Von Christoph Lenz

Allgemeine Definition – Das Homogenitätsproblem

Die Definition des naturwissenschaftlichen Begriffs Mineral scheint auf den ersten Blick ziemlich einfach zu sein. Jedoch bemerkt man allein beim Aufschlagen zweier unterschiedlicher Lehrbücher zu diesem Thema doch erhebliche Differenzen in der Aussage, ja sogar Gegensätze. Die Problematik der Definition von Mineralen ist streng genommen noch nicht gelöst. Worin bestehen die Schwierigkeiten?

Allgemein wird festgehalten, dass Mineralien die stofflich einheitlichen (in Fachkreisen auch homogenen) natürlichen Bestandteile der Erdkruste sind.

Diese Definition ist ziemlich einfach und oberflächlich, aber die ersten Problematiken lassen sich schon allein an dieser Definition aufzeigen. Bereits bei näherer Auseinandersetzung mit den ersten Begriffen treten Schwierigkeiten auf. Wie einheitlich sind die Minerale in Wirklichkeit? Die Chemie zeigt uns eine stöchiometrische Zusammensetzung der Substanzen mit Hilfe der chemischen Formel. Die Mineralien halten sich in den meisten Fällen nicht an diese vorgegebene ideale Zusammensetzung. Sehr oft sind einzelne Bestandteile im Kristallgitter durch andere Elemente teilweise ersetzbar. Das wird dadurch möglich, dass verschiedene atomare Bausteine ähnliche Atom- bzw. Ionenradien besitzen und so gegeneinander austauschbar werden. Ein Beispiel für diesen Gesichtspunkt wäre Wolframit (Mn,Fe)WO₄.

Es ist anzumerken, dass der mit der Klammer getätigte Ausdruck nicht der regulären Schreibweise der Chemie entspricht. Die Mineralogen verwenden diesen Ausdruck um zu verdeutlichen, dass der Mangan-Anteil in dieser Verbindung innerhalb eines angeblich homogenen Minerals mit dem Eisen austauschbar ist (und umgekehrt). Eine andere Mischkristallreihe bildet der wichtige gesteinsbildende Olivin mit der allg. Formel (Mg,Fe)₂[SiO₄]. Er besitzt sogar die dazugehörigen Endglieder. Es sind Forsterit Mg₂[SiO]₄ und Fayalit Fe₂[SiO]₄. Beide unterscheiden sich deutlich durch die Härte (Forsterit 3,8; Fayalit 4,2 nach Mohs). Alle dazwischen liegenden prozentualen Verteilungen der beiden Variablen Mg und Fe sind Mischformen.
Neben dem Auftreten von Mischkristallen spielen auch andere Arten von “Defekten” eine Rolle. Das Problem entsteht durch den Unterschied zwischen theoretisch-perfektem Idealkristall und dem in der Natur vorkommenden Realkristall. Während die idealisierte Kristallstruktur sich periodisch in alle drei Raumdimensionen fortsetzen lässt, treten beim Realkristall eine Vielzahl von Fehlern in der Struktur auf.

Das können Punktdefekte, wie Fremdbausteine, Fehlordnungen (Schottky- und Frenkel- Fehlordnung), auch die bereits besprochene Mischkristallbildung gehört dazu, Liniendefekte, wie Stufenversetzung und Schraubenversetzung, oder Flächendefekte wie Kleinwinkelkorngrenzen, Stapelfehler und Zwillingsgrenzen, sein. Eine ganze Reihe oft komplizierter Fehler verdeutlicht, dass die Homogenität im engeren Sinne nicht gewährleistet ist.
Häufig führen gerade diese Unstetigkeiten in der Zusammensetzung und Struktur des Minerals selbst zu dessen markanten Eigenschaften. Ein Beispiel stellt eine Gruppe allochromatischer (fremdartig gefärbter) Mineralien dar. Sie werden in ihrem Aufbau durch die Anwesenheit einiger “Fremdatome” physiko-chemisch verändert, in diesem Falle die äußerlich sichtbare Farbe des jeweiligen Minerals.

Verfärbungen dieser Art treten z.B. beim Rosenquarz SiO₂, Halit NaCl, Beryll Al₂Be₃[Si₆O₁₈], oder ganz besonders beim Turmalin (Na,Li,Ca)(Fe,Mg,Mn,Al)₃Al₆[(OH)₄(BO₃)₃Si₆O₁₈] auf, wobei die wieder in den Klammern stehenden und durch Kommata getrennten Elemente Mischreihen bilden (> Mischkristalle) und jeweilig bis zu einem bestimmten Grad austauschbar sind.
Mineralien sind sehr vielmehr heterogen als homogen. Beim Turmalin treten aufgrund dieser Variabilität der Zusammensetzung in ein und derselben Stufe oftmals eindeutige Phasenunterschiede auf. Für uns zeigt sich das in wunderschönen, ja einzigartigen Mustern. Jeder wird erkennen, dass der Anteil rötlicher Farbe chemisch zumindest in Spuren etwas anderes sein muss als die grüne Phase. [Bild: Turmalin]
Auch strukturfremde Einschlüsse z.B. von Gasen oder Wasseranteilen und darin gelöste Elektrolyte schwächen die Annahme, Minerale sind homogen im Sinne von chemisch einheitlich.

Ein weiteres Gegenargument liefert das Vorkommen zonar gebauter Kristalle, so wie es z.B. beim Plagioklas oft auftritt. Sie entstehen, wenn die Kristallisation aus der Schmelze sehr rasch verlief, wobei am Kristall Schicht um Schicht auskristallisiert und jede neue Schicht, am Beispiel des Plagioklas verdeutlicht, zunehmend Ca-reicher wird, weil der Anteil des Natrium als erstes auskristallisiert. Durch eine derartige rasante Abkühlung der Schmelze besteht keine Chance, dass das Kristallisat noch mit der Schmelze reagieren kann um die beiden ähnlichen Elemente annähernd gleich aufzuteilen, bevor eine neue Schicht auskristallisiert.
Beladen mit dem ersten Problem wenden wir uns anderen Definitionsversuchen zu. Natürlich finden sich bei verschiedenen Autoren die unterschiedlichsten Definitionen des doch schwierigen Begriffs “Mineral”. Es scheint, als wäre man sich in der Fachwelt noch nicht wirklich einig, was denn nun ein Mineral speziell sein soll.

A.G. BETECHTIN – Problem “Natürlichkeit”

Minerale sind die Bestandteile der Gesteine und Erze, die sich voneinander durch ihre chemische Zusammensetzung und ihre physikalischen Eigenschaften (Farbe, Glanz, Härte usw.) unterscheiden. [...] Genetisch gesehen sind Minerale natürliche chemische Verbindungen (seltener gediegene Elemente) und treten als natürliche Produkte physiko-chemischer Prozesse auf, die sich in der Erdrinde vollziehen.

A.G. Betechtin: Lehrbuch der speziellen Mineralogie; Hrsg. Prof. Dr. habil H.J. Rösler; 6. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974

BETECHTIN stellt ganz klar heraus: Minerale sind natürliche chemische Verbindungen. Zugleich ergänzt er, dass sie natürliche Produkte in der Erdrinde ablaufender physiko-chemischer Prozesse sind. Die vielfach in der Industrie hergestellten synthetischen Mineralien sind demnach keine Mineralien. Nun beschäftigen sich heutzutage fast 80% der Mineralogen der größtenteils Angewandten Mineralogie nur noch mit künstlich hergestellten Gegenstücken der natürlichen Minerale. Vor allem im werkstoffkundlichen Bereich haben die meisten mit Mineralien im Sinne der oben genannten Definition nichts mehr zu tun. Muss die Definition erweitert werden, sodass 80% der Mineralogen sich auch wirkliche Mineralogen, also Naturwissenschaftler die sich mit der Lehre der Mineralien beschäftigen, nennen dürfen?

Das technisch äußerst rein hergestellte Silizium ist für die Mikroelektronik und Halbleitertechnik von höchster Wichtigkeit und erlangte in der Vergangenheit große wirtschaftliche Bedeutung. Der technisch hergestellte Rubin (Al₂O₃), mit Chrom dotiert, lieferte das erste Material, dass zur optischen Erzeugung von Lasern verwendet wurde. In einem anderen Bereich der Optik kommt der technisch hergestellte Flourit (CaF₂) zur Anwendung. Auch bei der Verhüttung wird er als Flussmittel (Flussspat) eingesetzt. Nicht zuletzt ist auch der künstliche Diamant (C) als Schmuckstein oder im handwerklichen Bereich als Schleif- oder Schneidematerial bekannt. Es handelt sich in jedem Fall um die technischen Analoga der Minerale, die auch in der Natur vorkommen und auf natürliche Art und Weise gebildet wurden.

Zum Thema “natürlich gebildet” gab (oder gibt?) es eine ganz andere hitzige Debatte. Die Problemstellung entstand bei der Klassifizierung neuer Mineralien vorzugsweise sedimentärer Neubildungen auf Halden. Man nimmt an, dass es eigentlich keine Schwierigkeiten machen würde, schließlich sind sie ja natürlich (von der Natur her) gebildet worden. Nun, ist die Errichtung von Abraumhalden jedoch ein typisch anthropogener Einfluss. Einige kluge Köpfe kamen auf die Idee, dass ohne die künstliche Anlegung bergbautechnisch notwendiger Abraumhalden auch die darauf neu gebildeten Minerale nicht natürlichen Ursprungs sein können. Natürlich schließt sich die triviale Frage an, ob man heutzutage den allgemeinen Einfluss des Menschen einfach ausklammern kann und soll? Man vergleiche dazu die derzeitige Diskussion um den Grad der anthropogenen Beeinflussung bei der Veränderung des globalen Klimas.

HURLBUT & KLEIN / TROMMSDORF & DIETRICH – kristallin?

A mineral is a naturally occurring homogeneous solid with a definite (but generally not fixed) chemical composition and an ordered atomic arrangement. It is usually formed by inorganic processes.

(Ein Mineral ist ein natürlich vorkommender homogener Festkörper mit einer definierten (aber allgemein nicht festgesetzten) chemischen Zusammensetzung und einer geordneten atomaren Struktur. Es wird gewöhnlich durch anorganische Prozesse gebildet.)

C. S. Hurlbut, Jr.; C. Klein: Manual of Mineralogy, John Wiley & Sons, Inc. 1977

HURLBUT & KLEIN sind bei ihrer Definition schon etwas genauer. Auch hier wird vorausgesetzt, dass ein Mineral natürlich vorkommen sollte, um als solches zu gelten. Im Unterschied zur vorigen Definition von BETECHTIN wird jedoch deutlich, dass ein Mineral homogen im Sinne vom einheitlichen Stoffbestand her ist (also kein Mineralgemenge, was ein Gestein wäre), was die chemische Zusammensetzung angeht jedoch nicht starr fixiert sein muss.

Es existiert sozusagen ein ideales Grundmuster (“definite chemical composition”) einer chemischen Zusammensetzung, dass durchaus leichte Abweichungen aufweisen kann.
Der anschließende zweite Teilsatz wirft aber schon wieder eine ganz andere Frage auf. Hier wird definiert, dass jedes Mineral eine geordnete atomare Struktur besitzt. Vereinzelt sind einige im Allgemeinen zu den Mineralen zählende Arten nicht kristallin, besitzen demnach also keine Periodizität bzw. Fernordnung in ihrem atomaren Aufbau. Beispiele wären in diesem Zusammenhang Vertreter der Tonminerale wie Allophan oder Imogolit. Es existiert auch eine amorphe Form des SiO₂, den Lechatelierit, benannt nach dem berühmten Chemiker, Metallurge und Physiker LE CHATELIER (1850-1936). Dieses Mineral ist sozusagen reines Siliziumdioxid-Glas und entsteht z.B. bei Blitzeinschlägen in Quarzsand oder bei Impaktereignissen.

Diese Vertreter scheinen nach HURLBUT & KLEIN nicht zu den Mineralen zu zählen. Keine kristalline Struktur aufweisende Minerale werden traditionellerweise als amorph (gestaltlos) bezeichnet. Beim Vorstoß in immer kleinere Dimensionen, die heutzutage technisch möglich sind, treten mit diesem Begriff jedoch Probleme auf. In der Natur kommen äußerlich “amorphe” Mineralien sogar gehäuft vor: Malachit und Azurit in Überkrustungen, der Hämatit als Ausbildung des Glaskopfes oder der Opal etc. (die Liste kann man lange weiterführen). Durch die Methodik der Röntgenbeugung (initiiert von Max von Laue 1912) kann man heute die Realstruktur der Mineralien im atomaren Bereich sichtbar machen (Röntgenbeugungsdiagramme etc.). Genaue Untersuchungen ergaben, dass viele Mineralien trotz ihrer äußerlich nicht erkennbaren regelmäßigen Ausbildung eine kristalline innere Ordnung besitzen, demnach nicht amorph sind.

Sie bestehen aus vielen, mit dem Auge nicht erfassbaren, Mikrokristallen, die letztendlich kristallin sind. Mineralien mit derartigem Auftreten kleinster “Kriställchen” werden mit dem Begriff mikrokristallin umschrieben. Malachit und Azurit weisen solche Ausbildungen auf, der Hämatit ebenso. Sogar der Opal, der traditioneller Weise oft als nicht kristallin bezeichnet wird, tritt in verschiedenen Varianten und Übergängen auf. Man unterscheidet beim Opal drei strukturelle Formen: Opal-A(morph), Opal-C(ristobalit) und Opal-T(ridymit); letztere sind keineswegs amorph. Da nun der Opal-A sehr selten vorkommt, ist es fachlich nicht ganz korrekt grundlegend zu behaupten Opal sei amorph.
Trotz dieser Feststellungen bleiben doch einige Minerale übrig, die wirklich auch unter den Ergebnissen der Röntgenbeugung keine innere Struktur aufweisen. Sie bezeichnet man mit dem viel anschaulicheren Begriff röntgenamorph. Röntgenamorphe Vertreter machen nur ein ganz geringen Prozentsatz der heute ungefähr 3500 bekannten Mineralarten aus. Doch zählen diese, da sie keine geordnete atomare Struktur besitzen, nach HURLBUT & KLEIN folglich nicht zu den Mineralen.

TROMMSDORFF & DIETRICH sind bezüglich der kristallinen Eigenschaft der Mineralien als nötiges Kriterium wieder ganz anderer Meinung:

Ein Mineral ist ein fester, natürlicher Bestandteil unserer Erde. Minerale sind (meist) Kristalle oder (seltener) amorphe Substanzen.

V. Trommsdorff & V. Dietrich: Grundzüge der Erdwissenschaften (Vorlesung für Universität und ETH Zürich [Kristallographie, Mineralogie, Petrographie]); vdf, Hochschulverlag AG an der ETH; 5., überarbeitete Aufl.; Zürich 1994

Nach dieser Definition können Minerale sowohl kristallin als auch amorph (röntgenamorph) sein. Allerdings ist zu bedenken, dass auf der anderen Seite natürliche Glase wie z.B. vulkanisches Glas (Obsidian), aufgrund ihrer fehlenden kristallinen inneren Struktur nicht zu den Mineralen gezählt werden, es zählt als Gesteinsglas, da auch die Zusammensetzung relativ unbestimmt ist.

SCHRÖCKE & WEINER – Homogenität

Mineralien sind phasenkohärente, ausreichend beständige Naturkörper fester Aggregatzustände. Mineralien entstehen auf natürliche Weise, ohne zutun des Menschen – in und auf der Erde oder im Kosmos. Mineralien können sowohl Kristalle als auch amorphe Festkörper sein.

H. Schröcke & K.L. Weiner: Mineralogie; Walter de Gruyter (Verlag); Berlin – New York 1981

Diese Definition erkennt im zweiten Satz ebenfalls eindeutig sowohl kristalline, als auch amorphe Mineralien als solche an. Auch Mineraliensammler erkennen in den meisten Fällen amorphe Mineralien als Minerale in diesem Sinne an, denn kaum ein Mineraliensammler hätte sich sagen lassen, dass seine wunderschöne Opalstufe SiO₂ nichts in einer Mineraliensammlung verloren hat, weil beim Opal allgemein angenommen wird, dass er keine innere geordnete Struktur besitzt. So unterschiedlich wie die Meinungen sind, so unberechenbarer ist die Aufstellung einer allgemeingültigen Definition.

SCHRÖCKE & WEINER umgehen allerdings das Homogenitätsproblem auf elegante Weise, in dem sie den Begriff der kohärenten Phasen einführen und der Homogenität geschickt aus dem Wege gehen. Als Phase bezeichnet man eine Anhäufung von vielen Teilchen, die über ein weiten Raum homogen im Sinne von gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften ist. Liegen zwei oder mehr Phasen nebeneinander, so ist die Grenze zwischen diesen die Phasengrenze, an denen sich die Eigenschaften schlagartig ändern.

Allerdings tritt auch bei der Diskussion um Phasen das Homogenitätsproblem auf, denn je nach Genauigkeit der Betrachtung kann ein Stoff als einphasig oder mehrphasig betrachtet werden. Das Gestein Granit ist im handgroßen Stück sehr wohl ein mehrphasiger Stoff (bestehend aus Feldspat, Quarz und Glimmer – die vergess’ ich nimmer), in Bezug zum Aufbau der Erdkruste bzw. -mantel sind die Phasen so klein, dass sie als eine Phase angesehen werden.

Es sieht so aus, als wenn auch der Phasenbegriff in Bezug auf unserer Fragestellung her scheitert und abhängig von der willkürlichen Definition ist. Allerdings gibt es bei dem Begriff der Phase ein kleines Hintertürchen: In gewissem Maße sind Inhomogenitäten erlaubt. Die leichte Änderung der Zusammensetzung eines Minerals verursacht nicht die abrupte Änderung physiko-chemischer Eigenschaften und tritt vielmehr statistisch auf. Darum ist die Einführung einer neuen Phase in diesem Zusammenhang nicht gerechtfertigt, obwohl man beim Turmalin und seinen starken Farbänderungen an dieser Stelle schon wieder bedenken haben kann. Wenn nicht daran, dann scheitert der Phasenbegriff am Kristall selber, denn beim Übergang zu einem anderen Kristall ändern sich sprunghaft richtungsabhängige Eigenschaften wie Härte, Spaltbarkeit, Pleochroismus, etc. Natürlich vorkommende Minerale treten häufig in Kristallverbänden einer Mineralart (Aggregaten) auf, in denen somit viele “Phasen” koexistieren. Dennoch sind sie nur ein Mineral und nicht mehrere.

RÖSLER / PERKINS & DEXTER / MATTHES – anorganisch?

Minerale sind stofflich homogene, meist feste kristalline und anorganische Körper der natürlichen Materie.

Rösler: Lehrbuch der Mineralogie, 2. Auflage, Leipzig 1981

RÖSLER macht es kurz und prägnant, liefert sich dadurch aber schutzlos unseren Problemfragestellungen aus. So tritt das Homogenitätsproblem, das Problem der kristallinen Struktur und das Problem “Natürlichkeit” wieder auf. Gleichzeitig wird eine neue Frage aufgeworfen, die sich auch schon bei bisherigen Definitionsversuchen oft stellt: Sind alle Mineralien von ihrer stofflichen Zusammensetzung her anorganisch? Unser STRUNZ von dem die Einteilung der heute geläufigen und allg. anerkannten Einteilung der Mineralien stammt, verzeichnet als letzte Mineralklasse die Mineralien organischer Substanzen wozu unter anderen auch Bernstein, feste Kohlenwasserstoffe und Salze organischer Säuren, wie der Whewellit Ca(C₂O₄)*H₂O, zählen. Es scheint, dass die Definition und allgemeine Praxis schon wieder nicht übereinstimmen. PERKINS & DEXTER z.B. sehen die Abgrenzung zu anorganisch-organischen Mineralien etwas weiter:

Minerals must be crystalline solids, formed as a result of geological processes. They are generally inorganic [...]. They must also have a well-defined chemical composition.

(Minerale müssen kristalline Festkörper sein, die durch das Ergebnis geologischer Prozesse gebildet wurden. Sie sind allgemein anorganisch. [...] Sie müssen ebenfalls eine definierte chemische Zusammensetzung besitzen.)

Perkins & Dexter: Mineralogie; (University of North Dakota); 2nd ed. © 2002 by Prentice Hall; Inc. Upper Saddle River

Für PERKINS & DEXTER sind die Mineralien im Allgemeinen anorganisch. Allerdings schließen sie organische Substanzen nicht vollkommen aus. Aber es zeigt sich, dass auch hier die anderen Problemfragestellungen in vielen Fällen offen bleiben (kristalline Struktur, Natürlichkeit, Homogenität in Ansätzen).

Minerale sind homogene natürliche Festkörper der Erde, des Monds und anderer Himmelskörper. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, sind Minerale anorganisch und kristallisiert.

Matthes; Mineralogie; 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, NewYork, 1996

MATTHES umgeht das Problem in seiner Definition wie auch PERKINS & DEXTER einfach, indem er die Möglichkeit von Ausnahmen mit einbezieht, wodurch er den Mineralbegriff in dieser Hinsicht weiter ausdehnt: Ausnahmen bestätigen schließlich die Regel. Wie ist dieses Problem auch anders zu lösen? Verzichtet man auf die Eigenschaft des anorganischen Stoffaufbau findet sich keine Grenze zu anderen biologischen und chemischen Stoffen, die zwar in Chemie und Biologie Platz finden aber nicht in der Mineralogie. Viele organische Substanzen, wie z.B. Vitamine und Proteine, zeigen ebenfalls einen eindeutigen Kristallbau, wodurch bei der Erforschung solcher biologisch wichtigen Substanzen die Kristallographen (das sind auch Mineralogen) ziemlich oft zu Rate gezogen werden. Vitamine etc. jedoch fallen auf keinen Fall in die Rubrik Mineralien. Nun, wo ist die Grenze? Selbst feste Kohlenwasserstoffe, von denen man eher was aus der Chemie gehört hat, zählen nach STRUNZ zu Mineralien der 9.Klasse: organische Substanzen.
Auch bei MATTHES treten die grundlegenden Probleme wieder auf. So tritt wieder ganz klar das Homogenitätsproblem und das der Natürlichkeit auf. Fast nicht bemerkbar, weil eigentlich logisch und selbstverständlich, schleicht sich bei MATTHES und auch bei den anderen vorher analysierten Definitionen eine andere Problematik ein. Bei allen Autoren außer BETECHTIN ist für die Zugehörigkeit einer Substanz zu den Mineralen der feste Aggregatzustand notwendig.

NICKEL – Der Aggregatzustand

E. NICKEL macht dies besonders deutlich:

Die in der Natur vorkommenden chem. Substanzen heißen – sofern sie bei Temperaturen unserer Umwelt fest sind – Minerale.

E. Nickel: Grundwissen in Mineralogie; 4. Auflage 1992 Ott Verlag Thun

Abgesehen von dem Problem der Natürlichkeit und das Kristallin-Problem, die hier wieder auftreten, sowie der kompletten Nichtachtung der Problematik anorganisch-organisch, nach der theoretisch sämtliche festen, natürlichen, chemischen Stoffe unserer Natur, wie Cellulose, pflanzliche als auch tierische Aufbaustoffe allgemein, Mineralien sowie Gesteine etc. zu den Mineralen gezählt werden müssten, legt NICKEL besonderen Wert auf den Aggregatzustand bei Temperaturen unserer Umgebung. Ob man es glaubt oder nicht, nach Meinungen der Naturwissenschaftler zählt sogar gefrorenes Eis, sowie das erst bei -38,8°C starr werdende Quecksilber zu den Mineralien, wobei man Quecksilber durchaus in Mineralbestimmungsbüchern findet, Eis jedoch nicht. Allerdings entwickelt sich zunehmend gerade unter Schweizer Geowissenschaftlern ein neuer Zweig der Eisforschung, die Erkenntnisse über Entstehung, Verhalten etc. von gefrorenem Wasser liefern soll. Eis und Quecksilber sind bei Temperaturen unserer Umgebung auf jeden Fall nicht fest. Die Definition von NICKEL muss demnach auch im weiteren Sinne, mit Ausnahmen behaftet, betrachtet werden.

BLACKBURN & DENNEN – Homogenität

Mineral properties: naturally occuring, homogeneous, solid, inorganic substances, usually crystalline, have fixed limits of chemical composition and physical properties.

(Eigenschaften der Mineralien: natürlich vorkommend, fest, anorganische Substanzen, gewöhnlich kristallin, haben festgesetzte Grenzen der chemischen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften.)

William H. Blackburn & William H. Dennen: Principals of Mineralogy, 2nd ed., 1988

Diese Aufzählung mineralischer Eigenschaften werfen, wie könnte man etwas anderes erwarten, alle Problematiken auf, die bereits angesprochen wurden. BLACKBURN & DENNEN finden aber, ähnlich wie SCHRÖCKER & WEINER eine gute Möglichkeit das Homogenitätsproblem einzugrenzen. Mit den festgesetzten “Grenzen der chemischen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften” erlauben sie einen Rahmen des Möglichen bei der chemischen Zusammensetzung. Es ist zwar so, dass Mineralien stofflich nicht einheitlich sind, entweder durch Mischreihen oder Fremdeinschlüsse begründet, diese jedoch dem Mineralogen bekannt sind, d.h. die Ausmaße und die Möglichkeiten der Inhomogenität in überschaubaren Grenzen liegen, die sich spezifisch für ein Mineral definieren lassen.

Die IMA und die Regelungen

Wie aber verhält sich bei der Anerkennung neu entdeckter Mineralien? Es muss doch eine Art Übereinkunft getroffen werden, die die Zulässigkeit neuer Mineralien festlegt? Mit genau diesem Thema beschäftigt sich die Commission on New Minerals and Mineral Names (kurz: CNMMN) der International Mineralogical Assoziation (kurz: IMA). Die aus repräsentativem und exekutivem Komitee bestehende Kommission wurde 1959 gegründet. Sie kontrolliert und regelt international die Einführung neuer Minerale und deren Namen und arbeitet an einer Rationalisierung der Nomenklatur.
Bei der Festlegung einer allgemeingültigen Definition stützt sich die CNMMN grundlegend auf die Arbeit von Ernest H. NICKEL:

A mineral substance is a naturally occurring solid that has been formed by geological processes, either on earth or in extraterrestrial bodies.

(Eine mineralische Substanz ist ein natürlich entstandener Festkörper, der durch geologische Prozesse gebildet wurde, egal ob terrestrische oder extraterrestrischer Herkunft ).

Ernest H. Nickel: Definition of a mineral; Canadian Mineralogist 33 / 1995, 68-690

Weiterhin hält die CNMMN fest, dass eine Mineralart vorrangig ihre chemische Zusammensetzung und dessen kristallographische Eigenschaften ausmacht. Die kritischen Streitfragen wären damit jedoch noch nicht geklärt. Die CNMMN geht auf die Knackpunkte unserer Fragestellungen genauer ein:

Der anthropogene Einfluss bei der Mineralentstehung (das Problem der Natürlichkeit):

Es wird eindeutig darauf hingewiesen, dass die Grenze an einigen speziellen strittigen Fragen noch offen ist. So verhält es sich auch bei dieser Problematik. Sekundäre Mineralbildungen auf Halden z.B. werden akzeptiert, solange bei der Bildung keine Interaktion mit Substanzen anthropogener Herkunft auftritt (industrielle Aschen, korrodierte menschliche Artefakte oder industriell konterminiertes Wasser etc.). Generell werden auch alle Verbrennungsprodukte nicht als Mineralien anerkannt. Strittig bleibt es bei Verbrennungsprodukten von Kohle-Minen, Müllhalden und Torfsümpfen. Die CNMMN hält in ihrer Satzung fest, dass trotz aller Diskussion zukünftig keine Verbrennungsprodukte in das Mineralreich aufgenommen werden. Auch durchaus unter natürlichen Bedingungen der Atmosphäre oder Wasser entstandene Stoffe dessen Ausgangssubstanzen menschlich hergestellt wurden (z.B. Rost auf dem Auto etc.), zählen nach der CNMMN nicht zu den Mineralen, da sonst eine Vielzahl exotischer Stoffe mit in den Bereich mineralischer Substanzen eingeschlossen werden, die artentfremdet wirken würden. Bei allen anderen Fällen gilt tatsächlich der in den Definitionen getätigte Terminus “natürlich unter Einwirkung geologischer Prozesse entstanden”. In diesem Zusammenhang empfiehlt sich die künstlich hergestellten Minerale mit dem Begriff technische Minerale oder mit mineralische Analoga zu bezeichnen.

Amorphe Substanzen (das Problem der Kristallinität):

Kristallin im mineralogischen Sinne sind Mineralien wenn bei der Untersuchung mit Röntgenbeugungsmethoden eindeutig nachgewiesen wird, dass eine geordnete periodische Struktur vorhanden ist.
Bei einigen Stoffen ist es sehr schwierig festzustellen, ob die Substanz eine reine chemische Verbindung oder ein Gemisch aus vielen ist (vor allem im mikroskopischen Bereich). Aufgrund der Unmöglichkeit solche Substanzen vollständig zu charakterisieren wird in diesem Zusammenhang oft der Begriff mineraloid verwendet (als Beschreibung einer Eigenschaft wie “mineralähnlich”).
Des Weiteren unterscheidet die CNMMN amorphe Substanzen die schon immer amorph waren und keine typische x-ray-Streuung zeigen und jene die durch ionisierende radioaktive Strahlung amorph geworden sind. Sofern diese metamikten Mineralien geologisch entstanden und alle anderen Vorrausetzungen für die Zugehörigkeit zu den Mineralen erfüllt sind, werden diese auch als solche akzeptiert.

Aspekte der Größenordung (Möglichkeit der Beschreibung traditioneller Mineraleigenschaften):

Ein Thema, dass bisher noch gar nicht besprochen wurde, ist die Größenordnung in der Minerale vorkommen können. Auf Substanzen dessen räumliche Ausdehnung in submikroskopischen Bereichen liegt, fällt es schwer traditionelle Mineraleigenschaften, wie Härte, Farbe, Spaltbarkeit etc., auszumachen. Zudem entsteht ein (mineralogisch gesehen aber eher unwichtiges) Problem: Sie können nicht in Museen ausgestellt werden. Aus diesen Gründen lässt die CNMMN bei der Aufnahme von Mineralen diesen Aspekt ziemlich offen; es ist von Fall zu Fall unterschiedlich. Die Nichtaufnahme eines Minerals submikroskopischer Größenordnung rechtfertigt jedoch nicht die Streichung in der Vergangenheit akzeptierter Substanzen mit dieser Eigenschaft.

Biogene Substanzen:

Bei der oben vorgenommenen Untersuchung verschiedener Definitionen stellte sich ein Widerspruch heraus. Wie kann es sein, dass Mineralien in der Definition rein anorganisch sein sollen, aber im Gegenzug nach Strunz, einer gültigen Einteilung der Mineralien, eine ganze Mineralklasse nur aus organischen Substanzen besteht? Die CNMMN hat an diesem Punkt eine recht eindeutige Regelung getroffen: Alle biogenen oder organischen Substanzen, wie z.B. Hydroxylapatit in Zähnen, Aragonit in Muschelschalen, Whewellit etc., die auch geologische Gegenstücke besitzen oder generell in geologischen Prozessen mitwirken, werden als Mineralien klassifiziert. Andersherum ist es allerdings nicht so eindeutig. Werden geologische Prozesse an organischen Substanzen vollführt können sie unter gegebenen Umständen als Minerale akzeptiert werden.

Mischreihen und Substituierungen (Problem der Homogenität):

Unter diesen Aspekt fällt das Problem, dass natürlicherweise immer ein Grad der “Verunreinigung” in einem Realkristall auftreten. Wenn zwei unterschiedliche atomare Bausteine beispielsweise den gleichen Gitterplatz in einem Kristall besetzen können, dann gilt die 50%-Regel, die besagt, dass es sich beim Mineral einer Spezies um das gleiche Mineral handelt, solange der “Fremdbaustein” die 50mol% nicht überschreitet. So bleibt der Hübnerit MnWO₄, um zu dem Ausgangsbeispiel des Wolframit (Mn,Fe)WO₄ zurückzukehren, von der Art her auch noch ein Hübnerit, wenn er etwas Eisen enthält, solange das Eisen das Magnesium nicht mit mehr als 50mol% ersetzt.

Erst wenn mehr als die Hälfte der Mangan-Bausteine durch Eisen vertreten sind, dann ändert sich die Zugehörigkeit zu einer Mineralspezies, in diesem Fall zu Ferberit FeWO₄. In der allgemeinen Praxis werden jedoch nur die “reinen” Endglieder mit neuen Spezies-Namen bezeichnet und die Mischformen als Wolframit. Bei dieser Regelung handelt es sich um eine einfache Methode eine Vielzahl von unterschiedlichen Zusammensetzungsmöglichkeiten zwischen den beiden austauschbaren Bausteinen auf die zwei jeweiligen Endglieder zu reduzieren.

Weitere Kriterien zur Definierung eines Minerals:

Grundsätzlich gilt nach der CNMMN jedes Polymorph eines Minerals ebenfalls als eigenständige Mineralart. Dies gilt nicht für Polytype und Polytypoide.

Reguläre Zwischenlagerung (reguläre Abfolge unterschiedlicher Mineralschichten) von zwei oder mehr Mineralen werden als eigenständiges Mineral angesehen, sofern die Art der Schichten, ihre relative Proportion, chemische Zusammensetzung und Wiederholbarkeit der Schichtung in drei Dimensionen auf einer Mikro- bzw. Nanometer-Skala eindeutig nachgewiesen ist.
Modulierte Varianten bereits bestehender Mineralien werden nicht als neue anerkannt.

Nachwort

Im Endeffekt scheint jeder Versuch einer Definition sichtlich zu scheitern. Auch die Regelungen der IMA (CNMMN) lassen die aufgezeigten Lücken bei den Aufnahmekriterien von Mineralen bestehen. Definitionen und Regelungen können diesbezüglich nur einseitige Aufzählungen von Eigenschaften sein, die für einige Minerale zutreffen, jedoch bei weitem nicht für alle (je nach dem welche Stoffe man als Minerale anerkennt).
Zum Glück ist die Anwendung der Mineralogie für uns Menschen in der Technik, der Wirtschaft und in unserem täglichen Leben allgemein so furchtbar notwendig, sonst hätte sich diese Naturwissenschaft wahrscheinlich selbst an ihren eigenen Definitionen aufgehängt. Oder ist gerade die Verknüpfung und Einbettung der Mineralogie in so vielen technischen, wirtschaftlichen und allgemeinen Zweigen dafür verantwortlich, dass sich keine klaren Definitionen abzeichnen lassen? Die technischen Möglichkeiten sind so vielfältig, der wissenschaftliche Fortschritt wächst und verändert sich so rasant, dass die Wissenschaft in ihren theoretischen Grundsätzen gar nicht hinterherkommt und nur auf Verallgemeinerungen zurückgreifen muss, aber keine scharfen Abgrenzungen aufzeigen kann. Zudem tragen wir eine gewisse “Unwissenheit” aus der Vergangenheit in Form von Tradition mit uns mit. Viele der früher als amorph bezeichneten Minerale werden fälschlicher Weise im Allgemeinen immer noch so bezeichnet. Selbst der Begriff “amorph” und deren Wurzel im Sprachgebrauch ist heute in diesem Sinne nicht mehr tragbar (vgl. oben). In anderen Fällen sind Stoffe, die von der heutigen Definition her keine Minerale darstellen würden, aus geschichtlichen Gründen in das Mineralreich eingegangen. Das Quecksilber z.B., dass bei Normalzuständen (Umgebungstemperatur, Atmosphärischer Druck) nicht fest ist, wurde in der Vergangenheit als gediegenes Metall mit ins Mineralreich eingeordnet. Es lassen sich noch zahlreiche weitere Beispiele finden, bei denen Eigenschaften und Definition nicht übereinstimmen.
Auch in Zukunft werden noch einige wichtige Debatten über dieses Thema geführt werden; gerade weil das Thema noch ziemlich lückenhaft ist.

Danksagung

Meinen Dank möchte ich meinem ehrwürdigen Prof. Dr. Dieter Wolf aussprechen, der mir wichtige Hinweise und Anregungen bei der Bearbeitung des Themas gegeben und immer die notwendige Zeit und Hingabe für meine Fragen aufgebracht hat. Für die bildliche Gestaltung des Artikels bin ich Lutz Geißler, der für mich die photographische Arbeit ausführte, zu Dank verpflichtet. Ein Dankeschön geht auch an die Betreuer der Mineralogischen Sammlung der TU Freiberg, sowie der Humboldt Universität Berlin (Naturkundemuseum), die die Aufnahme der zahlreichen Bildmotive gestatteten.

Quellennachweis

BETECHTIN, A.G.: Lehrbuch der speziellen Mineralogie; Hrsg. Prof. Dr. habil H.J. Rösler; 6. Auflage, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1974

BLACKBURN, W.H. & DENNEN, W.H.: Principals of Mineralogy, 2nd ed., 1988

HURLBUT Jr., C.S. & KLEIN, C.: Manual of Mineralogy, John Wiley & Sons, Inc. 1977

JONES & SEGNIT: J. Geol. Soc. Austral., 1971, 57 (nomenclature)

LANDSCAPE GmbH – Heidelberg: Lexikon der Geowissenschaften, Band 4; Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin, 2001

MATTHES: Mineralogie; 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg- NewYork, 1996

NICKEL, E.: Grundwissen in Mineralogie; 4. Auflage 1992 Ott Verlag Thun

NICKEL, E.H.: Definition of a mineral; Canadian Mineralogist 33 / 1995, 68-690

NICKEL, E.H. & GRICE J.D.: The IMA Commission on New Minerals and Mineral Names: Procedures and guidelines on mineral nomenclature,1998; The Canadian Mineralogist Vol. 36 (1998)

PERKINS & DEXTER: Mineralogie; (University of North Dakota); 2nd ed. © 2002 by Prentice Hall; Inc. Upper Saddle River

RÖSLER, H.J.: Lehrbuch der Mineralogie, 2. Auflage; VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981

RUSTEMEYER, P.: Faszination Turmalin; Spektrum Akademischer Verlag, 2003

SCHRÖCKE, H. & WEINER, K.L.: Mineralogie; Walter de Gruyter Berlin – New York, 1981

STRUNZ, H. & NICKEL, E. H.: Strunz – Mineralogical Tables, 9th ed.; Schweizerbart, 2001

TROMMSDORF, V. & DIETRICH, V.: Dietrich: Grundzüge der Erdwissenschaften (Vorlesung für Universität und ETH Zürich [Kristallographie, Mineralogie, Petrographie]); vdf, Hochschulverlag AG an der ETH; 5., überarbeitete Aufl.; Zürich 1994

(Dieser Text ist am 03.02.2005 auf der alten Version von geoberg.de erschienen und wurde übernommen.)

Tags: Definition, IMA, Mineral, Mineraldefinition, Minerale, Mineralogie

Dieser Eintrag wurde am Samstag, 12. Juni 2010 um 9:18 Uhr in der Kategorie Mineralogie veröffentlicht. Mit dem RSS 2.0 Feed kannst du den Antworten zu diesem Artikel folgen. Beides, Kommentare und Pings sind zurzeit geschlossen.