des gesteinsmikroskopischen Studiums richtig erkannt worden. (Siehe theoret. Ableitung der Kristallisationsfolge im vorigen' Abschnitt). Sie spiegelt sich aber ebenso klar in den zu einem groß angelegten Intrusionsakt gehörenden chemisch und mineralisch verschieden zusammengesetzten Eruptivgesteinen wieder. Die älteren, f r ü h ausgeschiedenen, sind basisch (kieselsäurearm), die jüngsten sauer (kieselsäurereich), beide sind durch eine K r i s t a l l i s a t i o n s d i f f e r e n t i a t i o n miteinander verbunden, welche als das Grundprinzip des Differentiationsvorganges angesehen werden muß; dabei kommt den verschiedenen Kristallphasen, die basischen absinkend, die sauren aufsteigend, die Bedeutung von' Vehikeln f ü r den Stofftransport zu. Entmischung silikatischer Magmen kommt wohl f ü r die Differentiation kaum in Frage. Freilich bestehen mannigfache Einflüsse von. außen (Verhalten gegenüber Nebengestein, Resorption, Assimilation, Abkühlungs- und Kristallisationsgeschwindigkeit, P und T), welche die normale Entwicklung modifizieren.

III. Der innere Stoffkreislauf

48

D i e Differentiation w i r d BOWENsche Reaktionsserie, Schema dargestellt ist. /

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beherrscht durch die die in nachstehendem JWJ

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Links die basischen, dunklen (Olivin bis Biotit), rechts die sauren, hellen Gemengteile, die voneinander abweichenden Reaktionsmechanismus aufweisen. Die vertikale Anordnung läßt gleichzeitig auch die gravitative Sonderungstendenz erkennen. Die Mischung saure - basische Gemengteile in den betreffenden Horizontalen ist für die in der Mitte aufgeführten Eruptivgesteine die ungefähr charakteristische. ( T i e f e n g e s t e i n e unterstrichen, E r g u ß g e s t e i n e nicht unterstrichen.) In Kreisen stehen die für die betreffenden Mineralien gültigen S i : O - Verhältniszahlen; sie verändern sich von basisch nach sauer von 1 : 4 zu 1 : 2, d. h. mit der größten Verkoppelung der Si0 4 -Tetraeder wird jedes O Brückensauerstoffatom. Aus diesem Schema ist die mit der Differentiation sich vollziehende Elementenverschiebung deutlich abzulesen: Frühausscheidung M g und Fe-reich, Si-arm, Endkristallisation Alkalien- und Si-reich. Ca intermediär (siehe auch S. 18/19). D i e verschiedenen Gesteinsarten haben wohl vor der Kristallisation 1 eigene Magmabereiche, innerhalb

A. Der magmatische Ablauf

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welcher sich wieder enger begrenzte Differentiationen entwickeln, z. T. mit recht erheblichen Unterschieden im Alter und im chemisch-mineralischen Charakter. Zu ihrten gehört auch dieG a n g g e f o l g s c h a f t , die saure (Aplit) oder basische (Lamprophyr) Zusammensetzung halsen kann. In der Ganggefolgschaft treten die Gesteine vor allem gangartig, d. h. Klüfte und Spalten füllend, auf. Diese räumlichen, zeitlichen und chemischen Differenzierungen von der orthomagmatischen bis zur letzten post- und endmagmatischen Phase, die zum selben Großakt magmatisch-tektonischen Geschehens gehören, stellen eine m a g m a t i s c h e P r o v i n z dar; sie wird vor allem auch durch gewisse chemische Merkmale den Charakter der gemeinsamen Zusammengehörigkeit aufweisen. Mit magmatischen Provinzen sind auch M e t a l l p r o v i n z e n verknüpft. Nur bei relativ sehr basischen Eruptivgesteinen kommt es im eigentlichen liquidmagmatischen Stadium zu lagerstättenmäßigen1 Stoffkonzentrationen, bei allen andern finden sich solche erst, wenn die Differentiation über das Stadium der Ganggefolgschaft ins pegmatitisch-pn'eumatolytische und bis ins hydrothermale Stadium fortgeschritten ist, wobei gewisse Elemente bestimmte Muttergesteine bevorzugen. ß) Die liquid- oder orthomagmatischen Lagerstätten Basische und ultrabasische Eruptivgesteine enthalten eine Reihe von hoch wertvollen' Stoffen, die bald so diffus ausgeschieden sind, daß das ganze Gestein abgebaut und auf den gesuchten Stoff verarbeitet wird, oder aber diese haben sich an bestimmten Stellen zu eigentlichen Lagerstätten' konzentriert. Es handelt sich vor allem hier um die für die Protokristallisation (S. 18) charakteristischen siderophilen Elemente, C, Ti, Fe, Ni, Cr, Pt, Mo. 4

Ilutlcnlüdier,

Mineral-

u.

Erzlager

I

50

III. Der innere Stoffkreislauf

Kristallisierter Kohlenstoff iri Form von Diamant kommt mehrfach in peridotitisch-pyroxenitischen Gesteinen als f r ü h ausgeschiedener Gemengteil vor; weiter verbreitet sind schlieren- und lagenartige Ausscheidungen von Chromeisen (Abb. 21) und Platinmetallen als gravitative Kristallisationsdifferentiation in ultrabasischen Mg-reichen Magmen. Ähnlich verhält es sich bei Titaneisen und Nickelmagnetkies, die allerdings schon etwas saurere Magmen bevorzugen (Pyroxenite-Norite). Bei den sulfidischen Fe-, Ni-, Co- und Cu-Verbindungen macht sich die Neigung zu „ l i q u i d e r E n t m i s c h u n g " stark geltend, vor allem dann, wenn es sich um trockene Schmelzen' handelt; dann sammeln sich die sulfidischen Massen im Silikatkörper gravitativ zu Schlieren, Horizonten oder Nestern an. Allfällig noch vorhandene Pt-Reste gesellen sich dazu. Nicht selten erlangen solche Fe-Ni-sulfidische oder Fe- und Tioxydische, und auch die chromitischen Anreicherungen eine zeitlich-räumliche Selbständigkeit gegenüber ihrem Muttergestein und verhalten sich diesem gegenüber wie jüngere Generationen oder Nachschübe (Abb. 19 Bd. II). Der s y n g e n e t i s c h e Charakter (Erz gleichzeitig mit einschließendem Nebengestein entstanden), verliert sich dann und macht e p i g e n e t i s c h e m Verhalten Platz (Erz gegenüber Muttergestein später). Die Schwierigkeit der systematischen Einstufung führt zur Aufstellung von Übergangslagerstätten. b) Das pegmatitisch-pneumatolytische

Stadium

a) Die pegmatitische Fazies Eigentlich jedes Magma vermag eine pegmatitische, an leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Restlösung abzuspalten (Nachgeburtphase). Sie reichert sich als Spätphase der Kristallisation des Muttermagmas in diesem selbst schlierenartig an oder

A. Der magmatische Ablauf

51

steigt nach dessen Verfestigung auf Kontraktionsfugen in Form von Gängen auf und kann noch weit ins Nebengestein des Magmaherdes eindringen. Pegmatite der Frühkristallisation zeichnen sich vor allem durch Grobkörnigkeit des mit dem Muttergestein übereinstimmenden Mineralbestandes aus, hier hat also der leichtflüchtige Anteil nur kristallwachstumsfördernd gewirkt (Mineralisatoren) ohne in den Mineralbestand selbst einzugehen. Die Pegmatite der in der Differentiationsentwicklung am Ende stehenden granitisch - syenitischen Magmen weisen aber neben der gesteigerten Kristallgröße zahlreiche Mineralien von besonderer Zusammensetzung (vgl. S. 19, Telekristallisation) auf. Hier treten Mineralisatoren in den Mineralchemismus ein und weiter beteiligen sich am Aufbau der Pegmatitmineralien Elemente, von denen der bisherige Kristallisationsverlauf nichts hat erkennen lassen'; so wird das AI durch Ga, K durch Rb und Cs ersetzt. Es sind vor allem Elemente, die wegen ihrer abweichenden Ionenradien bisher nicht aufgenommen worden sind. Li, Be, B weisen sehr kleine, Rb, Cs, Ba und Sr große Ionenradien auf. Die seltenen Erden sind ausschließlich hier vereinigt, desgleichen Nb, Ta, W, U, Th, Sn; Zr und das mit ihm getarnte Hf erfahren bedeutsame Anreicherungen; desgleichen Mn und P. Einige Pegmatittypen mit den darin angereicherten Elementen: 1. Glimmerpegmatit (H, F, Li), 2. Aluminiumpegmatit (Korund-Andalusit-Dumortieritpegmatit), 3. Niobat-Tantalatpegmatit, 4. Lithiumpegmatite mit Lepidolith, Spodumen oder Amblygonit, 5. Turmalinpegmatit (B, F), 6. Topaspegmatit (F, B), 7. Zinnsteinpegmatit (Sn1, Li), 4"

III. Der innere Stoffkreislauf 8. 9. 10. 11. 12.

Triplitpegmatit (Mn, P), Graphitpegmatit (C), Titaneisenpegmatit (Ti, Fe), Eudialytpegmatit (Zr, Fe, Ca, Ce), Wöhleritpegmatit (Zr, Nb).

¡1) Die pneumatolytische Fazies Hochgespannte, z. T. überkritische Dämpfe mit Dominanz des leichtflüchtigen Anteils spielen hier die Hauptrolle. Neben PneumaWyKsches Hydrothermales Stadium Stadium eher untergeordnet Feldspat * ** gangförmigem AuftreQuarz ten nehmen die hier geTopas bildeten Mineralassoziamm Turmali n Li -Glimmer im tionen unregelmäßig geMagntM; Eisenglanz staltete Körper ein, die MoJybdängldnz — durch Verdrängung = KuAovifj Scrizil" Metasomatose (s. S. 62) Ar Jenkies Pyrit zustande kommen. EntZinnsfein weder stellt die MineWbtframih ralbildung ein Produkt * ged Wismut* —— Scheeiii" gegenseitiger EinwirFlusspal" kung der abgespaltenen Apahf Dämpfe dar oder ein Magnetkies solches, das aus der ReWismufglanz Kylindril; Franüieit aktion der letzteren mit Chlorif dem Nebengestein entZinnkies steht. MartasilKupferkies Zinkblende Eisenspar Bleiglanz ßuntkupferkies fahlerz KalkspatSchwerjpah Zeoltfh»

i

• —

• ——

—

Tab. 2. Altersfolgeu. Paragenesenbei Zinnerzlagerstätten nach CISSARZ

Zinnsteinbildung: SnFi + 2HaO ^ S n 0 2 + 4HF; Zinnstein

Fluoritbildung: CaCOj (Nebengesl.) + 2 H F : CaF 2 (Fluorit)

+ H2CO„.

A. Der mägmatische Ablauf

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Es kommt zu Zinnsteinimprägnationen, Fluoritisierung, Topasierung, Turmalinisierung usw. Die markanteste pneumatolytische Bildung liegt in der Z i n n s t e i n p a r a g e n e s e vor, die in ihrem Ablauf alle Übergänge von pegmatitischer über pneumatolytische Ausbildung bis zu hydrothermalen Absätzen erkennen läßt (Tabelle 2). Als weltweit verbreiteter Typ ist sie ausnahmslos an saure bis extremsaure, also granitische Differentiate, gebunden. Nebenstehende Tabelle orientiert über den Mineralbestand und die Altersfolge des gewöhnlichen Typs. Eine große Zahl wichtiger Lagerstätten ist pneumatolytischer Entstehung, vor allem dann, wenn am Kontakt einer Intrusivmasse mit und nach deren Erstarrung die verdampfenden Restlösungen das Hüllgestein imprägnativ und zersetzend durchströmen (siehe Kontaktmetasomatose). c) Das hydrothermale Stadium a) Erzgänge Eine Großzahl von siderophilen oder chalkophilen schwermetallischen Elementen, so Fe, Co, Ni, Mn, Ag, Au, Cu, Pb, Zn, hält sich in wäßrigen und relativ wenig konzentrierten Derivaten im hydrothermalen Stadium gelöst und wird mit ihnen transportiert. Spalten- und Bruchsysteme und andere nach der Tiefe weisende tektonische Linien begünstigen ihren Aufstieg und den Absatz dieser Metalle, die dadurch um die Wirkung ihrer Schwerkraft betrogen werden (V. M. GOLDSCHMIDT). Der Erzgang ist f ü r die hydrothermal gebildeten Metallkonzentrationen die charakteristische Lagerstättenform. Die Füllung ist aber nicht rein metallisch, sie enthält oft beträchtliche Mengen Nichterze •-= G a n g a r t . Letztere besteht aus Quarz, Ca-, Mg- oder Fe-Karbonat, Baryt oder Fluorit, welche ebenfalls teilweise Objekt bergmännischen Abbaus werden können. Außerdem

III. Der innere Stoffkreislauf

54

treten als Gangfüllung Nebengesteinsstücke und zersetzte, lettige Gangbestandteile auf. Die Vielfalt der Erzgänge erlaubt eine Gliederung in gewisse Typen, die sich, über die ganze Erde verbreitet, unter analogen geologisch - petrographischen Verhältnissen, immer wieder zeigen: Ihra persistenten Paragenesen haben früher die Aufstellung von „Gangformationen" veranlaßt. SCHNEIDERHOEHN gliedert folgende Gruppen: I Au- und Au-Ag-Formationen, II Cu- und Kies-Formationen, III Pb-Ag-Zn-Formationen, IV Co-Ni-Bi-Ag-U-Formationen, V Sn-Ag-Bi-W-Formationen, VI Sb-Hg-As-Se-Formationen, VII Oxydische Fe-Mn-Mg-Formationen, VIII Erzfreie Formationen. Diese Reihenfolge der Formationen (ausgesprochen gilt dies für I—VI) ist gleichzeitig eine solche abnehmender Temperierung.

ß)

Hydrothermale Drusen-Mineralisation und Autometamorphose Aus den mit fortschreitender Kristallisation immer wäßriger werdenden Lösungen vermögen sich in Drusenräumen, die sich besonders nach plötzlichem Entweichen dampfförmiger Phasen im sich eben verfestigenden Gesteinskörper bilden, Ausscheidungen zu entwickeln, die in ihrem Chemismus in engster Beziehung zu den Haupt- und Pegmatit-Kristallaten stehen. Sie weisen meist einen charakteristischen Hydroxylgehalt auf. In Graniten folgen in den Drusen auf Quarz und Feldspat Glimmer, Chlorit, Epidot, Titanit, verschiedene Zeolithe und Calcite. In basischen Gesteinen wiegen Hornblende, Epidot, Sphen, Chlorit vor.

A. Der magmatische Ablauf

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Im Granit kann der ursprüngliche Mineralgehalt auf Spalten, Zonen oder in großen Raumbereichen teilweise oder ganz durch Serizit oder Kaolin, in basischen und ultrabasischen durch Serpentin, Asbest oder Talk ersetzt sein. Die vom eigenen Magma selbst abstammenden Endlösungen wandeln die in früheren Stadien gebildeten wasserfreien Ausscheidungen in wasserhaltige um (Autometamorphose). Folgende Gleichungen können aufgestellt werden: Serizitisierung: 3KAlSi3Os + H20->- KA12 (OH)2Si3AlO10 + K„0 + 6Si0,; Orthoklas

Serizit

Kaolinisierung: 2KAlSi308 + HaO -> AL(0H) 4 Si,0 5 + K 2 0 + 4SiO., Orthoklas

Kaolin

Serpentinisierung: 4Mg2Si04 + 4H,0 ^ Mg,,(OH)eSi4O10 + 2MgO; Forsterit

Serpentin

Vertalkung: 4MgSiO, + CO, + H 2 0 = Mg,(OH)2Si4Oi(l + MgCO.,. Enstatit

Talk.

3. Das vulkanische Verhalten Die beim Ausfließen des hochgelegenen Magmas hervorgerufene Lavenerstarrung erzeugt die E r g u ß g e s t e i n e . Gleichzeitig damit oder unmittelbar anschließend werden die leichtflüchtigen Anteile entbunden und führen zur Bildung der E x h a l a tionslagerstätten. Diese Vorgänge haben entweder nur interimistischen Charakter und beleben die Ruhepausen zwischen den eigentlichen vulkanischen Ausbrüchen; sie können aber auch in sehr bezeichnender Weise die ersterbende Vulkantätigkeit über lange geologische Zeiten hin begleiten. Nach den auf Seite 46 gemachten Ausführungen kann die Bedeutung des vulkanischen Geschehens

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III. Der innere Stoffkreislauf

f ü r die Lagerstättenbildung n u r in den gas- und dampfförmigen Aushauchungen liegen, welche als F u m a r o l e n und S o l f a t a r e n ihre P r o d u k t e an der Erdoberfläche, zwischen den obersten Gesteirislagen oder im Wasser absetzen. Die Endstadien dieser Tätigkeit sind G e y s i r e u n d T h e r m e n . Borsäure, Borate und Schwefel sind wichtige Stoffe, die sich aus den Exhalationen gewinnen lassen. Der biologische Kreislauf des Schwefels, oft in Zusammenhang m i t F e und Si (Radiolarien), schaltet sich ein. Eisenoxydische und F e - sulfidische Absätze können eine Rolle spielen. 4. Zeitlich-räumliche Elementenabfolge und klassifikatorische Lagerstättenbezeichnungen Die eine Intrusivmasse umgürtenden Isobaren und Isothermen haben zur Folge, daß sich f ü r die magmatischen und postmagmatischen Lösungen die Ausfällungsbedingungen zonar um den Herd v e r ä n d e r n und so eine entsprechend differenzierte stoffliche A n o r d n ü n g hervorrufen. Dabei ist zu bedenken, daß räumliche E n t f e r n u n g vom Eruptivkörper (laterale Fazies und p r i m ä r e r Teufenunterschied) ähnliche Bedingungen schafft wie zeitliche vom Intrusionsakt (temporale Fazies). Die auf S. 54 a u f g e f ü h r t e n Metallformationen entsprechen solchen lateral - temporalen Faziesausbildungen, woraus sich Gesichtspunkte f ü r eine klassifikatorische Gliederung ergeben, die offensichtlich auf physiko-chemischer Grundlage beruht, aber nicht zu einseitig n u r die T e m p e r a t u r in Abhängigkeit von der Erdtiefe verwenden' d a r f . Die Gliederung in p l u t o n i s c h e , s u b v u l k a n i s c h e und v u l k a n i s c h e Bedingungen n i m m t in klarer Weise Rücksicht auf den O r t d e r A b s p a l t u n g der erzbringenden Lösungen. Diese vermögen je nach ihrem Absatzort zu recht verschiedenen Lagerstätten

A. Der magmatische Ablauf

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führen, erfährt doch eine plutonisch abgespaltene Lösung auf einem langen Wanderweg bis zum oberflächennahen Absatz recht erhebliche Veränderungen. Daß eine Lösung vulkanischer Abstammung nahe der Erdoberfläche heimisch ist und im allgemeinen keine großen Veränderungen erfährt, ist ohne weiteres zu erwarten. Hinsichtlich A b s a t z o r t , unabhängig vom Abspaltungsort sind Bezeichnungen wie a b y s s i s c h , h y p a b y s s is C h , e p i k r u s t a l (erdoberflächennah), s u b a q u a t i s c h oder s u p r a k r u s t a l geläufig. Unter subvulkanischen Verhältnissen entwickeln sich besonders gerne wechselnde Bedingungen, die zu weniger rein differenzierten Gangformationstypen führen, fehlt es doch an Raum und Zeit für großangelegte vielgliedrige Differenzierung. Ist eine solche vorhanden, so ist sie räumlich bis auf 2—3 km zusammengeschoben wie die Glieder eines Teleskops (telescoping) im Gegensatz zum plutonischen Verhal•o ten, wo die verschiedenen Temperaturparagenesen ^ eines beispielsweise in I" 15 km Tiefe erstarrenden I Magmaherdes deutlich ' nach außen über diese I Tiefenerstreckung aneinander gereiht sind. (Abb. 12) Selbstverständlich wirkt sich auch der B i l d u n g s I ort einer Lagerstätte in Rücksicht auf Entfernung vom Stammagmaherd aus. Es gelten hier alte BeA b b . 12. G l i e d e r u n g d e r L a g e r zeichnungen wie i n t r a s t ä t t e n nach P T - Z o n e n d e r Erdm a g m a t i s c h -- im k r u s t e (nach H. BORCHERT)

58

III. Der innere Stoffkreislauf

Eruptivgestein mit dessen Bildungsakt entstanden (z.B. Chromerz und Platin in basischem Eruptivgestein), p e r i m a g m a t i s c h = direkt am magmatischen Gesteinskomplex randlich aufgeschlossene pegmatitische und kontaktpneumatolytische Assoziationen (Sn, W, Mo, Fe, Cu), an welche sich nach außen die a p o m a g m a t i s c h e n anschließen =-- mit magmatischem Geschehen räumlich-zeitlich enge verknüpft und in direkt aufgeschlossenem Zusammenhang zugleich auch mit den nach außen folgenden Metallformationen I bis VII, t e l e m a g m a t i s c h = Vererzung ohne nachweisbaren Zusammenhang mit. magmatischer Tätigkeit, aber mit vermutetem tief gelegenem Magmaherd (viele Pb-Zn-Lagerstätten). Für die Einordnung in die Temperaturbereiche des gesamtmagmatischen Geschehens werden die Bezeichnungen kata- (hoch-), meso- (mittel-) und epithermal (niedrig) verwendet. Liquidmagmatisch bis pneumatolytisch zählen zum katathermalen Bereich und mesothermal liegt zwischen 450 und 200° C. Im Einzelfalle muß geprüft werden, ob die auf einer Lagerstätte zusammen auftretenden Mineralien tatsächlich isogenetisch, d. h. gleichzeitig, oder in sehr verschiedenen Zeitabschnitten gebildet worden sind. Auf eine im Frühstadium gebildete perimagmatische Lagerstätte kann sich viel später eine Assoziation von apomagmatischem Charakter aufsetzen (absteigende Isothermen), auch das Umgekehrte kann sich einstellen (aufsteigende Isothermen). Im letzteren Falle sprechen wir von R e j u v e n a t i o n , die man besonders gerne unter subvulkanischen Verhältnissen mit ihren wechselvollen Bedingungen sich entwickeln sieht. Entsprechen also die einzelnen Gangformationen mit ihren differenzierten Paragenesen g e o l o g i s c h e n T h e r m o m e t e r n im großen Maßstab,

A. Der magmatische Ablauf

59

so lassen bestimmte Einzelmineralien selbst, besonders unter Berücksichtigung der Umwandlungspunkte (Modifikationsänderungen) in dieser Hinsicht noch genauere Aussagen zu. (a = hochtemp. ß tieftemp. Quarz 575° C; a = hochtemp. ->• (3 = tieftemp. Kupferglanz Cu 2 S = 91° C; Zinkblende = tieftemp. Wurtzit = hochtemp. ZnS = 1020° C; Aragonit = tieftemp. ->• Kalzit = hochtemp. CaCOj = 410° C.) Oft k a n n n u r auf Grund innerer Zwillingsverwachsungen auf s t a t t g e f u n d e n e Modifikationsänderung geschlossen werden. Auch Einschlüsse von Gasen und Flüssigkeiten vermögen über Bildungstemperat u r Aufschluß zu geben (alpine Z e r r k l u f t q u a r z e bei 220° C). Weiter sind vielfach Entmischungsstrukturen aufschlußreich. (Bornit - Kupferglanz - Entmischung; Cubanit-Chalkopyrit-Entmischung und viele andere.) Sind bestimmte Mineralien n u r f ü r erhöhte Temperaturbereiche charakteristisch, so finden wir auch wieder solche, die in allen Temperaturgebieten gebildet w e r d e n können (Durchläufer), f ü r welche Ableitungen über die Temperaturverhältnisse während der Bildung nicht gemacht werden können. Daß die Ausfällungsbedingungen auch in Beziehung stehen mit Atomeigenschaften, zeigt die Tabelle 3 (FERSMAN), welche die Elemente in gleicher Weise von rechts nach links folgen läßt, wie sie in der pneumatolytischen Abfolge (S. 52) von oben nach unten aufgezeichnet sind oder wie sie die F o r m a tionsfolge I bis V erkennen läßt. Die Kontinuität der Abfolge geht parallel mit abnehmender Valenz, abnehmender Gitterenergie und zunehmendem Ionenradius.

60

III. Der innere Stoffkreislauf

Element

Mo Re Sn

Aussdieidungstemperatur

600°

W

Bi

500°

Fe 400°

Valenz

IV IV IV IV-V III III-II

Ionenradius

.68

Gitter energie Element

.68

.74

Valenz

II

Ionenradius

.83 1.32

Gitterenergie

850

Co

II

I-II .96

-850 Ag

200°

300°

I

.67 .83

.68

4000-3000 k g cal

Zn Pb Ni

Aussdieidungstemperatur

Au Cu

Sb

As Hg 100°

100°

III

I

II

II

I

.78

.82

1.13

1.12

550 800

800

450

450

Tab. 3

B. Der metamorphe Ablauf Der metamorphe Zyklus umfaßt die Neueinstellung von Gleichgewichten zwischen schon bestehenden festen Mineralphasen bei Änderung ihrer Existenzbedingungen. Genau besehen, stellt die in der Tiefe gebildete intramagmatische Mineralassoziation jetzt an der Erdoberfläche, wohin sie nach erosivem Abtrag gelangt ist, einen, allerdings für unsere Studien willkommenen, instabilen Zustand dar, der nur durch die für unsere menschlichen Maßstäbe so gering erscheinende Reaktionsgeschwindigkeit ermöglicht wird. Es ist verständlich, daß die Abgrenzung der Metamorphose gegenüber Vorgängen, die mit Alterungserscheinungen zusammenhängen und die durch zunehmende Sedimentüberlagerunjg und die dadurch bewirkte Temperaturerhöhung hervorgerufen werden (Diagenese), schwer zu ziehen ist. Zunächst lassen sich 3 in ihren Wesenszügen verschieden gerichtete Metamorphosenarten feststellen:

B. Der metamorphe Ablauf

61

1. Die t h e r m i s c h e , 2. die m e t a s o m a t i s c h e , 3. die m e c h a n i s c h - d e f o r m i e r e n d e. Nur selten wirkt eine Metamorphosenart f ü r sich allein; die in der Natur angetroffenen Erscheinungen weisen meistens auf eine Zusammenarbeit mit recht unterschiedlichen Einzelbeiträgen der verschiedenen Metamorphosen hin. Insbesondere entspricht einer solchen Verkoppelung von Metamorphosierungsvorgärigen 4. die R e g i o n a l m e t a m o r p h o s e , die vor allem die weitverbreiteten kristallinen Schiefer formt. 1. Die Thermometamorphose Sie wirkt sich isochemisch aus, d. h. die Bauschalzusammensetzung vor und nach der Metamorphose bleibt dieselbe; das bedeutet lediglich Anpassung an neue erhöhte Temperaturen, die durch das Nachaußenwandern der Geoisothermen (Aufstieg eines Magmaherdes oder Versenken des betreffenden Erdrindenstückes in größere Tiefen) veranlaßt werden. So wird aus der Paragenese SiÖ2 (Quarz) + CaCOj (Kalzit) -> CaSiO, (Wollastonit) + COa oberhalb 570° (bei Atmosphärendruck, mit > P bei höheren Temperaturen) (Abb. 13). •c teo 6oo

4oo 2oo

A b b . 13. P T - D i a g r a m m f ü r die Wollastonltreaktion A. DANNIELSSÖN).

(nach

Die angeschriebene Gleichung entspricht einer Reaktion zwischen Festkörpern entlang einer 4-Phasenkurve. Der Richtungssinn der Reaktion

62

III. Der innere Stoffkreislauf

solcher Systeme ist phasentheoretisch eindeutig festgelegt. Ob sie sich tatsächlich in allen Fällen vollzieht, hängt von den jeweiligen kinetischen Faktoren ab, insbesondere von Katalysatoren; solche sind erhöhte Temperatur, mit welcher die Lockerung, die Platzwechselfähigkeit der Atome im Gitter gesteigert wird. Begünstigend wirken auch die geringen Korngrößen und die dadurch erzielten größeren Oberflächenkräfte. An Korngrenzen vergrößert die Anwesenheit einer molekular-dispersen Phase auch in geringsten Mengen sofort die Umlagerungsfähigkeit erheblich. Es ist auch daran zu denken, daß erhöhte Temperaturen aus bestimmten festen P a r a genesen selbständige Flüssigkeiten abzuspalten vermögen, die ihrerseits begünstigend auf den Reaktionsmechanismus einwirken, z. B.: 72° C. 2KC1 • MgSQ 4 • 3H 2 Q + KCl • MgCl 2 • 6H a O ^ (Kainit)

2MgSOj

(Carnallit)

HoO + 3KC1 4 MgCh-Lösung.

(Kiesent)

(Sylvin) Hartsalz

In metamorphen Gesteinen kommen somit bestimmten Temperaturbereichen bestimmte Mineralp^ragenesen zu. Paragenesen hoher T e m p e r a t u r bereiche heißen pyrometamorph. Erhöhte T e m p e r a t u r k a n n sich unter Umständen auch nur in einer Sammelkristallisation äußern. (Umlagerung eines dichten Kalkes in grobkörnigen Marmor.) 2. Die Metasomatose Die Metasomatose bedeutet die Verdrängung eines Minerals oder eines Gesteinskomplexes Teilchen u m Teilchen durch neuen Stoff (Abb. 14, Bd. II Abb. 19, 30b) und ist demnach eine a l l o c h e m i s c h e Reaktion. Sie wird naturgemäß bei erhöhten Temperaturen (Pyro) am Kontakt einer jüngeren Eruptivmasse gegen-

B. Der metamorphe Ablauf

63

über älteren sedimentären Ablagerungen besonders wirksam ausfallen (Kontaktpyrometasomatose). Aber selbst bei völliger Verdrängung des ursprünglichen Stoffes durch neue Produkte ist sein ursprüngliches Gefüge oft noch vollständig erhalten. (Pseudomorphosierung des Ausgangsstoffes). Der schwächste Intensitätsgrad eimer Metasomatose liegt in spärlich Verteilten kleinen Mineralisierungszentren vor (z. B. „disseminated ore" = eingesprengte Erze als vereinzelte Porphyroblasten). Von dieser aufgelockerten Imprägnation bis zur völlig reinen unvermischten und dicht gefügten Mineralisation stellen sich alle Übergänge ein. Am Metamorphosierungsprozeß beteiligen sich drei Phasen, d. h. zwei feste und eine molekulardisperse. Die ersten zwei werden dargestellt durch das Altmaterial und den neugebildeten Stoff, die dritte durch den Dampf oder die Flüssigkeit, welche die Reaktion zwischen den beiden unter Einhaltung des Massenwirkungsgesetzes bewerkstelligt. Auf jeden Fall beteiligt sich das Altmaterial in aktiver Weise am Umsatz. Die metasomatischen Umwandlungsvorgänge dauern über ganze geologische Epochen an, da die sich dabei abspielenden Stofftransporte äußerst langsam verlaufen. Bedeutsam tritt dabei stets die Grenzflächenreaktion in ihrer ganzen Komplexheit in Erscheinung. Im einzelnen bestimmen in entscheidender Weise die physikalische (Klüftung, Groß- und Kleingefüge) und chemische Beschaffenheit des Ausgangsmaterials und dessen geologische Position sowie auch die Natur der einwirkenden Lösungen den Verlauf und das erreichte Endprodukt. Die außerordentlich reaktionsfähigen postmagmatischen Emanationen (S. 52) mit ihrer bis weit ins Hydrothermale reichenden beträchtlichen stofflichen Variationsbreite im Verein mit den primären lithologischen Wechseln der ursprünglichen Sedimente erzeugen hier eine in der Petrologie nie mehr anzutreffende

III. Der innere Stoffkreislauf

64

Mineralienfülle. Zahlreiche Edelsteine, technisch nutzbare Mineralien und bedeutende Erze sind hier konzentriert worden; besonders leicht werden karbonatische Gesteine metasomatisch verdrängt. Kalke als Mantelbestandteile eines Eruptivkörpers wirken geradezu als Destillationsrohre, da die einwirkenden Lösungen die Reaktion so lange aufrechterhalten, als noch unzersetzter Kalk vorhanden ist. „Skarne" sind Mischungen von Erzen mit Silikaten, die beide aus der Reaktion zwischen postmagmatischer Lösung und karbonatisch-mergeligem Gestein entstanden sind (Abb. 14). Wichtige solche Silikatmineralien sind: Granat, Vesuvian, Skapolith, Pyroxen, Epidot, Hornblende u. a. Erze sind: Sulfide, Sulfarsenide oder Arsenide von Fe, Cu, Zn, Pb, auch von Au und Ag; ferner Oxyde von Fe, z. T. mit Ti oder Mn. Reaktionsmöglichkeiten:

3SiF4 + 2FeFs + 12CaCOs ->- Ca,Fe2Sis012 + 9CaF2 + 12CO, ocJgj-

(Kaiiceisengranat)

(Fluorit)

2FeCls + 3CaCOs ->- Fe2Oa + 3CaCl2 + 3COä. (Hämatit)

Abb. 14.

Kontaktmetasomatlsdie Vererzung der Empire Knob, Idaho (nadi UMPLEBY).

Mine

While

Weiteres über die Form und das Gefüge der Verdrängungslagerstätten siehe Ausführungen auf Seite 111 und Abb. 3, ferner Bd. II Abb. 3, 44. Selbstverständlich verbindet eine kontinuierliche Übergangsreihe von Mineralassoziationen hochtemperierter Kontaktpyrometasomatose über thermale

B. Der metamorphe Ablauf

65

zu solchen, in welchen magmatische und endmagmatische Einflüsse k a u m m e h r anzutreffen sind und welche n u r mehr niedrigthermalen Ausscheidungen entsprechen. Dann müssen geotektonische und mineralund gesteinsprovinzielle Rahmenbetrachtungen die genetischen Zusammenhänge liefern und die Frage nach derAszendenz (hypogen) oder Deszendenz (supergen) beantworten helfen, da mit besonderen Stoffen beladene zirkulierende Grundwässer ebenfalls zu metasomatischen Mineralisierungen befähigt sind. Im m e t a m o r p h e n Ablauf sind es vor allem die pneumatolytischen und hydrothermalen Stadien, die sich bemerkenswert stoffkonzentrierend auswirken. 3. Die mechanische Deformationsmetamorphose Sie repräsentiert die reine isochemisch verlaufende Dynamometamorphose, die weniger durch allseitig erhöhten hydrostatischen Druck als durch einseitig g e r i c h t e t e n Außendruck (Stress) auf schon v e r festigte Gesteine verursacht wird. Wie schon auf Seite 28 erwähnt, vermögen sich die Kristallgitter gegenüber solchen Einwirkungen plastisch zu deformieren, ohne daß der Zusammenhalt verlorengeht. Überschreitet der Stress die Plastizitätsgrenze, dann tritt erst Bruch u n d Z e r t r ü m m e r u n g unter Bildung eines Kristallmörtels ein. Solche zerscherten Gesteine nennt m a n M y l o n i t e ; in P s e u d o t a c h y l i t e n liegen vollständig zerriebene Gesteine vor, deren Fragmente bis zu kolloidalen Dimensionen herabreichen und die glasig-geschmolzenes Aussehen haben. Pseudotachylite und Mylonite treten stets n u r eng begrenzt und lokalisiert auf. Bei der Gebirgsbildung k a n n sich aber die Deformierung der mineralischen Gesteinskomponenten ganz allgemein ü b e r größere geologisch-tektonische Komplexe gleichmäßig ausdehnen u n d dadurch günstige Voraussetzungen f ü r Rekristallisationen und Umkristallisa5

Huttenlocher,

M i n e r a l - u.

Erzlager 1

66

III. Der innere Stoifkreislauf

tionen schaffen. (Vermehrung der Reaktiorisoberfläche, Anregung zu inter- und intrakristallinen Reaktionen), besonders unter Mitwirkung selbst nür in geringsten Mengen zirkulierender Gase und Flüssigkeiten. Damit beginnt die Deformationsmetamorphose sich zur 4. Regionalmetamorphose auszuwachsen; letztere ist ohne vorige nicht denkbar. (Dislokationsmetamorphose NIGGLIs). Es handelt sich um die Koppelung von mechanisch-kinetischer mit thermisch-statischer Metamorphose, vielfach in Begleitung von metasomatischen Vorgängen. In verschiedenen zeitlichen Abschnitten, intermittierend oder überlappend, verändern und transformieren sie während eines groß angelegten Orogenprozesses die Erdkruste. Isochemisches Verhalten verliert sich, gerichteter Druck, Differentialbewegung und damit verbundene Stoffmobilisation und -differentiation, Wanderung und Neubildung, sind die charakteristischen Teilerscheinungen. J e nach Tiefenlage und Temperierung und zeitlichem Einschalten der Vorgänge können an Stelle destruktiver durch konstruktive Neugruppierungen erzeugte Zustände das Bild beherrschen. Entweder findet an einzelnen Punkten eine S p r o s s u n g (Blastese) besonders kristallisationsfähiger Stoffe statt (Porphyroblasten, aussehend wie Einsprenglinge in porphyrischen Eruptivgesteinen), oder die ganze Gesteinsmasse erfährt durch allgemeine Blastese einen generellen Neuaufbau unter betonter Paralleltextur (kristallisationsschiefrig), so daß die mannigfaltigen Erscheinungen der K r i s t a l l i n e n Schiefer geschaffen werden. Einerseits entstehen leicht imprägnierte Gesteine, deren Charakter grundsätzlich vom „disseminated"-Typ nicht abweicht, andrerseits werden granitähnliche Gesteine angestrebt. Dies

B. Der metamorphe Ablauf

67

hauptsächlich dann, wenn in der Dachregion der Geosynklinalräume durch différentielle Stoffmobilisation (einen generell verflüssigten Zustand erfährt das Gestein jedoch nie) und metasomatische Verdrängung sich Kieselsäure und Alkalien anreichern. (Anatexis, Palingenesis, Ultrametamorphose). Granite sind nur teilweise Endprodukte der gravitativen Kristallisationsdifferentiation basischer, simatischer Ausgangsschmelzen. (Seite 40 und 48).) Schon das bedeutende Mißverhältnis zwischen basischen und granitischen Gesteinen in der Erdkruste erweckt in dieser Beziehung Mißtrauen, außerdem aber auch die Raumfrage, ist doch gerade in den Orogenzonen das vorhandene Material fast ausschließlich durch granitisch zusammengesetzte Gesteine ersetzt worden. J e nach der besonderen Ausbildung der Regionalmetamorphose werden vorhandene Stoffgehalte in die neugebildeten Mineralbestände der unmittelbaren Umgebung eintreten oder auch in ähnlicher Weise sich konzentrieren und verfrachten wie in den pegmatitisch-pneumatolytischen und hydrothermalen Stadien des magmatischen Ablaufes. Vielfach werden die kristallinen Schiefer entsprechend ihrer nach den verschiedenen Erdtiefen wechselnden Mineralbeständen in hoch- (epi-), mittel- (meso-) und tief- (kata-)zonäl gegliedert (BECKE, GRUBENMANN, NIGGLI). Man kann aber auch die verschiedenen Gesteine mit wechselnden Mineralbeständen und doch übereinstimmenden Chemismen durch Faziesbegriffe voneinander trennen, der Gesteinsname enthält dann faziestypische Mineralien (ESKOLA). Soll das Studium der kristallinen Schiefer Aufschluß über deren geschichtliche Entwicklung geben, muß neben der Erfassung des Mineralbestandes vor allem den Gefügeverhältnissen hohe Aufmerksamkeit geschenkt werden; sehr wertvolle Fingerzeige bilden paragenetische Ungleichgewichte und übernommene Altstrukturen (Relikte). F

68

IV. Der äußere Stoffkreislauf

In manchen Orogenzonen sind gewisse Teile besonders durch Mineralklüfte mit gut entwickelten Kristallen ausgezeichnet. So stellt die alpine Zerrkluftmineralisation eine Ausscheidung aus zirkulierenden Lösungen von hydrothermalem Charakter in Spalten und Rissen dar. Letztere bildeten sich während der Hochwölbung und des Aufstaues des Alpenkörpers und der sich anschließenden tektonischen und erosiven Entlastung, also ganz am Schlüsse der alpinen Orogenese. IV. DER ÄUSSERE

STOFFKREISLAUF

Auf S. 43 ist die Stellung des äußeren Stoffkreislaufes bereits aufgezeichnet worden. Er bedeutet den Ausgleich, der sich unter unentbehrlicher Mitwirkung der Biosphäre zwischen den äußersten Schichten der Lithosphäre und der Hydro- und Atmosphäre vollzieht. Die Vorgänge spielen sich im äußersten hauchdünnen, die Erde überziehenden Oberflächenfilm ab, wenn man von dem Geschehen im tieferen Meeresgrunde absieht, wobei aber auch für diesen letzteren Fall die Einleitung dazu durchaus vom Oberflächenfilm erfolgt. Dieser selbst stellt ein kompliziertes System dar, in welchem anorganische und organische Welt aufs allerintimste miteinander verflochten sind und wo die für uns unlösbare und geheimnisvolle Grenze beider Welten verborgen liegt. Im Vergleich zum Ausmaß des Erdradius leistet die belebte Natur in dieser allerdünnsten Schicht stoffliche Massenproduktionen von unvorstellbaren Größen. Der heutige Stoffhaushalt ohne Biosphäre ist undenkbar. Selbstverständlich erfahren die unter völlig abweichenden Bildungsbedingungen entstandenen magmatischen und metamorphen Gesteinskomponenten am ehesten eine Neuanpassung; doch bleiben auch die auf oder nahe an der Erdoberfläche gebildeten Produkte unter den hier so rasch und vielseitig beeinflußbaren Verhältnissen nicht unverändert. Der äußere „Stoffwechsel" (V. M. GOLDSCHMIDT) gliedert sich in zwei Stufen ungleich großen Ausmaßes,

A. Verwitterung

69

1. in die Verwitterung (Aufspalten der Mineralien) und 2. Transport und Neuabsatz der Spaltprodukte. Der Reigen der unter 2 aufgeführten Vorgänge ist bedeutend mannigfaltiger; scharfe Trennungen zwischen 1 und 2 sind oft kaum möglich.

A. Verwitterung Die Verwitterung, deren Natur und Ausmaß klimatisch bedingt sind, kann physikalisch oder chemisch sein. 1. Die physikalische

Verwitterung

kommt einer mechanischen Zerkleinerung gleich. Diese wird verursacht durch die bei T e m p e r a t u r schwankungen hervorgerufenen Spannungen, durch Frost- und Salzsprengungen, durch Kapillarwirkung, durch Wasser-, Eis- oder Windbewegung und durch die mit diesen transportierten Gesteinsbestandteile. 2. Die chemische Verwitterung und Fraktionierung der Elemente Grundvoraussetzung ist das Wasser; dieses w i r k t allein oder zusammen mit den aus der Atmosphäre oder dem Erdboden entnommenen Stoffen, wobei eine vorausgegangene physikalische Verwitterung den Prozeß erleichtert. Der chemische Verwitterungszerfall äußert sich in einer differenzierten A u f n a h m e der Atome oder Ionen der Ausgangsmineralien durch das Wasser und t r e n n t das, was die hohe Temperatur einer magmatischen oder metamorphen Periode zu komplizierten Konstitutionen zusammengefügt hat. Daß schon reines Wasser den Zerfall einleitet, zeigt der Versuch, nach welchem unmittelbar nach Einbringen von Adularpulver in destilliertes Wasser dasselbe alkalisch wird, was A u s w a n d e r n des K aus dem Kristallverband bedeutet. Die nächst wichtigen Kationen Si und AI werden weit weniger leicht abgebaut, was übrigens außerordentlich von der

70

IV. Der äußere Stoffkreislauf

Wasserstoffionenkonzentration abhängt. Aber selbst die entstehende Restschicht, die keineswegs einem Kaolin'gitter entspricht, v e r ä n d e r t sich weiter durch ionares Austreten von AI und Si, die in dieser Form allerdings nicht lange haltbar sind. Im übrigen richtet sich die Zusammensetzung der dünnen Restrinde ganz nach den herrschenden PH-Werten. In welcher Weise die Al-Si-Verhältnisse durch die PH-Werte beeinflußt werden, ist aus d e m K u r v e n verlauf nachstehenden Diagramms (Abb. 14) ersichtlich. Dies wird insbesondere wichtig f ü r das weitere Verhalten der entstandenen Hydrolysat-Lösungen. Ob Si und AI ionar gelöst sind oder Sole bilden, in beiden Fällen e r f a h r e n sie bei den enorm variablen Bedingungen, welchen die Oberflächenwässer begegnen, recht wechselvolle Schicksale. Somit läßt sich auf Grund der jeweils herrschenden PH-Werte eine Anreicher u n g von SiO a (VerkieseA b b . 15. Löslichkeit v o n Si02 u n d Al(OH)i in Abhängigkeit lung) oder eine solche von p H . von Al(OH) 3 (Bauxit-Laterit) nach der A b t r e n n u n g des gelösten P a r t n e r s entweder als Reliktsubstanz oder aber als Ansammlung des abgewanderten Genossen ansehen. Es können auch, unmittelbar an den Abbauprozeß anschließend, zwischen diesen beiden wichtigen Stoffgruppen A u f b a u r e a k t i o n e n zu feinstkristallinen Tonerdesilikaten wirksam werden, sofern die pn-Werte vorher nicht T r e n n u n g verursachten. (Siehe Schema Abb. 16). Gegenüber AI2O3 ist SiO ä verhältnismäßig recht beweglich und vor allem infolge seiner Hydrophilie aus dem Solzustand schwer ausfällbar. (S. 30). A I 2 O 3 verhält sich dagegen hydrophob.

A. Verwitterung

71

Das nächst wichtige Kation Fe lehnt sich sehr stark an das AI an, hat aber infolge seiner 2-Wertigkeit größere Freiheiten. Es spielt für das Fe nicht nur der pH-Wert eine Rolle, sondern es wird das Oxydationspotential ein ebenso ausschlaggebender Faktor. Das Fe (OH)3-Sol hat, wie das Tonerdesol, positive Ladung und ist also basisch. Recht ähnlich, verhält sich Mn, so daß es auch da, je nach den Bedingungen, wieder zu Trennungen der ursprünglich isomorph vereinten Metalle kommen kann. Die dem Eisenhydroxyd entsprechende Solform ist das Mn(OH)«, die jedoch negativ geladen ist und daher schwach sauren Charakter hat. Die Erdalkalien stehen zwischen AI, Fe, Mn einerseits und den Alkalien andererseits. Mit Fe und Mn haben sie die Beweglichkeiten als karbonatische oder sulfatische Lösung gemeinsam, gegenüber den Alkalien besteht der Unterschied, daß letztere auch als Hydroxyde weithin wanderungsfähig sind. Derjenige Zustand der Gesteine, bei dem Fragmente verschiedensten Ausmaßes von ursprünglichem, unverändertem Gestein in einem lockern Gemisch von anorganisch-chemisch, gebildeten kristallinen und gelartigen Umsatzprodukten mit organisch gebildeten und kolloidal beschaffenen auftreten, ohne daß das Ganze nennenswert transportiert worden wäre, nennen wir B ö d e n . Dieser Übergangszustand zwischen Ausgangs- und Endstufe in der Lebensgeschichte der Gesteine, so mannigfaltig er auch je nach Ausgangszusammensetzung und Klima ausfallen mag, ist kulturell von höchster Bedeutung. B. Transport und Absatz der Fraktionen Ist mit der Verwitterung eine stoffliche Trennung vorbereitet und z. T. in ihren Anfängen schon vollzogen worden, so nimmt dieser Prozeß bei genügendem Zutritt von Wasser, Wind, Eis oder auch nur

72

IV. Der äußere Stoffkreislauf

unter dem Einfluß der Schwerkraft oder bei Kombination dieser Transportmittel in seiner Wirkungsweise erheblich zu. Dabei wächst entsprechend der Leichtigkeit, mit welcher die Ionen austreten, auch die vom Verwitterungsort zurückgelegte Entfernung (siehe beigelegtes Schema in Abb. 16). Der Verwitterungsprozeß findet seinen Fortgang in einem Aufbereitungsprozeß. Die Gesamtheit all dessen, was nun zum Neuabsatz der nicht autochthon gebliebenen Verwitterungsprodukte führt, nennen wir S e d i m e n t e , das übrige umfaßt Gesteinsböden, besondere Verwitterungsrückstände und gelegentliche Stoffkonzentrationen in der Oxydations- und Zementationszone schon bestehender Lagerstätten. Der Transportweg weist somit gewissermaßen Stellen mit bevorzugter Anreicherung bestimmter Elemente auf, die zu Stoffgruppen zusammengefaßt werden können, wie die im chemischen Analysengang gemeinsam ausfallenden Elemente. Für diese Gruppen hat GOLDSCHMIDT folgende Gliederung vorgeschlagen: 1. Residuen, 2. Hydrolysate, Oxydate, 3. Karbonate, 4. Evaporate. Die mannigfachen Einflüsse im exogenen Verlaufe erzeugen oft geologisch besonders verumständete Bedingungen, nicht selten sogar mit Überschneidungen, so daß die Stoffgruppen nicht immer rein entwickelt sind, sondern gemischte Natur aufweisen. Soll deshalb die vorgeschlagene systematische Gliederung nicht zu enge Rahmenverhältnisse schaffen, so erscheint es angezeigt, in die einzelnen Gruppen alle diejenigen Erscheinungen einzureihen, die nach eingehender Prüfung der Gesamtsituation am befriedigendsten dorthin passen, unbekümmert um die engere Natur der beteiligten Elemente. Die GOLDSCHMIDT'sche Gliederung, der wir folgen wollen, zeichnet auf jeden Fall die große Linie auf, in die bei Berücksichtigung des oben Gesagten und unter Darlegung der näheren Bildungsumstände zu den Nachbargruppen alle Erscheinungen vernünftig eingeordnet werden können.

B. Transport und Absatz der Fraktionen

73

74

IV. Der äußere Stoffkreislauf

In entscheidender Weise schalten sich Oxydationsund Reduktionspotential und Wasserstoffionenkonzentration in den Verlauf der transportierenden und ausscheidenden Vorgänge ein. 1. Residuen Die Zerlegung des Verwitterungsrückstandes nach Korngröße und Dichte durch Wasser, Wind und Schwerkraft entspricht einem natürlichen A u f b e r e i t u n g s p r o z e ß . Er f ü h r t in einer Residualfraktion zur kennzeichnenden Anreicherung der Elemente Si, Ti, Fe, Zr, Au, Pt, P in ihren u r sprünglichen mineralischen Zustandsformen als Verbindungen oder vereinzelt auch als Elemente. Dabei ist die Dominanz hoher Valenz charakteristisch. Diese Residualfraktion gliedert sich in Gruppen verschiedener Korngrößen, die Ausdruck eines verschieden langen, zeitlichen und räumlichen Transportes oder verschiedener T r a n s p o r t k r a f t sind. Es sind folgende Gliederungen im Gebrauch: 1. Psephite mit K o r n - 0 > 0,2 cm, Block, Schutt, Brekzie, Schotter, Konglomerate, Seifen. 2. Psammite mit Korn-ßf > 0,002 cm, Sande, Arkosen und Seifen. 3. Pelite mit K o r n - 0 < 0,002 cm, Ton, Schlamm, Schluff. Die dritte Gruppe, die tonigen Gesteine, besitzt im allgemeinen begreiflicherweise nicht m e h r eindeutigen Residualcharakter. Sie stellt eine Mischassoziatiori dar, bestehend aus feinsten T r ü m m e r n der ursprünglichen Mineralien und Präzipitaten aus kolloiddispersen Lösungen, aus welchen sich leicht flotierbare Schichtgittermineralien bildeten; dazu kommen noch Produkte, die am eigentlichen Absatzort entstanden sind. Die guten Eigenschaften der Tone hängen vom Gehalt an Schichtgittern, insbesondere an quellbaren (Montmorillonit) ab.

B. Transport und Absatz der Fraktionen

75

Der Inhalt der Residuen-Gruppe i. e. S. gestaltet sich recht verschieden, je nachdem hier Stoffe eingegliedert werden, welche keinen oder kaum einen nennenswerten Transport erfahren haben oder solche, welche nach einer nicht unbedeutenden Reise bestimmte Anreicherungen aufweisen. a) Die Trümmerlagerstätten repräsentieren den ersten Fall, wonach im Oberflächenschutt primärer Lagerstätten auf gravitativem Wege weitere Konzentrationen Zustandekommen. Durch die Brandungswirkung während Emersionsphasen, begünstigt durch bestimmte Küstenkonfigurationen kann' der eisenschüssige Mineralgehalt und die disperse Eisenerzführung älterer Gesteinskomplexe in bedeutendem Maße konzentriert Werden (Marine Trümmererze). Der palaeogeographische Zusammenhang läßt das Mitauftreten von Oolith, Phosphorit, Glaukonit und Chamosit erklärlich erscheinen. b) Die Seifen stellen den zweiten Fall dar. Von den Trümmerlagerstätten über die eluvialen S e i f e n , bis zu den fluviatilen marinen und äolischen, stellen' sich alle Übergänge ein. Eluviale Seifen, in welchen im zerfallenen Primärgestein durch Wasser oder Wind eine Entfernung des feinklastischen und lockeren Materials und dadurch eine erste Anreicherung des sonst spärlichen Primärmaterials stattgefunden hat, finden wir an primäre Diamant-, Zinnstein- und Platin-Vorkommen gebunden. (Pt-, Au-, Sn-Seifen). Der Vorgang der eigentlichen Seifenbildung ist nicht einfacher Natur. In Flüssen findet besonders an Stellen mit Geschwindigkeitsverringerung durch bevorzugte stationäre Wirbelbildung eine Erzanreicherung statt. Für Platin und Gold verläuft der Prozeß aber keineswegs nur rein mechanisch, die

76

IV. Der äußere Stoffkreislauf

Verarmung des Au an Ag und diejenige des P t an Ir, Os usw. deutet auf die Mitwirkung chemisch gekoppelter Prozesse, desgleichen auch die Nuggetbi-ldurig. (Goldklumpen bis 70 kg Gewicht). Diamant und andere Edelsteine sind auf recht verschiedenartigen Seifen zu Hause; das schwerverwitterbare Thoriumphosphat, Monazit, Titaneisen, Zirkon, Chromit und Magnetit findet m a n ebenfalls auf Seifen, besonders häufig in Küstensanden. In Brasilien sind fossile Diamantseifen, in A f r i k a (Witwatersrand und Goldküste) fossile Goldseifen bekannt. c) Konzentration in der Oxydations- und Zementationszone p r i m ä r e r Erzlagerstätten Da dieser Lagerstättentypus ausschließlich an das A u f t r e t e n primärer, noch nicht verwitterter sulfidischer Erzvorkommen gebunden ist, muß er im Zusammenhang mit Residualerscheinungen behandelt werden. Eine dreigliedrige vertikale Zoneneinteilung machen das Wesen dieses Lagerstättentypus aus (Abb. 17): Zuoberst am Ausgehenden die O x y d a t i o n s z o n e mit dem E i s e r n e n Hut, dann folgt die Z e m e n t a t i o n s z o n e und d a r u n t e r das primäre, unveränderte Sulfiderz. Die Oxydationszone mit dem Eisernen Hut steht im oxydativen Wirkungsbereich der Atmosphärilien und gliedert sich, nach unten fortschreitend, mit abnehmender O-Wirkung, weiter in die Sicker-, dann Oszillations- und schließlich Fließzone. Damit ist das oberste Grundwasserstockwerk erreicht, womit die Oxydatiomswirkung a u f h ö r t und durch Zementationserscheinungen ersetzt wird, die ausschließlich der primären Vererzung Platz machen. Im Eisernen Hut haben sich vor allem die eisenreichen roten bis braunen Oxydationsprodukte des Eisens angereichert, vermehrt durch die grün und blau gefärbten des Kupfers, die schon dadurch die Aufmerksamkeit auf sich lenken. Hier und in der übrigen Oxy-

B. Transport und Absatz der Fraktionen

77

dationszone stellt sich eine Reihe von Sauerstoffverbindungen ein, deren Zahl natürlich von der Mannigfaltigkeit der auf den primären Lagerstätten auftretenden verschiedenen Schwermetalle abhängt. Es sind vor allem Oxyde, Hydroxyde, Karbonate, Sulfate, Phosphate, denen sich elementares Cu, Ag und Au hinzugesellen können. In der Oxydationszone werden vor allem die primären Sulfiderze, die einzeln verschieden rasch, vitriolisiert. F e S 2 + H 2 0 + 7 0 Í F e S 0 4 + H 2 S 0 4 , daraus e n t stehen F e r r i s u l f a t und E i s e n h y d r o x y d : 6 F e S 0 4 + 3 H2O + 3 0 Í 2 Fe 2 (S0 4 )3 + 2 Fe(OH) 3 . Das F e r r i s u l f a t ist wichtiges Oxydationsmittel nicht n u r gegenüber Schwefelkies, sondern gegenüber allen andern Metallsulfiden: P b S + F e 2 ( S 0 4 ) s + H2O + 3 0 Í PbSOi + 2 F e S 0 4 + H2SO4. Die Zementationszone. Die aus der Oxydationszone niedersickernden sulfatischen S c h w e r m e t a l l e w e r d e n an den noch nicht angegriffenen Sulfiderzen, sofern sie aus weniger edlen M e t a l l e n bestehen, g e f ä l l t oder zementiert. Es b e s t e h t die S p a n n u n g s r e i h e A u Hg Ag Cu S n P b Ni Co F e Zn Mg K wonach alle nachstehenden und weniger edlen alle vorhergehenden und edleren aus ihren sulfatischen Lösungen niederschlagen. Das w e i t v e r b r e i t e t e F e steht fast a m Schlüsse dieser Reihe. Dadurch entstehen wirtschaftlich wichtige A n reicherungen der edlen Metalle Ag und Cu: A u ist meist schon vorher in der t i e f e r e n Oxydationszone konzentriert. Folgende Reaktionsverläufe sind möglich: A g ä S 0 4 + Z n S ^ Ag£ + Z n S 0 4 , PbS + CuS04

Silberglanz

CuS +

PbS04

Kupferindig

CusFeSí + C u S 0 4 ^ 2 Cu 2 S +

Buntkupfer

Kupferglanz

2 CuS +

FeSO
. Dagegen steigt die Löslichkeit mit sehr kleinen O-Gehalten. Die Sedimentation des Fe wird also nicht in direkter Weise durch O-reiche oder O-arme Wässer beeinflußt. Im allgemeinen wird Fe in Ionenform (O-Armut) n u r durch karbonatische Lösungen transportiert. In

B. Transport und Absatz der Fraktionen

81

Gegenwart von O ermöglicht sich jedoch ein Verfrachten in Kolloidform als Fe(OH) s -Sol. Dem Flußwasser kommt dabei eine bevorzugte Rolle zu, da bei der extremen Verdünnung sich eine Koagulation wohl k a u m einstellen kann. Verwittern basische Eruptivgesteine unter den f ü r lateritische Zersetzung maßgebenden Verhältnissen (S. 70), so werden Bildungen wie L a t e r i t e i s e n e r z , B a s a l t e i s e n e r z und K r u s t e n e i s e n s t e i n sehr verständlich. In den tropischen und subtropischen Gebieten v e r m a g nämlich w ä h rend der Regenzeit beträchtliches Fe in Lösung zu gehen, das dann in der darauffolgenden Trockenzeit durch den gehobenen Grundwasserstrom an der Erdoberfläche hydroxydisch ausgeschieden wird. In solchen festländischen Verwitterungszonen treten Ni, Co, Cr als wertvolle akzessorische und charakteristische Beimengungen auf. Außer der Ausfällung durch Verdunstung des Lösungsmittels bestehen noch andere Möglichkeiten. So k a n n sie durch Elektrolyte oder durch negativ geladene andere Sole (wie z. B. SiCVHydrosol) ausgelöst werden. Auf diese Weise entstehen Verwitterungs-Eisenerze, die besonders gern in v e r k a r steten Kalken zu finden sind und häufig auch nennenswerte Mangangehalte aufweisen. Die die Erze enthaltenden Hohlformen sind je nach den örtlichen Bedingungen Kolklöcher, Trichter, Höhlen oder Mulden. Auch sind dementsprechend die begleitenden Gesteinsassoziationen sehr variabel; Tone, Quarzsande, Gerölle. Auch kann' der unterliegende Kalk dolomitisiert oder sideritisiert sein. In tonigen Rückständen (Bolus) mit ihrer bevorzugten Adsorptionswirkung treten häufig die Fe-Hydrolysate konkretionär als sog. „Bohnerze" auf, f ü r welche Arsen-, Cu-, Pb-, Zn-, ja sogar Ni- und Co-Gehalte sehr bezeichnend sind, die gelegentlich zu selbständigen Konkretionen von Blei-Zink-Vanadaten, von K u p f e r 6

Hutlcnlodicr, Mineral- u. Erzlager I

82

IV. Der äußere Stoffkreislauf

glänz, Rotkupfer und Malachit führen können. Eigentliche Vanadium-Lagerstätten können hier heimisch werden. Das Fe tritt in allen diesen Fällen als undurchsichtige, feinkörnige, vorwiegend hydrosilikatische Mineralien auf, die unter sich und mit Nichterzen (Karbonat, Ton, Si0 2 ) gemischt sein können. Die einzig in der Bestimmung zum Ziele führende röntgenographische Methode läßt als wesentlichstes Mineral a - Eisenhydroxyd = Nadeleisenerz („Brauneisen", Limonit) erkennen, dem ^-Eisenerz = Rubinglimmer und Eisenoxyd n u r untergeordnet beigemengt sind. Sehr oft deuten sich schon hier oolithische Strukturen an, die man besonders dort entwickelt findet, wo es sich um Ausscheidung aus verdünnten und transportierten Binnen- oder marinen Wässern handelt. Sehr häufig entwickeln sich aus den Eisenrückstandslagerstätten entsprechende Mn-Lagerstätten, wo an Stelle des Fe(OH)3 das Mn(OH)4 tritt. Dieses, im Gegensatz zum Fe, saure und positiv geladene Hydrosol vermag gegenüber Fe ausflocken'd zu wirken, so daß es zu gemengten oder alternierenden Mn-Fe-Ausfällungen kommt. Der verschiedene Charakter der beiden metallischen Hydrolysate begünstigt demnach im weiteren Verlauf des Verwitterungsprozesses eher eine Trennung der beiden verwandten Stoffe, die ursprünglich eng miteinander gingen. c) Die Anreicherung von Nickel und Magnesium in Hydrosilikaten und in Magnesitgängen Die 3 Elemente Fe, Mg und Ni, die einander in den Silikaten ultrabasischer Gesteine in so vollkommener Weise ersetzen können (Ionenradius), erfahren bei geeigneter Verwitterung im Bildungsraum der Hydrolysate sozusagen eine quantitative Tren-

B. Transport und Absatz der Fraktionen

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nung. Das Eisen der Silikate, als der am wenigsten bewegliche Anteil, bildet einen gelb bis rostbraungefärbten erdig aussehenden Rückstand nach A r t der Basalteisenerze. Diese ockerige Verwitterungszone ist durchsetzt von weißen oder grünlichen Gängen, die Mächtigkeiten von m m bis dm einnehmen, wobei sich die m m - d ü n n e n zu immer mächtigeren netzwerkartig vereinigen. Sie enthalten (Bd. II S. 31) das Mg, das Si und das Ni; das Mg als „ G e l m a g n e s i t " , das Si als O p a l und das N i als g r ü n e H y d r o s i l i k a t e oder als C h r y s o k o 11. Diese Mineralien können an derselben Stelle einer Ader zugleich a u f t r e t e n oder auf ihr einzeln nacheinander die Plätze einnehmen. Es ist auch möglich, daß es zu horizontartigen Anreicherungen in der untersten Verwitterungszone kommt. Auf jeden Fall bedeutet das A u f t r e t e n von Ni-Hydrosilikaten, in welchen der Ni-Gehalt bis zu 40 °/o ansteigen kann, eine recht bedeutende Ni-Konzentration, da Ni das Mg in den primären Olivin- und Pyroxenkristallen n u r bis zu Bruchteilen von "4, so daß diese beiden Stoffe in der Darstellung weggelassen werden können. (Existenzfelaj e r

aj e r

hpolpitpriHori Degieiienaen

fa-

Salze sind gepunktet oder schraffiert.)

Die Kristallisationsfolge lautet: 1. Kalk CaCOs; 2. Gips CaS0 4 • 2H 2 0; 3. Gips und Steinsalz NaCl (von jetzt ab stets mit NaCl); 4. Anhydrit CaSOi; 5. Polyhalit* 2CaS0 4 • K 2 S0 4 • MgS0 4 ; 6. Astrakanit** Na 2 S0 4 • MgS0 4 • 4HäO (der Lösungspunkt liegt im Astrakanitfeld, so daß fortan die Darstellung der Kristallisation im Dreieck erfolgt); 7. Reichardtit MgS0 4 • 7H 2 0; 8. Reichardtit und Kainit* KCl • MgS0 4 • 3H 2 0; 9. Hexahydrat MgS0 4 • 6H2O und Kainit; 10. Kainit und Kieserit** MgS0 4 • HäO; 11. Kieserit und Carnallit* KCl • MgClä; 12. Kieserit, Carnallit und Bischofit **MgCl2 • 6HzO. Außerdem kennt man noch weitere Mineralien wie die folgenden Langbeinit* KjS0 4 • 2MgS0 4 , Sylvin* KCl, Vanthoffit** 3Na 2 S0 4 • MgS0 4 und viele andere Doppelsalze. * bedeutet K-Mineralien, die zu Dünger verarbeitet werden, **bedeutet Begleiter der K-Salze.

92

IV. Der äußere Stoffkreislauf

Die in der N a t u r a u f t r e t e n d e Abfolge (Bd. II S. 131) zeigt n u n über dem Kalkstein nicht Gips sondern Anhydrit. Astrakanit, Reichardtit, Hexahydrat, Kainit und Bischofit als Absatzhorizonte fehlen. Das A u f t r e t e n von Anhydrit an Stelle von Gips k a n n u. a. auch dadurch erklärt werden, daß die sich im Laufe des langandauernden Ausscheidungsprozesses verändernde Lösung Mg-reicher geworden ist, in deren Anwesenheit frisch gebildeter Gips nicht beständig sein kann. Wenn die künstliche V e r d a m p f u n g bei 55° und 72° C zu thermophilen Paragenesen f ü h r t , die im natürlichen Ausscheidungsprofil zu finden sind, so darf noch nicht angenommen werden, daß während der Bildung der natürlichen Salze solch hohe Temperaturen herrschten, denn' die Beobachtungen an heutigen Salzseen und Meeresbuchten sprechen keineswegs f ü r solche Temperaturverhältnisse. Vielmehr können diese Hochtemperatur-Paragenesen nachträgliche thermometamorphe Umwandlungen darstellen. (Vgl. S. 62.) Die Salzmineralien sind schon bei geringen P - T Anstiegen u m w a n d l u n g s - und reaktionsfähig. Die für die thermometamorphe Entstehung als maßgebend betrachtete Hartsalzparagenese (Sylvin, Kieserit und Steinsalz) ist manchmal gar kein syngenetisches Salzgemisch, sondern stellt feinste Wechsellagerung aufeinanderfolgender Sylvin-Kieserit- und Steinsalzabsätze dar. Es ist unmöglich, die über 1000 m Mächtigkeit erlangenden chemischen Salzabsätze durch einen kontinuierlichen Verdunstungsprozeß aus einem völlig abgeschnürten Becken zu erklären (Quantitätsproblem), denn 100 m Meerestiefe liefern n u r 1,6 m Ausscheidurigsprodukte (Gips, Steinsalz und Kalisalze). Es muß deshalb eine enge Verbindung über B a r r e n (OCHSENIUS), die einen dauernden Zustrom von Salzwasser aus dem offenen Meere ermöglicht, angenommen werden. (Analogie mit der Adschi-

B. Transport und Absatz der Fraktionen

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darja-Bucht, getrennt vom Kaspischen Meer durch die Karabugas-Enge und -Schwelle. Das an Salzlagerstätten gegenüber den Kalisalzen stets zu hoch beobachtete Ca-Sulfat-Verhältnis läßt auf teilweises Zurückfließen von salzreicherem Wasser in einem Unterstrom schließen. Dadurch verändern sich Konzentration und Ausscheidungszeiten; Krustenbewegungen modifizieren vollends die Wirkung der Eintrittsenge, die völlig geschlossen werden kann, wodurch völlige Eindampfung um sich greift. In Anbetracht der i. allg. seltenen Na- und K-chloridischen Absätze müssen schon besondere geologische Veranlagungen des Ausscheidungsbeckens vorliegen, wenn die im Meerwasser gegenüber dem Ca-Sulfat in 20-fachem Betrage gelöste NaCl-Menge oder das mit dem Ca-Ion gewichtsmäßig gleich vorhandene K sich auch ausscheiden soll. Es muß auch daran gedacht werden, daß die sich einschnürenden Meeresbecken, die im Kampfe zwischen Festland (WALTHER) — und marinen Bedingungen (OCHSENIUS) stehen, mannigfachen Einflüssen durch Einschwemmung vom benachbarten Festland ausgesetzt sind. Die gebildeten Salzlager müssen mit einer schützenden Salztonschicht zugedeckt und vor weiteren subterranen Erosionen und Auflösungen geschützt werden. Die oben angeführten epirogenen Bewegungen während der Salzbildung kommen deutlich in der rhythmischen Schichtung im Kleinen wie im Großaufbau zum Ausdruck (Abb. 19). Die mächtigeren

Abi). 19. S a l z a b s c h e i d u n g auf G r u b e „ H a n s a - S i l b e r b e r g " (nach LOTZE). 1 = A n h y d r i t , 2 — S t e i n s a l z ; 3 = Kalisalz. 0 = nicht s a l i n d r ;

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IV. Der äußere Stoffkreislauf

Salzlager lassen mehrere Zyklen erkennen. Stets folgt auf eine progressive Phase (Ca-Karbonat ->-CaSulfat ->• Steinsalz -> K-Salz) eine regressive Phase mit nachfolgender Wiederholung der progressiven, das sind alles Anzeichen für wiederholte Meerwasserzuflüsse. b) Terrestrische Salze Die terrestrischen Lösungen weisen verhältnismäßig eine große Variabilität auf; ihre Präzipitate, von denen schon verschiedene erwähnt wurden, (AI, Ca, Fe, usw.) fallen dementsprechend mannigfaltiger aus als bei Ausscheidung aus dem Meere, wo alles zu einer homogenen Ausgangslösung zusammengemischt wurde. Selbstverständlich bestehen alle Übergänge von krustenartigen Bildungen als Ausscheidungen kapillar hochgestiegener und verdunsteter Verwitterungslösungen über festländische Salzsumpfprodukte bis zu solchen, die sich aus größeren Binnenseen bilden und die schließlich bei Erweiterung der Räume als marin angesprochen werden können. Von vornherein sind die festländischen durch die Häufigkeit Na-karbonatischer Verbindungen gekennzeichnet. (NatronSeen Ostindiens, beider Amerika und Ägyptens). Sie sind aufs engste mit Na2SOi (ohne H 2 0 = Thenardit, mit 10H20 = Glaubersalz, teilweise auch mit NaCl-Anreicherung verknüpft. Kalziumboratische Verbindungen (Ulexit, Pandermit und Colemanit) sind ebenso repräsentative Stoffe dieses Bildungsbereiches wie die alkalinitratischen Salze (Salpeter) mit ihren Chrom- und Jodassoziationen. Diese letzteren Bildungen verlangen ein besonders hohes Oxydationspotential, wie es vor allem in den hochgelegenen chilenisch-argentinischen Pampas der Küstenkordillere mit ihren Salpeterlagerstätten verwirklicht ist.

B. Transport und Absatz der Fraktionen

95

5. Biogene Sedimente Die Erörterung der hier vertretenen GOLDSCHMIDT'schen Gliederung auf S. 72 hat darauf aufmerksam gemacht, daß letztere kaum Überschneidungen wird vermeiden lassen. Das Einschalten von Vorgängen aus der Biosphäre im Zusammenwirken mit Atmo- und Hydrosphäre zwischen die verschiedenen Teilphasen1 des lithosphärischen Ablaufes ist vielfach extensiv und intensiv sehr umfangreich und verdient höchste Beobachtung. (VERNADSKY'sche Biosphäre). Die Betrachtungen über die Ausscheidungen von Fe und Mn sowie von Ca haben bereits kurz auf die Mitwirkung der Organismen (S. 86 und S. 88) hingewiesen. Dem auf S. 22 aufgeführten periodischen System sind vollends die übrigen Elemente zu entnehmen, die biologisch angereichert werden. Die tiefmeerisdien K a l k a b s ä t z e werden vorwiegend durch Foraminiferen geliefert (Globigerinenschlamm), die etwa 37 °/» des Meeresbodens ausmachen. Diese kalkliefernden Organismen beteiligen sich aber auch beträchtlich am Aufbau der Flachseeablagerungen, die weiter noch außerdem durch die Hartteile von Algen, Korallen', Schwämmen, Brachiopoden, Bryozoen, Echinodermen und Crustacceen gebildet werden. Schließlich sind auch am Aufbauprozeß der Kalke Bakterien nicht unbeteiligt. Einer analogen Stoffanreicherung begegnen wir in den K i e s e l g e s t e i n e n . Kieselalgen und Kieselradiolarien liefern die marinen D i a t o m e e n s c h l i c k e und R a d i o l a r i e r i h o r n s t e i n e (Radiolarite) oder die aus ersteren bestehende Süßwasserablagerung, die als K i e s e l g u r , T r i p e l oder Infusorienerde bekannt ist. Auch Kieselschwämme führen zur Anreicherung von Kieselsäure. In allen diesen Fällen stellt die organisch fixierte Kieselsäure ein sehr wanderungs- und umlagerungs-

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IV. Der äußere Stoffkreislauf

fähiges Konzentrat dar, mit welcher Eigenschaft die Feuersteinbildung zusammenhängt. Recht bedeutsam wird die Rolle des S c h w e f e l s im Ablaufe der sedimentären Gesteinsbildung, die zu Sulfiden und selbst zu gediegenem Schwefel führen kann (Bd. II S. 115). In an Lebewesen reichen Wässern, vor allem in gegen die offene See etwas abgeschirmten Gebieten mit besonderen Bedingungen, die sogar bis zur Stagnation reichen können, läßt sich die Bildung sulfidischer Absätze von Schwermetallen insbesondere von Fe und Cu beobachten. Offensichtlich handelt es sich um eine enge Verkoppelung von Prozessen, die sich in einer oberen und einer tieferen Zone abspielen. In der oberen O-reichen herrscht üppige pflanzliche und tierische Tätigkeit, auch sind aerobe S-Bakterien zugegen und oxydieren den von unten aufsteigenden H2S zu freiem S und H2SO4. In der unteren O-armen oder O-freien entsteht H2S durch desulfurierende Bakterien aus Sulfaten oder bei der ineboli Spaltung der Eiweißstoffe V1V15 durch Fäulnisbakterien. Es schaltet sich also auf engem Räume der Schwefelkreislauf ein. In den an H2S durchsetzten Faulschlammahsätzen karbonatisch-toniger Zusammensetzung wird bei Vorhandensein von Fe und Cu oder auch von Pb und Zn, die vielfach auch mit hereingeströmt werden können, dieser Metallgehalt sulfidisch ausgeschieden. Die aus dem Schwarzen Meere (Abb. 20) stammenden Faulschlammabsätze (SaproAbb. 20. Sauerstoff- (—) und pelite) enthalten bis z u 2,5 °/o ^ m ^ P ^ Ä " ^ ' ' 1 FeS 2 . In der stratigraphischen Schwarze Meer (nach Nikitin) Reihe unserer Sedimente fin-

B. Transport und Absatz der Fraktionen

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den sich eine ganze Anzahl, die bald als bitumenreiche Ausgangsstoffe für ölgewinnung oder auch als nutzbare Metallaufspeicherungen sulfidischer Natur in Betracht kommen. (Posidonienschiefer des Lias. Kupferschiefer des Zechsteki, Pyrite im Devon). Je nach dem Wirkungsgrade desulf urierender Bakterien und dem Mitwirken von Ca-Bakterien können auch kalkig-sulfidische oder bei Überwiegen von Schwefelbakterien sulfatische Absätze (Gips, Baryt), ja sogar elementarer S entstehen. Die Ausscheidung von reinem S wird besonders bei nicht zu hohem Salinargehalt gefördert, da letzterer für die Entwicklung reduzierender Bakterien hinderlich ist. Das häufige Zusammenauftreten von größeren Anreicherungen elementaren S mit sulfatisch-karbonatischen Horizonten kann mit wechselndem Salinargehalt während der Sedimentation in' Zusammenhang stehen. Auch diagenetische Prozesse, deren Abtrennung von den primären Ausscheidungsvorgängen oft nur schwer vorzunehmen ist, können infolge der durch sie hervorgerufenen Veränderung der Oxydations-Reduktionspotentiale die Gleichgewichte bald nach der Sulfat-, bald nach der Sulfid- oder auch nach der S-Seite verschieben. Es sei auch auf die Verknüpfungsmöglichkeit mit vulkanischen Abläufen hingewiesen, indem wiederum in hierzu geeigneten aquatischen Bereichen durch vulkanische Exhalationen ein für bakterielle Tätigkeit günstiges S-Milieu geschaffen wird. An solche Zusammenhänge ist auch für Si und Mn, z. T. auch für Fe zu denken; bei letzteren beiden kann die Einschaltung des biogenen Kreislaufs unterbleiben und eine direkte hydroxydische Ausfällung eintreten. Auf jeden Fall aber sind f ü r S und Si Überbrückungen zwischen biologischen und vulkanisch-exhalativen Vorgängen möglich. Man hat sich auch zu überlegen, daß solche syngenetisch sedimentäre Metallabsätze metamorphosiert werden können und zu Mineralparagenesen führen, die man von ganz anders gearteten Abläufen her kennt. 7

Huttenlodier, Mineral- u. Erzlager 1

98

V. Äußere Form und inneres Gefüge

P h o s p h o r gehört zu den bekanntesten biophilen Elementen. Im sedimentären Zyklus (Bd. II S. 124) ist das hydratische kohlensaure Ca-F-Phosphat, der P h o s p h o r i t , — d e m Apatit in der Zusammensetzung sehr n a h e kommend — eine recht typische biochemische Fällung. Tierische Organismen' aller Entwicklungsstufen b a u e n Phosphorsäure in ihre H a r t t e i l e ein (besonders in Brachiopodenschalen, bis 62°/o in Wirbeltierkn'ochen). P - S ä u r e findet sich auch reichlich in tierischen Ausscheidungen (beim Menschen, täglich e t w a 6 g P2O5), die so zu bedeutsamen K o n zentrationen w e r d e n können (Guano). Auch durch die. Pflanzen w e r d e n erhebliche Mengen gelöster P Säure, die durch die V e r w i t t e r u n g p r i m ä r e r Phosp h a t e f r e i geworden sind, aufgespeichert. W ä h r e n d des Verwesungsprozesses absterbender u n d sich sedimentierender Organismen wird lösliches A m m o n i u m phosphat geliefert, das mit Kalk, AI- oder FeHydroxyd sich zu Phosphorit, AI- (Wavellit) oder F e Phosphat (Vivianit) umsetzt. Es erscheint auch w a h r scheinlich, daß durch bakterielle Tätigkeit die im. Meerwasser gelöste P - S ä u r e angereichert w e r d e n kann. G e r n e t r e f f e n wir Phosphorite in ursprünglich organismenreichen Ablagerungen (Faulschlamm) ari, da Fäulnis die Entwicklung von Mikroorganism e n begünstigt. Andrerseits zeichnen sich Verwitterungsoberflächen mit Regressions-, Transgressionsoder Emersionserscheinungen, w o P-haltige Hartteile rezenter oder fossiler Lebewesen verwittern, durch merkliche Phosphoritkonzentration' aus. V. ÄUSSERE FORM UND INNERES GEFÜGE DER LAGERSTÄTTEN Das Wesen einer Lagerstätte besteht in der lokal e n Anreicherung bestimmter Stoffe und, da solche offensichtliche Inhomogenitäten nicht völlig richtungslos verteilt auftreten, sie also Abweichungen

A. Die Form der Lagerstätte

99

von einem isotropen Zustand bedeuten, erscheint es angezeigt, zunächst 1. ihre F o r m , ihre Abgrenzung gegenüber ihrer Umgebung festzulegen. Dies nützt nicht n u r praktisch — ökonomischen Zwecken, man gewinnt erwünschte Einblicke in das Wesen und die Entstehung der Lagerstätten. Doch darf 2. eine solche Gefügeanalyse nicht bei den Lagerstättenkörpern als Einheit stehen bleiben, sie muß auf deren feiner gegliederte Untereinheiten mit ihren gegenseitigen räumlichen Lagebeziehungen ausgedehnt werden. Dadurch erhält m a n K e n n t n i s von den t e x t u r e i l e n Verhältnissen. Schließlich muß man 3. aber noch eine Orientierung über der Verwachsungsart der zu einer Assoziation zusammengetretenen Mineralien erhalten, man muß also die s t r u k t u r e l l e n Eigenschaften studieren, u m über die internen stofflich — dynamischen Bildungsverhältnisse eines Gesteins oder einer Lagerstätte Aufschluß zu erhalten.

A. Die Form der Lagerstätte als geologischer Körper Die geologischen Körper, welche die nutzbaren mineralischen Stoffe innerhalb eines mehr oder weniger deutlich abgrenzbaren Raumes angereichert enthalten, lassen vorteilhaft 4 Formen mit gegenseitigen Übergängen und weitesten Variabilitäten in den Größenverhältnissen unterscheiden. Wir gliedern in Stöcke, Nester, Lager oder Schichten und Gänge. 1. Stöcke Stöcke stellen 3-dimensional unregelmäßig begrenzte Gebilde dar mit gegenüber dem Nebengestein durchgreifender diskordanter Lagerung, wie sich dies besonders gerne bei magmatischen Durchbruchsgesteinen beobachten läßt, von wo auch die Ausdrucksweise herstammt. 8

Huttenlodier, Mineral- u. Erzlager I

100

v. Äußere Form und Inneres Gefüge

Stöcke und stockartig geformte Erzkörper treffen wir am ehesten bei metasomatischen Anreicherungen an, ohne daß aber auf Grund der beobachteten Mineralisierung in höheren Niveaus ein Grund für eine Weiterfortsetzung derselben in größere Tiefen abgeleitet werden darf, wie es sonst der Begriff Stock eigentlich erwarten läßt. In dieser Beziehung machen aber die Salzstöcke eine ausgesprochene Ausnahme; allerdings ist ihre heutige Umgrenzung eine nachträglich erworbene, tektonische.

Vielmehr handelt es sich um selbständige Bereiche u. U. von solchen Ausmaßen, daß ganze Bergstöcke mineralisiert erscheinen (Erzberg in Steiermark, Bd. II Abb. 5) oder um umfangreiche mehr oder weniger klotzige Nester (Abb. 14) mit oft nur undeutlichem Zusammenhang untereinander. Eine Gebundenheit in der Verteilung der Erzkörper und in ihrer Formgestaltung an die Zufuhrwege der Lösungen hebt sich fast immer hervor, wobei als Zirkulationsbahnen Spaltsysteme, Absonderungsklüfte und tektonische Linien in Betracht kommen (Abb. 21). Bedeutsam kann auch die abdämmende Wirkung durch schwer durchlässige Gesteinszonen werden (siehe Abb. 31, 2). Ferner wird die Leitung der Lösungen Abb. 21. Metasomatis&e Blei -Zinkerae des auch begünAachener-Stolberg-Bezirkes (nach SCHNEIDERstigt durch HOBHN).

A. Die Form der Lagerstätte susgeueichfer Hut-

A b b . 22. V e r t i k a i - P r o f i l und Grundriß durch d i e P i l a r e s M i n e , Sonora, Mexiko.

101

leicht zersetzbare Gesteinspartien, Strukturund Stoffinhomogenitäten. Das erzeugt fallweise recht verschiedene, von Stöcken abweichende, schlauchartige Formen, gangförmige Gebilde, Nester oder Lager. Schlauch(pipe) und schlotförmig sind häufig Vererzungskörper in vulkanischen Tuffen und Brekzien, die von subvulkanischen Intrusivmassen ausgehen (Colorado, Mexiko, Chile). (Abb. 22.)

2. Nester, Schlieren, Linsen und Knollen In enger Beziehung zu Stöcken stehen zunächst Nester; es fehlt ihnen aber das größere Ausmaß und der durchgreifende Lagerungscharakter. Sie stellen örtlich beschränktere Mineralisierungszentren dar, mit völlig unregelmäßiger Begrenzung und häufig diffusem Übergang in das nicht mineralisierte Nebengestein. Am häufigsten trifft man sie unter den metasomatischen. Lagerstätten, doch kennt auch das magmatische Stadium nesterförmige Mineralisierungen, die in Schlieren, Knollen oder Linsen übergehen können. Solche Anreicherungen stehen in Verbindung mit gravitativer Aussonderung besonders von Fe, Cr- und Ti-oxydischen oder auch von' F e 8*

102

V. Äußere Form und inneres Gefüge

2.5

m

A b b . 23 C h r o m i t s d l l i e r e n in P e r i d o t i t , Pingela, P o r t u g a l (nach COT. NEIVA).

sulfidischen Anteilen basischer Magmein (Abb. 23), wobei die Neigung besteht, zu schichtmäßigem Verbände zusammenzutreten. Doch vermögen auch örtliche Konzentrationen von leichtflüchtigen Komponenten in magmatischen Lösungen Schlieren und Nester bestimmter Mineralien zu erzeugen. (Turmalin und Feldspat in Graniten, Ti- u. Cr-Eisen [Bd. II] und Sulfida in basischen Gesteinen; hier wird die Tendenz zu schlauch- und gangförmiger Anreicherung deutlich, Bd. II Abb. 9). 3. Schichten, Lager oder Flöze Sie kennzeichnen sich vor allem durch die 2dimensionale Ausdehnung; sie sind meist einem auch außerhalb der Lagerstätte bestehenden Schicht- oder Schieferungssystem konkordant eingelagert, so daß sich das Darüber- oder Darunterliegende einfach mit „Hangendem", bzw. „Liegendem" bezeichnen läßt. Die schichtförmigen Lagerstätten sind keineswegs stets sedimentierte Bildungen. Sie können nämlich auch epigenetisch sein und dann entweder metasomatisch mit recht verschiedenartigen Abstammungen zusammenhängen oder auch Gangnatur aufweisen (Lagergänge, Abb. 25,1). Selbst liquidmagmatische Mineralanreicherungen sind imstande, ausgesprochenen Schichtchar akter anzunehmen; besonders

A. Die Form der Lagerstätte

103

h i e r f ü r geeignet erscheinen syngenetische Chromitansammlungen als gravitative Kristallisationsdifferentiate in Noriten, Anorthositen und Peridotiten. Überraschend ist die dabei zutage tretende m a r k a n t e Horizontbeständigkeit (Buschfeld, Südafrika). (Abb. 24.) Schichtförmige A n reicherungen, d i e im Verhältnis zu ihren Begleitgesteinen geringere Mächtigkeit Abb. 24. Profil durch den Chromitaufweisen und bald horizont des Bushveldkomplexes (nach DU TOIT). auskeilen, n e n n t man F l ö z e (Abb.25,5), die bei raschem Auskeilen an beiden Enden zu l i n s i g e n Einschaltungen werden. 4. Gänge Sie stellen f ü r recht viele nutzbaren Stoffe die charakteristische körperliche Konzentrationsform dar. Schon Agricola hat in seinem Werk „De re metallica" 1556 ihre Bedeutung und ihre epigenetische N a t u r hervorgehoben. Die plattenförmigen Gangkörper erweisen klar ihre epigenetische Natur, wenn sie diskordant (Abb. 25,2) zu einem älter angelegten Schicht- oder Schieferungssystem a u f t r e t e n ; wenn sie jedoch parallel eingelagert sind, muß eine eingehende P r ü f u n g entscheiden, ob es sich tatsächlich um eine e p i g e n e t i s c h e „ L a g e r " - G a n g b i l d u n g (Abb. 25,1) und nicht um syngenetische flözartige Konzentrationen (Abb. 25,5) handelt. In orogenetisch bewegten Gebieten kann sich eine lagergangartig a u f t r e t e n d e Vererzung als einen epigenetischen Gang entpuppen, dessen ursprüngliche

104

Abb. 25.

V. Äußere Form und inneres Gefüge

Schema

von

Gangbildungen,

diskordante Lagerung durch die Tektonisierung und Angleichung an die Strukturflächen des Nebengesteins ausgewischt worden ist.Die Grenzzone des Ganges bezeichnet man alsSalband(Abb.25,4); sie ist häufig durch besondere Mineralführung oder Gefügeverhältnisse gekennzeichnet, ein Ausdruck dafür, daß eine physika-

oft stellt das Salband n u r eine lettig belegte scharfe tektonische Abgrenzung des Ganges dar. Gänge weisen alle erdenklichen Dimensionen auf; Erzgänge mit 5—10 km Länge und bis zu mehreren 10 m Breite sind keine Seltenheit; natürlich können sie auch nur wenige cm Länge und einige mm Mächtigkeit aufweisen im Gegensatz zum Extrem von einigen 100 km Länge und einigen km Breite (Great Dyke [S.Afr.]). Streichen und Fallen geben die Orientierung ihres Verlaufes an. Die Gangbildung ist im Grunde eine tektonische Erscheinung. Vor allem sind epirogene auf- oder abwärts oder auch seitlich gerichtete Bewegungen die Ursache f ü r die Entstehung von 2-dimensional gestalteten Hohlräumen oder Spaltsystemen, von Fugen oder Kohäsionsminima, welche zu bevorzugten Wegen f ü r zirkulierende Lösungen werden.

A. Die Form der Lagerstätte

105

Solche Bewegungen erfolgen interimistisch und alternierend mit Phasen betonter Stoffwanderung. Nur die Erkenntnis engster Verflechtung von tektonischen mit stofflichen Teilakten kann der sehr oft komplexen Natur der Gangbildungen gerecht werden. Die zeitliche Einordnung der Gangentstehung paßt durchaus in die geologisch-tektonische Entwicklung des betreffenden Gebietes.

Abb. 26. Gangsdiwärme im Dach und am Rande des Granites bei Jobanngeorgenstadt (Sachs. Erzgeb.).

Die Dach- und Mantelregionen, z. B. von Intrusivherden sind entsprechend den in den betreffenden Gebieten herrschenden geotektonischen Verhältnissen von bestimmt orientierten Gangsystemen durchsetzt, auf welchen bald Einzelgänge, bald gescharte Parallelgänge ( G a n g z ü g e ) oder zusammengehörige engere Bereiche mehr oder weniger subparalleler bis divergenter Mineralgänge ( G a n g s c h w ä r m e ) auftreten (Abb. 26).

Je nach ihrer geschichtlichen Entwicklung setzen die Gänge bald im Liegenden, bald im Hangenden

106

V. Äußere Form und inneres Gefüge

oder beiderseits zugleich gegen das Nebengestein scharf ab, ohne daß auch entgegengesetzte Erscheinungen nicht fehlen würden, wie sich solche in Form von vom Gange aus ins Nebengestein entwickelnden I m p r ä g n a t i o n e n (Abb. 25,3) kundgeben. Darin kommt die räumliche und zeitliche Gliederung der Bildungsereignisse zum Ausdruck, die in ihrer Gesamtheit das heutige Bild einer Lagerstätte bestimmen. Auch Gangabzweigungen oder -gabelungen sind häufig; Aufteilen in mehrere sich verjüngende Äste nennt man Z e r s c h l a g e n des Ganges, was oft bei Übertritt in milderes Gestein eintritt. Aufsplitterung des Ganges in mehrere unregelmäßig angeordnete Seitenäste wird mit Zertrümerung (Abb. 25) bezeichnet. Schon ursprünglich können Gänge Anschwellungen und Verdünnungen aufweisen, dies verleiht ihrem Auftreten ein perlschnurartiges Aussehen; besonders Pegmatite neigen dazu; aber auch durch nachträgliche Tektonisierung wird eine solche Ausbildung erreicht (Bd. II, Abb. 25). Daß die zu ein und demselben Mineralisierungsgroßakt gehörende Gangbildung über geologisch lange Zeiten anzudauern vermag, geht aus viel gemachten Beobachtungen hervor; diese lassen einen Wechsel in der Orientierung der Gangsysteme erkennen, der als Folge verlagerter tektonischer Kräfteeiriwirkung während der geologischen Geschichte der betreffenden Erdkrustenteile anzusehen ist. Während der Alters- und Richtungswechsel der Klüfte vollzieht sich aber auch ein Wechsel in der Zusammensetzung der zur Mineralabgabe befähigten Lösungen. Dadurch kommt es zu sich kreuzenden Gängen, zu einem G a n g n e t z , dessen verschiedene Richtungen abweichenden Mineralinhalt aufweisen (Bd. II Abb. 31). Geeignete Räume für die Mineralisierung werden aber nicht nur durch die weit ausgedehnten Ver-

A. Die Form der Lagerstätte

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werfungs- und Dislokationsspalten geschaffen, sondern sie werden sich überall dort einstellen, wo in kleineren Bereichen durch zerrende Kräfte Risse und Sprünge entstehen und den Zutritt von Lösungen gestatten. Dadurch erhöht sich die Mannigfaltigkeit der Ganglagerstätten besonders in den Kleinformen. Hierher gehören die L e i t e r g ä n g e (Abb. 27,2 u. 3), die quarz- und erzerfüllte Kontraktionsspalten in Eruptivgesteinsgängen darstellen und mit ihrer Anordnung quer zum Verlauf des Muttergesteins wie die Sprossen einer Leiter aussehen. Auch besonderer Art sind die „Saddel r e e f s" (Abb. 27.1), die dadurch entstehen, daß sich die hintereinanderliegenden Scheiteil einer gefalteten inAbb. 27. Gangtypen. 1. „Saddle Reef"-GoIdkompetenten quarzgänge (schwarz) Bendigo Victoria. 2. „Leiter-Gänge" Woods Point, Victoria, durchGesteinsfolge setzen rechtwinklig einen steil fallenden mit Quarz und Eruptivgang. 3. „Leitergänge" Beresowsk, Ural, ost-westErz anfüllen. verlaufend, durchsetzen N-S-streichende, horizontal geklüftete Porphyrgänge mit ZerSchließlich setzungshof. sind starre Gesteinsbänke auch an nur mäßig ausgebildeten Antiklinal- und Synklinalumbiegungen oder an Flexuren

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V. Äußere Form und inneres Gefüge

(Abb. 28 und Bd. II Abb. 23) für die Entwicklung von Spannungsrissen besonders geeignet, so daß sich hier spaltenund rißerfüllte Mineralisierungszentren, die bis zur Brekzierung gehen können, ausbilden. In den letzterwähnten Fällen sind Entwicklungen nach der metasomatischen Vererzung meist weitgehend vorbereitet. B. Texturelle Gefügeverhältnisse der Lagerstätten In der Regel zeigt eine Lagerstätte keine stoffliche Homogenität, sondern ist differenziert. Dabei interessieren die Verteilungsweise der Komponenten, das t e x t u r e i l e Gefüge, aber auch die Verwachsungsverhältnisse zwischen den einzelnen Mineralien und Mineralarten, die S t r u k t u r . Die Erzlagerstätten enthalten nach einer schon immer im Erzbergbau gepflogenen Einteilung dreierlei Anteile: 1. Erze, 2. Lager- bzw. Gangarten, 3. Lager- bzw. Ganggesteine. Das Mengenverhältnis zwischen Erz und den unter 2 und 3 aufgeführten Anteilen kann außerordentlich wechseln und die Abbauwürdigkeit in Frage stellen. Die letzterwähnten Lagerstättenkomponenten gelten im allgemeinen als unerwünschtes taubes Material. Doch können fallweise auch Gangarten für den Abbau in Betracht kommen und als Rohstoffe Verwendung finden (z. B. Fluorit, Baryt, Siderit).

B. Texturelle Gefügeverhältnisse

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1. Texturen der Ganglagerstätten Besonders eine formale Betrachtung der Ganglagerstätten führt zu der vorerwähnten Gliederung. Erze und Gangarten gehören als zugeführte Stoffe ein und demselben Mineralisierungsgroßakt an; die Ganggesteine dagegen sind in die Lagerstätte hineingeratene Nebengesteinsbrocken oder Komplexe eines wenig oder überhaupt nicht mineralisierten Altbestandes. Der texturelle Aufbau läßt zwei durch Ubergangs- und Mischcharakter miteinander verbundene Extreme erkennen: nämlich 1. den B ä n d e r - oder L a g e n t y p , 2. den B r e k z i e n t y p . Die Entstehung dieser beiden Ausbildungen ist nun ganz durch den geologischen Entwicklungsverlauf einer Ganglagerstätte bedingt. Erfolgt die Gangbildung vorwiegend durch zerrende Kräfte allein und werden die entstehenden Spalten durch die Ausscheidung der aufsteigenden Lösungen von den Kluftwänden her ausgefüllt, so wird eine parallel dem Salband verlaufende L a g e n - o d e r B ä n d e r t e x t u r (Abb.29) zustande kommen. Der jüngste Stoffabsatz findet so in' der Mitte eines b i l a t e r a l s y m m e t r i s c h gebauten Ganges statt. Vollzieht sich die Weitung der Kluft rascher als die Füllung, so bleibt in der Mitte ein klaffender Spaltenraum übrig, in welchen die letzten zirkulierenden Lösungen ihre Stoffe in wohlausgebildeten Kristallen' absetzen können. Hält die zerrende Aufweitungstendenz über die ganze Dauer der komplexen, vielphasigen Gangbildung an, ohne mit Bewegungen in der Streich- oder Fallrichtung verknüpft zu sein, was dann meist zur Zertrümmerung und Brekzierung der bereits gebildeten Absätze führt, so wird die Kluft an schon bestehenden Diskontinuitäten (Grenze Garig-Nebengestein oder an den verschieden mineralisierten Lagen) aufgerissen und die Möglichkeit f ü r neuen Stoffabsatz geschaf-

V. Äußere Form und inneres Gefüge ... .. n S i d e r i t u.Quarz

grobkg.Siderit

De,ails

Siderit Kalzit

Ciemenge von Quarz,Siderit Kupferkies, Pyrit, Fahlen, ¿in K blende, Arsenkies,Bleiglana 4- c m Abb. 29.

Ciemenge von Quarz,Siderit Federerz, Bleiglanz,2'blende

Erzgang mit s y m m e t r i s d i - I a g e n f ö r m i g e r T e x t u r Böhmen. Mikroskopische Details Bd. II, S. 82.

Pribram,

B. Texturelle Gefügeverhältnisse

111

fen. Neuabsatz bedeutet aber keineswegs Ausscheidung auf offenen Spalten, sondern jede Differentialdiagnose eines scheinbar n u r einfach gebauten Ganges überzeugt immer wieder, wie sehr „ I n n e r e Gangmetasomatosen" (siehe Details zu Abb. 29 Bd. II, Abb. 30 a, b) an der Entwicklung einer Ganglagerstätte beteiligt sind, und wie sehr raumschaffende c h e m i s c h e K r ä f t e mitwirken. Schon makroskopisch lassen die krustig-lagig gefügten Mineralien Pseudomorphosencharakter erkennen (z. B. Fluorit nach taflig-blättrigem Schwerspat, Quarz nach Kalzitrhomboeder usw.). Die Erscheinungen der innern Gangmetasomatose sind grundsätzlich dieselben, wie wir sie an metasomatisch entstandenen Lagerstätten antreffen; vor allem aber ist es das mikroskopische Bild, das uns die nötigen Aufschlüsse über die stofflichen Umsätze, welche schließlich das heute vorliegende Produkt hervorbrachten, liefert. Wohl in verhältnismäßig n u r seltenen Fällen v e r läuft aber eine Gangbildung ohne Brekzierung, die nicht n u r die älteren Phasen des Gangabsatzes erfaßt, sondern oft recht erheblich auch ins Nebengestein übergreifen kann. Auf diese Weise verflechten sich Erz, Gangart und Ganggestein aufs innigste. Es kommt zur Bildung von G a n g b r e k z i e n und B r e k z i e n e r z . Selbstverständlich sind in solchen Gängen auch D r u s e n r ä u m e möglich; dies dann, wenn entstandene Hohlräume, die nach erneutem Auseinanderreißen oder die auch durch auslaugende Wirkung späterer und spätester Phasen erzeugt werden, durch allerletzten Stoffnachschub keine völlige Schließung erfahren. Die K o k a r d e n oder R i n g e l e r z e (Abb. 30) sind Bildungen, die sich besonders gern auf brekzierten Ganglagerstätten einstellen. Der k r u s t e n - und lagerartige Absatz gestattet die zeitliche Stoffdifferentiation, die Sukzessionsfolge, festzulegen. Daß dies bei komplexen Ganglagerstätten schwieriger wird, als bei einfach gebauten, ist

112

V. Äußere Form und inneres Gefüge

C D A l t e r e r Ü 3 Kalzit g l j / -kniende l . ~ 1 Jüngerer H B Bieiglanz l.v.v'l Sandftein , . S 3 Mergelkalk Abb. 30.

Kokardenerz,

Clausthal,

Harz.

leicht verständlich. Sie wird dort besonders deutlich abgeleitet w e r d e n können, wo es sich um Wandauskleidungen der oben erw ä h n t e n Drusenr ä u m e handelt. Diese liefern sehr oft ein höchst w e r t volles Material f ü r kristallmorphologische B e t r a c h t u n gen (Flächen- und Kombinationspersistenz, Abhängigkeit der Kristallt r a c h t von lokalen Bildungseinflüssen (Beispiele am Kalzit von Freiberg, Andreasberg, Ujmoldova usw.).

Hierher gehört auch die alpine Zerrkluftmineralisation mit ihren geochemischen und kristallmorphologischen Problemen (S. 68). 2. Erzfälle E r z f ä l l e , Gangveredelung, ore shoots, Colonnes minéralisées. Unter diesen Bezeichnungen sind die auf Ganglagerstätten lokalisierten Erzanreicherungen verstanden; sie werden im Bergbau zu einem höchst wichtigen Problem, das aber noch keine genügend befriedigende wissenschaftliche Lösung gef u n d e n hat. Die Erscheinungen können physikalisch oder chemisch bedingt sein.

B. Texturelle Gefügeverhältnisse

113

Physikalische Ursachen d ü r f t e n dann vorliegen, wenn sich in den Gängen die E r z f ü h r u n g dort anreichert, wo die von den Gängen durchsetzten Faltensysteme des Nebengesteins Antiklinalbau aufweisen. (S. Abb. 28,1). Dasselbe gilt f ü r die vermehrten Erzgehalte an den durch K l u f t - und Drusenräume erweiterten Gangstellen. Auch Stauwirkung an der Grenze zu lithologisch anders beschaffenen Gesteinen ist möglich (siehe Abb. 31,2), Chemische Ausfällung wird durch kohlig - b i t u m i n ö ses Nebengestein ausgelöst (s. Abb. 31,3) oder durch Gesteine begünstigt, die basische Silikate enthalten; Abb. 31. Etzfälle in Gängen. 1. Erzfälle an von Erzgängen durdiquerten Antiklinalen, u. U. verbindet sich flacher Riß, "Tombstone-Distr. Arizona (nach d'amit die Wirkung CMURCH). 2. Erzfälle in Gang der Braunspatformation, Himmelsfürstfundgrube, Freivermehrter Oberberg, Sa., flacher Riß des Erzganqes (nach flächenkräfte und H. MUELLER). 3. Goldfällung in Quarzgängen an Kreuzunq mit kohiig-pyritisdien der Adsorption, Schiefern. Ballarat-Goldfield, S.-O. Austral, wie sie f ü r quell(nach PICKARD). 4. Ausfällung von CuErz durch hornblendeführenden Granit b a r e Mineralien (nach WEED).

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V. Äußere Form und inneres Gefüge

Abb. .32. Veredelung der Erzführung an sich kreuzenden Gängen. Flacher Riß des „Neue Hoffnung Flachen", Freiberg/Sa. (nach MUELLER).

typisch ist und die dadurch gleichzeitig auch zu Aufstauungen befähigt werden. Die Erscheinungen der „topomineralischen" (SCHNEIDERHOEHN) Reaktionen erhalten so einen komplexen Charakter. Daß so Kreuzungsstellen verscMedenaltriger Erzgänge zu bevorzugten Erzanreicherungen werden können, ist durch die Erfahrung schon längst bestätigt (Abb. 32).

3. Texturen im Kleingefüge Die im kleineren Handstück und mikroskopischen Bereich feststellbaren Texturverhältnisse sind aber nicht weniger aufschlußreich. In allen 3 Gesteinsbildungszyklen können wir schichtig-lagiger Paralleltextur begegnen, wobei linear gestreckt, gefältelt, flatschig, lentikular flasrig und fluidal den speziell leren Charakter selbst genügend kennzeichnen. Ein Handstück von solchem Texturtyp wird dann unschwer die 3 Ebenen mit Haupt-(H), Längs-(L) und Querbruch (Q) erkennen lassen (Abb. 33). Die Hauptebene entspricht der S-Ebene = ausgesprochene Teil-

B. Texturelle Gefügeverhältnisse

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barkeitsebene, die genetisch recht verschieden sein kann. Fließ- und Erstarrungstexturen schließen sich in der bildlichen Gestaltung an und werden ebenfalls in den verschiedenen Bildungsabläufen erzeugt. Fließtexturen sind in Tektoniten recht häufig anzutreffen. Der heterogendifferentielle Charakter eines kleineren Bereiches kann sich dadurch äußern, daß von lokalisierten Kristallisations- 3' zentren aus sich radialstrahlige Ausscheidungen ein- oder zweidimensional gebauter Abb. 33. Die 3 Hauptebenen der Paralleltextur. Kristalle entwickeln (Turmalin, Aegirin, Graphit [Abb. 34,1], Chlorit). In der Mehrzahl der Fälle zeigen solche s p h ä r o l i t h i s c h e Aggregate gleichzeitig noch schaligen Aufbau (Ooide), mit chemischer Differenzierung der einzelnen Schalen und gesonderter radialfasriger Textur (Beisp. Fe-Oolithe Bd. II Abb. 6). Nierig

Abb. 34. Texturelle Gefügeanordnungen. 1. Graphitsphärolithen in Pegmatit, Ilmenreservat Ural, 2. Manganhydroxyddendriten, Solnholnei' Kalk, Bayern. 3. Hornblendegarben mit Granatidioblasten (Mitte oben), Hornblendegranatserizitschiefer, Tremola, Gotthard. 9

Huttenlocher, Mineral- u. Erzlager I

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V. Äußere Form und inneres Gefüge

aussehende Überzüge weisen innerlich meist solche teilsphärische und radialstrahlige Kristallisationen auf. K o n k r e t i o n e n haben bei beliebig gerundeter Umgrenzung eine weniger gut geregelte Textur ihrer Kryptokristallinität. Findet das Keimen und die weitere Kristallentwicklung unter der beengenden Einwirkung zwischen Schichtflächen statt, entstehen D e n d r i t e n oder G a r b e n wie Fe- und Mnhydroxyddendriten oder Hornblendegarben (Abb. 34,2 u. 3). Zur textureilen Charakterisierung gehören auch die Hohlräume, welche, allerdings in recht verschiedenem Ausmaße, praktisch keiner natürlichen Mineralaggregierung fehlen. Sie spielen nicht n u r f ü r die technische Verwendung der Gesteine eine fundamentale Rolle, sondern sie sind als die Rezipienten von im Gestein enthaltenen Gasen und Flüssigkeiten f ü r dessen weiteres geologisches Verhalten von allerhöchster Bedeutung. An dieser Stelle handelt es sich weniger um die Kapillaren oder Mikroporen (Durchmesser kleiner als 0,005 mm) sondern um D r u s e n (unregelmäßig geformte Hohlräume mit teilweisem Neukristallat an den Wänden) und um die kleiner dimensionierten M i a r o 1 e n.

C. Strukturelle Gefügeverhältnisse 1. Kristallinität, Korngröße und Mengenbeziehungen Zunächst interessiert der Grad der Kristallinität, der mit der Lupe n u r zwischen kristallin und dicht zu unterscheiden gestattet. Dicht kann aber bei Verwendung leistungsfähigerer Untersuchungsmittel (Ultra- und Übermikroskopie, Röntgenographie) immer noch als kristallin mit Korngrößen < 0,0002 mm Durchmesser angesprochen werden (mikroskop. Auflösungsgrenze). Ist dies dann nicht mehr der Fall, so wird man den amorphen, glasigen

C. Strukturelle Gefügeverhältnisse

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Zustand annehmen müssen. Plutonische und metamorphe Gesteine sind völlig kristallin, h o l o k r i s t a l l i n (Abb. 35,1 u. 2), Ergußgesteine weisen oft mit 2 oder mehr Erstarrungsgenerationen neben kristallinen Phasen (Einsprenglinge) eine glasige, h y a l i n e , Grundmasse auf ( h e m i k r i s t a l l i n ) (Abb. 35,2).

Abb. 35. Strukturelle Gefügeanordnungen. 1. G r a n o b l a s t i s c h e S t r u k t u r , Zwillingslamellierte Kalzitkörner berühren sich gegenseitig in einem Mosaik- oder Pflastergefüge. Marmor von Carrara. 2. H o l o k r i s t a l l i n g l e i c h k ö r n i g e Erstarrungss t r u k t u r . Das verfestigte granitische Magma läßt mit einem panidiomorph-körnigen Gefüge eine Ausscheidungsfolge erkennen: 1. Biotit (Mitte rechts) mit noch früher ausgeschiedenen Apatiten (6 eckige und säulige Umgrenzung). 2. Hornblende (zeitlich mit 1 übereinstimmend). 3. Zwillingslamellierter Plagioklas. 4. Orthoklas. 5. Quarz. Granodiorit Traversella (Oberitalien). 3. H e m i k r i s t a l l i n e Erstarrungsstruktur. Idiomorphe Plagioklase (oben rechts und links), Biotit (Mitte links) und Hornblende (unten links) als größere Einsprenglinge in glasiger Grundmasse. Diese selbst von einer intermediären Kristallmasse, reich an leistenförmigen Plagioklasen mit teilweisem Fluidalgefüge durchsetzt. Plagioklaseinsprenglinge zeigen Glaseinschlüsse, Glimmer und Hornblende magnetitreichen Reaktionssaum, Andesit v. California USA.

Für verfestigte Gesteine scheint sich nachstehende vereinfachte Korngrößeneinteilung zu bewähren. 9*

V. Äußere Form und inneres Gefüge

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durchschnittl. Korngrößendurchmesser in mm > 33 10 1 0,1 0,01

bis 10 bis 1 bis 0,1 bis 0,01 bis 0,001

Körmgkeitsbezeichnung

riesen- bis sehr grobkörnig grob- bis mittelkörnig klein- bis feinkörnig sehr feinkörnig, prakt. dicht dicht

Völlig glasig erscheinende Erstarrungsprodukte lassen fast stets mikrolithisch-skelettf ö r m i g e Kristallisationen oder nachträgliche Entglasungszentren erkennen. Von einer hyalinen Grundmasse vermitteln k r y p t o - bis feink r i s t a l l i n e und m i k r o k r i s t a l l i n e Ausbildungen bis zu holokristallin-gleichk ö r n i g e n Entwicklungen. In der Hauptsache drücken die verschiedenen Kristallinitätsgrade die Erstarrungsgeschwindigkeit aus; die langsamste erzeugt höchste Kristallinität. Für Lockergesteine gilt: Korndurchmesser in mm 200 200 20 2 0,2

0,02 0,002 0,0002

•20

• 2 • 0,2 • - • - •

0,02 0,002 0,0002

Fraktion Block Grob- 1 Fein- i Kies Grob- \ Sand Fein- ) GrobFeinTon Kolloid-

Bezeichnung

Psephite Psammite Pelite

Eine befriedigend sichere Bestimmbarkeit von Kristallarten durch das Polarisationsmikroskop liegt oberhalb 5 p Kristallquerschnitt. Unter der Voraussetzung solcher Größenverhältnisse können aus

C. Strukturelle Gefügeverhältnisse

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einem heterogenen Mineralgemenge die Mengenverhältnisse der einzelnen Mineralarten ermittelt werden. Für verschiedene Zwecke (Verrechnung des Mineralbestandes einer chemischen Bruttoanalyse, technisch - ökonomische Untersuchung) erscheint ein flächenhaftes Ausmessen von mikroskopischen Dünnschliffpräparaten zur Ermittlung der prozentualen Volumanteile erwünscht („Verwendung von Integrationstischen"), auch werden Auszählmethoden von Körnerpräparaten angewandt. Die Gleichartigkeit von Gesteinsoder Lagerstättenkörper läßt gewisse nicht unerhebliche chemisch - mineralogische Variationen zu. Dies und die Festlegung von Beziehungen zu geologisch verwandten Einheiten erfordern Ermittlungen

Über

_ . . _,

.,..,,

...

,.

T a b . 4. E x t e n s i t ä t d e r M i n e r a l i e n a u f Z i n n l a g e r s t ä t t e n (nach C I S S A R Z )

120

V. Äußere Form und inneres Gefüge

die Häufigkeit der Verbreitung = Extensität (gemein, verbreitet, usw. (Tab. 4) und über die Menge des Auftretens = Intensität (in großen Mengen, in Mengen, deutlich usw.). Hauptgamengteile sind verbreitet und mindestens in deutlichen Mengen vorhanden. Nebengemengteile sind gemein und treten in geringen Mengen auf. Übergemengteile (Akzessorien) finden sich zerstreut bis selten mit mindestens deutlicher Intensität vor. 2. Gegenseitige Verwachsungsverhältnisse der mineralischen Gesteinskomponenten. Die Art und Weise, in welcher die eine Mineralassoziation aufbauenden Mineralien miteinander verwachsen sind, gewährt uns die tiefsten Einblicke in deren Werdegang. Die Verwachsungsart hat auf die physikalische Beschaffenheit eines Gesteins bedeutenden Einfluß. Sie kann sich auch bestimmend auf die Wahl des Aufbereitungsverfahrens eines technisch nutzbaren Stoffes auswirken und dessen Verwendungsmöglichkeit in Frage stellen.

Weitverbreitet ist die x e n o m o r p h (allotriomorph) körnige Struktur: Kristalle stoßen ganz beliebig aneinander, ohne von den für sie typomorphen Kristallflächen begrenzt zu sein. (Salzgesteine, Quarzit, Marmor [Abb. 35,1], könnig struierte Lagen kristallisationsschiefriger Gesteine). Aus einer komplexeren Lösung, z. B. aus einer Granitschmelze, ist bei langsamer Abkühlung fraktioniertes Ausscheiden möglich und bei nicht zu großer Kristallkeimdichte eine teilweise Eigengestaltigkeit (panidiomorph) und auch die Ableitung einer Ausscheidungsfolge möglich (S. 117, Abb. 35,2), letzteres dadurch, daß früher Ausgeschiedenes vom Nachfolgenden eingeschlossen wird. Wirklich i d i o m o r p h e Ausbildung, Eigengestalt, allerdings mit teilweisen Korrosionserschei-

C. Strukturelle Gefügeverhältnisse

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nungen zeigen die Erstausscheidungen (Einsprenglinge) in rasch erstarrter Grundmasse (Abb. 35,3). Idiomorphe Kristallisationen im gesteinsmäßigen Verbände sind ferner weitverbreitet in Metamorphiten (Porphyroblasten wie z. B. Granat) (Abb. 34,3) und sind der Ausdruck höheren Kristallisationsvermögens gegenüber den übrigen Lösungsanteilen im System. Ähnlich liegen die Verhältnisse in unbeeinflußten Sedimenten (Steinsalzkristalle in Salzmergel, Pyritwürfel in Topschiefern). Mit I m p l i k a t i o n s g e f ü g e (Abb. 36) bezeichnet man das Durcheinandergreifen verschiedener Kristallarten; dieses verlangt recht oft ein besonders eingehendes Studium, da genetisch damit recht Verschiedenes verknüpft sein kann. Echtes Eutekt (S. 34), also gleichzeitige Restausscheidung zweier oder mehrerer Komponenten mit konstantem Mengenverhältnis liegt selten vor,weit häufiger sind euAbb. 36. Implikationsgefüge. tektisch aussehende, also Verwachsung von Fe (weiß) und Fes (schwarz). Aus Rinde des eutektoide Verwachsungen Meteoriten von Utzenstorf mit beliebigen Mischungs(Schweiz). verhältnissen. Mineralgemenge aus schuppigen oder strahligen Mineralien bestehend, schaffen n e m a t o b l a s t i s c h e bzw. f i b r o b l a s t i s c h e (Bd. II, Abb. 2) Strukturen und verleihen dem Gestein eine hervorragende Zähigkeit (Serpentin, Nephrit, Jadeit). Gesellt sich zu derartig struierten Mineralassoziationen eine sie ein- und umschließende Grundmassesubstanz (Feldspat, Quarz), entsteht p o i k i l o b l a s t i s c h e Struktur (typisch für Prasinite).

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VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

Mit dieser letzterwähnten Struktur ist die Tendenz zur Bildung von V e r d r ä n g u n g s s t r u k t u r e n schon weitgehend angestrebt. Eine dem Verwachsungsstudium vermehrt geschenkte Aufmerksamkeit der letzten Jahre hat erkennen lassen, daß an der Bildung der Eruptivgesteine mehr Verdrängungsvorgänge beteiligt sind, als die Vorstellung von der Erstarrung einer Magmaschmelze früher erwarten ließ. Die gegenüber dem Frühstadium in der Spätphase der magmatischen Verfestigung wesentlich veränderte Restlösung weist Charaktere auf, welche man bei Lösungen antrifft, die in metamorphen Zyklen ihre metasomatisierende Wirkung ausüben. (Schwierigkeit der Trennung von primären und sekundären Erscheinungen.) Verdrängung von Olivin durch Pyroxen, von Pyroxen durch Hornblende und von Hornblende durch Glimmer entsprechend diskontinuierlichem Reaktionsverlauf (S. 48); Serpentinisierter Olivin, Pyroxen usw. Z o n a r s t r u k t u r (Schalenbau) kann sich während des vorerwähnten diskontinuierlichen Reaktionsverlaufs als Umrandungsprodukt der Frühausscheidung oder während des Kristallwachstums durch Einbau von Fremdmaterial bilden; sie kennzeichnet auch Mischkristalle mit variabler Zusammensetzung der Anwachsschalen (Abb. 7 a). VI. METALLOGENETISCHE EPOCHEN UND PROVINZEN Die Ausführungen über den inneren und äußeren Stoffkreislauf haben erkennen lassen, daß sich Elementkonzentrationen unter bestimmten physikochemischen Bedingungen entwickeln, die durch die jeweilige geologische Situation des betreffenden Erdrindenstückes bestimmt werden. Der erdgeschichtliche Ablauf ist zyklisch gegliedert; entsprechend

VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

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sind auch sich wiederholende Epochen mit Stoffanreicherungen oder -zerteilungen möglich. Dies gilt in gleicher Weise f ü r endogene wie auch f ü r exogene Abläufe. Die zeitlich und räumlich sich gliedernden eruptiven, metamorphen und sedimentären Epochen bzw. Provinzen werden wir mit entsprechenden metallogenetischen Zeitaltern bzw. M e t a l l - und M i n e r a l p r o v i n z e n in Korrelation setzen können. Die Bedeutung einer durch magmatische Aktivität gespiesenen Vererzung wird nirgends klarer hervortreten als bei der Betrachtung des andinen Orogengürtels von Alaska bis hinunter nach Chile. Hier treten seitliche Bewegungen zurück, dagegen dominieren die vertikalen mit aktivem Empordrängen plutonischer Schmelzmassen. Eine so gewaltige Massierung granodioritischer Erstarrungsprodukte, die im Zeiträume von Spätjura bis Jungtertiär in zwei Folgen (nevadisch-älter- und laramisch-jünger-) gefördert wurden, hat sich auf der Erde kaum mehr wiederholt. Sie klingt aus in reichlicher Förderung von mittel- bis spättertiären Laven und deren Tuffe. Die ganze stoffliche Differentiationsbreite spät- bis postmagmatischer Phasen hat sich hier dank günstiger PT-Verhältnisse, unter welchen die durchbrechenden Plutonitkörper und die subvulkanischen Intrusionen standen, fixieren können. Zahllose endmagmatische pegmatitische Restlösungen mit seltenen Erden, Li, Mn, P usw. durchsetzen gangartig die Peripherie der erstarrten Schmelzmassen und deren Rahmenkomplexe. In ungezählten Kontakthöfen wurden auf pneumatolytisch-metasomatischem Wege bedeutende Mengen an Fe, Cu, Pb, Zn, Ag abgegeben. Diese Stoffe machen zusammen mit den auch gangförmig fixierten, deren frühere Stadien sich durch Au-Gehalte besonders auszeichnen, die bedeutenden Metallreserven der beiden Amerika aus.

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VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

Im N sind es Alaska, Yukon, Brit. Columbien, in den USA. die Staaten Washington, Idaho, Oregon, Nevada, Montana, Utah, Colorado, Arizona, N.Mexico. In Mittelamerika, besonders in Mexiko, sind die größten Silberschätze der Welt zusammen mit CuErzen angehäuft worden und in der bolivianischen Küstenkordillere sind es die markanten und reichen Sn-Ag und teilweise auch Cu-Erze, die sich mit subvulkanischer Tätigkeit verknüpfen. Diese Zusammenhänge sind nicht zuletzt deshalb so klar, weil es sich um den jüngsten Orogengürtel handelt, der von keiner nachfolgenden Erdkrustenumformung mehr erfaßt worden ist. Je älter eine primär gebildete Vererzung ist, desto weniger hat sie Aussicht, noch in der ursprünglichen Natur aufzutreten. Recht verschieden zum pazifischen Kordillerengürtel ist die Metallogenese der gleichaltrigen alpinen Orogonese. Der hier sehr zurücktretende spätorogene Plutonismus und die beträchtliche Horizontalverfaltung und Deckenüberschiebung waren für die Entwicklung von Vererzungen, wie sie für das westliche Amerika so typisch sind, kaum förderlich. Dagegen zeigen vor allem die Westalpen, gemessen an ihren arealen Ausmaßen und verglichen mit den westamerikanischen Verhältnissen, reichlich sehr charakteristische Mineralisierungen, die mit dem initialen basischen Vulkanismus mit seinen sogenannten ophiolithischen Magmen zusammenhängen. In dem von Ophiolithen durchsetzten westalpinen (penninischen) Sedimentationstrog bildeten sich magnetitreiche Konzentrationen, kiesreiche Lagen und mangan-eisenoxydische Horizonte. Großenteils handelt es sich um subaquatische Emanationen von Si, Fe, Mn und S der basischen In- und Extrusionen und um vulkanisch-sedimentär gekoppelte Bildungen. Mit der Weiterentwicklung des sich anfänglich

VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

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tieffaltenden Substratums, das anschließend unter den Einfluß der mobilisierten hochsteigenden Lösungen zu stehen kam, entstanden orogen metamorphe typisch alpidisch geformte Lagerstätten. Die spätorogene Plutonitphase saurer Intrusionen mit zugehörigen Metallen ist nur spärlich entwickelt. Die Ostalpen, deren Orogentrog größtenteils von den ostalpinen Decken überlagert wird, zeigen schon eher wieder Vererzungen, die auf die Einwirkungen des periadriatischen Plutonismus und seiner Nachphasen zurückgeführt werden können mit bedeutenden metasomatischen Verdrängungen durch Fe und Mg eines früheren kalziumkarbonatischen Altbestandes verschiedener Alterszugehörigkeit. Noch ergiebiger und klarer entwickeln sich die Beziehungen zwischen magmatischer Tätigkeit und Vererzung im Gebirgszuge Karpathen-Balkan, die eine Metallprovinz anstreben, wie sie im gleichaltrigen andinen Gürtel vorliegt, ohne aber quantitativ an diese heranzukommen. Immerhin ist der Karpathenbogen, Europas reichster Goldsilbergürtel, gebunden an die tertiären Vulkanite von SchemnitzKremnitz, von Nagybanya und von Siebenbürgen. Die vorausgehenden kretazischen Plutone und Subvulkane liefern zahlreiche metasomatische Cu- und Fe-Lagerstätten. Dem westalpinen ophiolithischen Vererzungstypus entsprechen durchaus ähnliche Verhältnisse in den Kaledoniden Skandinaviens und im Devon Deutschlands und Böhmens (Fe-oxydische KeratophyrDiabas-Erze, Kiese, z. T. Mn). Sie sind offensichtlich mit dem initialen basischen Vulkanismus des palaeozoischen Zyklus verknüpft. Sein spätorogener saurer plutonischer Abschnitt hat die reiche Vererzung der deutschen Mittelgebirge mit ihren räumlich und zeitlich wohl differenzierten metallischen Gangabfolgen gebracht (Sn-W-Pneumatolyse, Cu-

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VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

Erze, Co-Ni-Ag-, dann Pb-Zn-Erze). Man spricht deshalb von g e r m a n o t y p e r Vererzung im Gegensatz zu alpinotyp-kaledonischer. Die im sedimentogenen Ablauf sich einstellenden Metallanreicherungen lassen sich ebensogut zeitlich und räumlich abgrenzen, wie dies f ü r die magmatisch abgeleiteten zutrifft. Gebiete bestimmter Sedimentationsräume, Gebiete mit bestimmten klimatischen Faktoren stellen bestimmte Metallprovinzen dar. So haben die tertiären Verwitterungsoberflächen Zentraleuropas eine Fülle von oxydisch-hydroxydischen Fe-Mn-Erzanreicherungen (Hunsrücktyp) geschaffen und haben sich in jüngsten Zeiten in Zentralafrika, in Indien und auf Kuba z. T. enorme Fe-Mengen als Lateriterze angereichert; ähnlich verhält es sich mit Bauxitvorkommen. Während des Perms sind auf verschiedenen Kontinenten die ariden Kupferkonzentrationen z. T. mit U, Ra, oft auch mit P b und Zn (Typus Red Bed) entstanden. Wiederholt stellten sich übereinstimmende Bedingungen in Zusammenhang mit Meerestransgressionen ein (Silur, Devon, Dogger, Oberkreide, Alttertiär), die zu oolithischen Fe-Erzen führten. Die bituminösen Zechsteinschiefer Deutschlands entwickeln sich zu Cu-Konzentrationen, die von Zuflüssen aus Hochgebieten gespiesen werden, wo Abtrag metallführender Gänge stattfindet. (Kupferschiefer.) Schließlich erscheint es sehr bezeichnend, daß im uralten Präkambrium (alte Schilde) vielfach ungeheure Mengen von Eisenquarziten und Eisenglimmerschiefern angetroffen werden. (Brasilien, Brit. Indien, Südafrika, Ukraine, nördl. Norwegen), die u. U. Absatzprodukte der damals vegetationslosen oder -armen Zeiten darstellen. Es treten aber auch solche auf, die allerfeinste Kieselbänderung aufweisen (Jaspilite) und die mit basischen, jetzt

VI. Metallogenetische Epochen u. Provinzen

127

metamorphen Grünsteinschiefern in Zusammenhang stehen, wodurch Abstammung von gekoppelt sedimentär-vulkanisch-exhalativen Vorgängen wahrscheinlich wird. Nachträgliche Metamorphosen und Oberflächenumlagerungen, z. T. auch alte Oberflächenanreicherungen, haben die Ausgangsnatur dieser alten Vorkommen sehr verändert. Hierher gehören die gewaltigen Fe-Lagerstätten der Lake Superior Fe-Provinz von USA.

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Göschen:

N r . 210: W . B r u h n s , n e u b e a r b e i t e t v o n P. R a m d o h r , K r i s t a l l o graphie. N r . 432 u n d 433: H. B o r c h e r s , Metallkunde. N r . 173: B r u h n s - R a m d o h r , Petrographie. N r . 29: B r a u n s - C h u d o b a , Mineralogie. N r . 13: L o t z e , G e o l o g i e .

128

Register Register

abyss is di (hyp-) 44, 57 allochemisdi 62 AI (OH)s-Fällung 70, 80 apomagmatisch 58 Atmophilie 21 Ausscheidungsfolge magmatisch 35 marin 91 autometamorph 55

Gesteinskunde Geysir 56

Bauxit 79 Biophilie 21 Biosphäre 12 Blastese 65 Böden 71 Chalkophilie 21 Clarke-Zahl =- Verteilungszahl 17 diadoch 26 Diagenese 60, 97 Differentiation 41 disseminated ore 63 Dolomitbildunq 89 Dunitsdiale 13 Durchläufer 59 Dynamometamorphose 65

Idealgitter 28 inkongruenter Schmelzpunkt 38 intramagmatisch 57 Ionisationspotential 19 isomorpher Mischkristall 26, 37

Eisenhydrolysat 71, 80, 82, 85. 86 Eisenhydrosilikat 86 Eisenooid 86 endogen 43 Entmischung 27 epigenetisch 50 Erdalkaliensulfate 89, 90, 97 Erdkern 14 Erdkruste 13 Ersetzbarkeit 27 Erz 6 Erzfälle 112 Eutekttyp 34 Exhalationslagerstatten 55 Extensität 119 Faulschlamm 96 Flußwasser 11 Frühkristallisation 18 Fumarolen 56 Ganq 103 Gangformation 54 Geochemie 9 geolog. Thermometer 58 Geosphare 9 Gestein 6

6

Heteromorphie 6, 30 Hydrolysat 70, 73 hydrophil 30 hydrophob 30 Hydrosol 30 Hydrosphäre 10 hydrothermal 46, 53, 54

Kalkbildung 88, 95 Katathermal 58 Kieselgestein 95 Koagulation 31 Kokardenerz 111 kolloidale Lösung 30 Konkretion 116 Kontaktmetasomatose 63 Korngröße 118 Koordination 25 Kristallchemie 21 kristalline Schiefer 6" Kristallisationsbahn 36 Kristallisationsdifferentiation 47 Lagerstätte 8 Lithosphäre Zusammensetzung 15/16 liquidmagmatisch 45 liquidmagm. Entmisdiunq 50 Manganhydrolysat 71 82," 86 Massenwirkungsgesetz 30, 31 mesothermal 58 metamorph 43 Mineral 6 Mischkristall 26 Modifikation 33 Mylonit 65 nieder-(epi)thermal 58 Nickelhydrosilika te 83 Ordnungszahl 6 orthomagmatisch 45 Oxydationszone 76 Ozeanwasser 10

Paralleltextur 114 peaniatitisch-pneumatolytisch 45 Pegmatite 51 Pektisation 31 Peptisation 31 perimagmatisch 58 period. System 22 Phosphorit 98 plastische Verformung 28 Plutonismus 44, 47 pneumatolyt. Fazies 52 Protokristallisation 18, 48, 49 Raumgitter 24 Realgitter 28 Rejuvenation 58 Residuen 74 Salze marine 91 — terrestrische 94 Schalengiiederung 13 Schwefel - Kreislauf 56, 96 Sedimente 72 Siderophilie 21 SiOs-Sol 70, 81 Skarn 64 Solfataren 56 Spätkristallisation 19 Sprossung 66 Stress 65 Struktur 99 subaquatisch 57 subvulkanisch 47 suprakrustal 57 syngenetisdi 50 Telekristallisation 19 telemagmatisch 58 Textur 99, 109 Thermen 56 Thermometamorphose 61 Tiefenstufe geotherm. 14 — metamorphe 67 Tonerdesilikate 74, 79 Ultrametamorphose verdampfen 44 Verdrängung 62 Verteilungszahl 17 vulkanisch 46 Zementationszone 77

67

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