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Bildung irdischer Minerale entschlüsselt

57 "Grundrezepte" und 10.500 Kombinationen machen Mineralvielfalt der Erde einzigartig

Opalisierter Ammonit
Dieser opalisierte Ammonit demonstriert das Zusammenspiel von Biologie und Mineralbildung. Die Schale des Urzeit-Tiers bildete die Grundlage für die darauf entstandenen Kristallformen. © ARKENSTONE/ Rob Lavinsky

Gepresst, geschockt, gebacken oder von Lebewesen produziert: Die knapp 6.000 irdischen Minerale gehen auf 57 verschiedene „Grundrezepte“ und mehr als 10.500 Bildungsvarianten zurück. Das ergab die erste umfassende Katalogisierung der Mineralbildung auf unserem Planeten. Sie enthüllt, dass beispielsweise der Diamant auf neun verschiedene Weisen entstehen kann, beim „Katzengold“ Pyrit sind es sogar 21. Rund 80 Prozent der Minerale entstanden zudem unter Wasser-Einfluss, bei etwa 50 Prozent spielte die Biologie eine Rolle.

Die Erde besitzt eine im Sonnensystem einzigartige Vielfalt von Mineralen: Knapp 5.800 Minerale sind bisher offiziell benannt und beschrieben, mindestens 1.500 weitere könnten noch auf ihre Entdeckung warten. Viele dieser kristallinen Verbindungen sind extrem selten und kommen nur an einem Ort auf der Erde vor. Andere sind allgegenwärtig und haben als gesteinsbildende Minerale das Aussehen und die Entwicklung unseres Planeten geprägt.

Beryll
Während die bisherige Mineralklassifikation nur die Chemie und Kristallstruktur berücksichtigt, unterscheidet die neue Sicht auch nach Bildungswegen. Ein solcher Beryll kann beispielsweise auf verschiedene Weise entstehen. © ARKENSTONE/ Rob Lavinsky

57 Grundrezepte, mehr als 10.500 Varianten

Doch wie, wo und wann sind all diese Mineral entstanden? Diese Frage beantwortet nun erstmals eine umfassende Katalogisierung der Bildungswege aller bekannten Minerale. „Keiner hat diese große Aufgabe zuvor angepackt“, sagt Erstautor Robert Hazen von der Carnegie Institution for Science in Washington DC. Gemeinsam mit seiner Kollegin Shaunna Morrison hat er im Laufe der letzten 15 Jahre untersucht, auf welche Weise die knapp 5.800 bekannten irdischen Minerale entstehen können.

„Diese Arbeit verändert unsere Sicht auf die Mineralvielfalt des Planeten fundamental“, sagt Hazen. Denn viele Minerale können nicht nur auf eine Weise gebildet werden, sondern durch mehrere unterschiedliche Prozesse. Wenn man diese verschiedenen Bildungsmöglichkeiten zusätzlich zur Kristallstruktur und chemischen Zusammensetzung berücksichtigt, gibt es sogar 10.556 verschiedene Mineralformen oder paragenetische Mineralmodi, wie de Forscher es nennen. „Jedes Mineralexemplar hat eine eigene Geschichte und jedes ist ein Fenster in die irdische Vergangenheit“, sagt Hazen.

Patrick Cordier von der Universität Lille in Frankreich kommentiert: „Hazen und seine Kollegen haben die bisherige Sicht auf Minerale grundlegend verändert. Minerale werden nun zu Zeugen und Landmarken in der langen Geschichte der Materie.“

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Wasser und Biologie als prägende Kräfte

Konkret identifizierten Hazen und Morrison 57 verschiedene „Grundrezepte“ durch die die Natur Minerale erzeugen kann. „Mehr als 80 Prozent aller irdischen Minerale werden beispielsweise unter Wassereinfluss gebildet. Dieses Element ist daher von entscheidender Bedeutung für den Mineralreichtum unseres Planeten“, sagt Hazen. „Gleichzeitig erklärt dies, warum Merkur, Mond oder Mars viel weniger Mineralsorten haben als die Erde.“ Mindestens 4.583 Minerale verdanken demnach ihre Entstehung der Wechselwirkung von Wasser und Gestein.

Rund 50 Prozent aller bekannten Minerale sind direkt oder indirekt mit biologischen Prozessen verknüpft. 1.900 Minerale – 34 Prozent – können sogar nur biologisch gebildet werden, darunter sind die kristallinen Komponenten von Schalen, Knochen und Zähnen, aber auch Minerale aus kristallisiertem organischem Material entstehen wie Ölschiefer, Steinkohle oder Guano. Weitere Kristallformen verdanken ihre Entstehung erst dem durch die ersten Algen in die Atmosphäre freigesetzten Sauerstoff.

Calcit
Calcit ist ein klassisches Beispiel für Minerale, die durch Mitwirkung von Wasser entstehen. © ARKENSTONE/ Rob Lavinsky

Mehr als 600 menschengemachte Minerale

Zu dieser Gruppe der Minerale gehören auch 603 Varianten, die es ohne uns Menschen nicht gäbe. 264 von ihnen sind durch den Bergbau entstanden: Sie bildeten sich an den Wänden alter Minen, in Erzhalden oder Gruben, die erst die chemischen und klimatischen Bedingungen für ihre Entstehung schufen. 234 weitere Minerale entstanden durch Feuer, beispielsweise in Kohlenflözen oder den gezielten Brand von Keramik, Ziegeln oder Kalk. 143 Minerale entstanden zudem durch die Metallverarbeitung und die dabei anfallende Schlacke.

Zu diesen offiziell als Mineralen anerkannten anthropogenen Feststoffen kommen tausende weitere, die nicht als offizielle Minerale gelten, wie die Forschenden berichten. Zu diesen gehören unzählige menschengemachte Halbleitermaterialien, photonische Kristalle, synthetische Edelsteine oder Speziallegierungen. „All diese Stoffe aus dem anthropozänen Zeitalter werden noch Millionen von Jahren in geologischen Schichten erhalten bleiben“, so das Team.

Ursprung schon in der Erd-Frühzeit

Auch in Bezug auf ihre Entstehungszeit gibt es deutliche Unterschiede zwischen den Mineralen: „Der größte Teil der irdischen Mineralvielfalt geht auf die ersten 250 Millionen Jahre unseres Planeten zurück“, berichten Hazen und Morrison. 3.534 Mineralsorten sind wahrscheinlich schon in dieser irdischen Frühzeit entstanden sein. 296 Minerale könnten sogar älter sein als die Erde selbst, weil sie schon im Staub der Urwolke auskondensierten oder in frühen Asteroiden gebildet wurden. Einige in einem Meteoriten entdeckte Mineralkörnchen könnten sogar schon sieben Milliarden Jahre alt sein.

Interessant auch: 41 seltene Elemente haben einen überproportional großen Anteil am irdischen Mineralreichtum – darunter Übergangsmetalle wie Cadmium und Molybdän, aber auch Edel- und Schwermetalle wie Gold, Silber, Arsen, Quecksilber, Uran, Tellur oder Wolfram. „Obwohl diese Elemente weniger als eines von 10.000 Atomen in der Erdkruste ausmachen, sind sie in rund 2.400 Mineralen – 42,4 Prozent – eine essenzielle Komponente“, erklären Hazen und Morrison.

„Katzengold“ ist Spitzenreiter der Rezept-Vielfalt

Die Studie enthüllt auch, dass sich die Minerale in der möglichen Zahl ihrer Bildungswege stark unterscheiden. So können 59 Prozent der bekannten Kristalle nur auf jeweils eine Weise entstehen. Immerhin ein Viertel der Minerale hat zwei verschiedene Möglichkeiten der Bildung. Bei acht Prozent der kristallinen Feststoffe gibt es aber mehr als vier verschiedene „Rezepte“, die zu ihrer Entstehung führen können. Neun Minerale haben sogar 15 und mehr Bildungsformen.

Pyrit
Pyrit (Katzengold) kann auf 21 verschiedene Arten entstehen – dieses Eisensulfid ist damit Spitzenreiter unter den Mineralen. © ARKENSTONE/ Rob Lavinsky

Spitzenreiter ist dabei der Pyrit: Dieses auch als „Katzengold“ bekannte Eisensulfid-Mineral hat 21 verschiedene Möglichkeiten der Entstehung. Die Spanne reicht von Vulkanausbrüchen, Kohlebränden, Meteoriten, hohen Temperaturen, wässrigen Umgebungen, der Verwitterung und hydrothermalen Quellen bis hin zu mikrobiellen Bildungswegen.

Zu den Mineralen mit jeweils 18 Bildungsformen gehören Korund, Hämatit, Magnetit und Albit, immerhin noch 17 „Rezepte“ gibt es für Calcit, Hornblende und Rutil. Das wichtige gesteinsbildende Mineral Quarz hat 14 verschiedene Bildungswege. Diamanten können immerhin noch durch neun verschiedene Prozesse gebildet werden. Neben dem „klassischen Rezept“ von hohem Druck und Hitze im Erdmantel entstehen die Kohlenstoffkristalle auch durch Kondensation in der Gashülle ausgebrannter Sterne oder durch Meteoriteneinschläge.

Bedeutsam auch für andere Planeten

Die neuen Erkenntnisse über die irdischen Minerale sind auch bedeutsam für die Suche nach Leben im All und die Erforschung fremder Planeten. „Welche mineralbildenden Bedingungen gibt es auf Mond, Mars und anderen terrestrischen Welten? Indem wir paragenetischen Modi erfassen und jede Mineralart einer oder mehreren dieser Kategorien zuordnen, können wir auch extraterrestrische Minerale aus einer neuen Perspektive betrachten“, schreiben Hazen und Morrison.

Auf dem Mars beispielsweise hängt die Mineralvielfalt entscheidend davon ab, ob und wie lange es auf dem Planeten Wasser gab und in welcher Form. Die Mondminerale wiederum können verraten, wie der Erdtrabant sich in seiner Frühzeit entwickelt hat. Und bei Exoplaneten stellt sich die spannende Frage, ob es auf ihnen vielleicht Mineral-„Rezepte“ gibt, die bei uns völlig fehlen. „Wenn wir die Evolution der Minerale verstehen, dann eröffnet uns dies neue Wege, den Weltraum zu erforschen und nach habitablen Planeten und extraterrestrischem Leben zu suchen“, kommentiert Anhuai Lu, Präsident der International Mineralogical Association. (American Mineralogist, 2022; doi: 10.2138/am-2022-8099)

Quelle: Carnegie Science Earth and Planets Laboratory

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