Gepresst, geschockt, gebacken oder von Lebewesen produziert: Die knapp 6.000 Erdmineralien gehen auf 57 verschiedene „Grundrezepte“ und mehr als 10.500 lehrreiche Varianten zurück. Dies führte zur ersten umfassenden Katalogisierung der Mineralbildung auf unserem Planeten. Sie verrät, dass beispielsweise Diamanten auf neun verschiedene Arten entstehen können, beim „Idiotengold“ Pyrit sind es sogar 21. Etwa 80 Prozent der Mineralien entstanden zudem unter dem Einfluss von Wasser, wobei die Biologie eine wichtige Rolle spielte. Papier etwa 50 Prozent.
Die Erde hat eine Vielfalt an Mineralien, die einzigartig für das Sonnensystem ist: Bisher wurden fast 5.800 Mineralien offiziell benannt und beschrieben, und mindestens 1.500 weitere könnten noch darauf warten, entdeckt zu werden. Viele dieser kristallinen Verbindungen sind äußerst selten und kommen nur an einem Ort auf der Erde vor. Andere sind allgegenwärtig und haben als gesteinsbildende Mineralien das Erscheinungsbild und die Entwicklung unseres Planeten geprägt.
Während die obige Mineralienklassifizierung nur Chemie und Kristallstruktur berücksichtigt, unterscheidet sich die neue Ansicht auch nach Bildungswegen. Dieses Beryllium kann beispielsweise auf unterschiedliche Weise entstehen. © ARKENSTONE/Rob Lavinsky
57 Grundrezepte, mehr als 10.500 Varianten
Aber wie, wo und wann sind all diese Mineralien entstanden? Diese Frage wird nun erstmals mit einer erschöpfenden Katalogisierung der Entstehungswege aller bekannten Minerale beantwortet. „Niemand hat sich zuvor dieser großen Aufgabe gestellt“, sagt Hauptautor Robert Hazen von der Carnegie Institution for Science in Washington DC. Gemeinsam mit seiner Kollegin Shaunna Morrison erforscht er seit 15 Jahren, wie die fast 5.800 bekannten terrestrischen Mineralien entstehen können.
„Diese Arbeit verändert unsere Sicht auf die Mineralienvielfalt des Planeten grundlegend“, sagt Hazen. Denn viele Mineralien können nicht nur auf eine Art entstehen, sondern durch mehrere unterschiedliche Prozesse. Berücksichtigt man diese unterschiedlichen Bildungsmöglichkeiten, so gibt es neben der Kristallstruktur und chemischen Zusammensetzung bis zu 10.556 verschiedene Mineralformen, oder paragenetische Mineralmodi, wie die Forscher es nennen. „Jedes Mineralexemplar hat seine eigene Geschichte und jedes ist ein Fenster in die Vergangenheit der Erde“, sagt Hazen.
Patrick Cordier von der Universität Lille in Frankreich kommentiert: „Hazen und seine Kollegen haben die Art und Weise, wie wir Mineralien sehen, grundlegend verändert. Mineralien werden nun zu Zeugen und Meilensteinen in der langen Geschichte der Materie.“
Wasser und Biologie als gestaltende Kräfte
Konkret identifizierten Hazen und Morrison 57 verschiedene „Grundrezepte“, mit denen die Natur Mineralien erzeugen kann. „Zum Beispiel werden mehr als 80 Prozent aller Mineralien auf der Erde unter dem Einfluss von Wasser gebildet. Daher ist dieses Element entscheidend für den Mineralienreichtum unseres Planeten“, sagt Hazen. “Gleichzeitig erklärt dies, warum Merkur, Mond und Mars weitaus weniger Mineralienprobleme haben als die Erde.” Mindestens 4.583 Mineralien verdanken ihre Entstehung dem Zusammenspiel von Wasser und Gestein.
Etwa 50 Prozent aller bekannten Mineralien stehen in direktem oder indirektem Zusammenhang mit biologischen Prozessen. 1.900 Mineralien – 34 Prozent – können nur biologisch gebildet werden, darunter die kristallinen Bestandteile von Schalen, Knochen und Zähnen, aber auch Mineralien aus kristallisiertem organischem Material wie Bitumenschiefer, Kohle oder Guano. Andere Kristallformen verdanken ihre Bildung dem Sauerstoff, den die ersten Algen in die Atmosphäre abgeben.
Calcit ist ein klassisches Beispiel für Mineralien, die durch die Beteiligung von Wasser gebildet werden. © ARKENSTONE/Rob Lavinsky
Mehr als 600 künstliche Mineralien
Zu dieser Gruppe von Mineralien gehören auch 603 Varianten, die es ohne uns Menschen nicht gäbe. 264 von ihnen sind durch Bergbau entstanden: Sie bildeten sich an den Wänden alter Minen, in Erzhaufen oder Gruben, die die chemischen und klimatischen Bedingungen für ihre Entstehung schufen. 234 weitere Mineralien sind durch Feuer entstanden, zum Beispiel in Kohleadern oder beim gezielten Brennen von Tonwaren, Ziegeln oder Kalk. Durch die Verarbeitung der Metalle und der dabei entstehenden Schlacke entstanden zudem 143 Mineralien.
Neben diesen anthropogenen Feststoffen, die offiziell als Mineralien anerkannt sind, gibt es Tausende weitere, die nicht offiziell als Mineralien eingestuft sind, berichten die Forscher. Dazu gehören unzählige künstliche Halbleitermaterialien, photonische Kristalle, synthetische Edelsteine oder spezielle Legierungen. „Alle diese Substanzen aus dem Anthropozän werden für die nächsten Millionen von Jahren in geologischen Schichten erhalten bleiben“, sagte das Team.
Ursprung schon in der Frühzeit der Erde
Auch hinsichtlich ihres Entstehungszeitraums gibt es deutliche Unterschiede zwischen den Mineralien: „Der größte Teil der Vielfalt terrestrischer Mineralien stammt aus den ersten 250 Millionen Jahren unseres Planeten“, berichten Hazen und Morrison. Vermutlich sind in dieser ersten Erdenperiode bereits 3.534 Mineralarten entstanden. 296 Mineralien können sogar älter sein als die Erde selbst, weil sie im Staub der Urwolke kondensierten oder in den ersten Asteroiden entstanden. Einige große Mineralien, die in einem Meteoriten entdeckt wurden, könnten sieben Milliarden Jahre alt sein.
Interessant ist auch: 41 seltene Elemente stellen einen überproportional großen Teil des Bodenschätzens der Erde dar, darunter Übergangsmetalle wie Cadmium und Molybdän, aber auch Edel- und Schwermetalle wie Gold, Silber, Arsen, Quecksilber, Uran, Tellur und Wolfram. „Obwohl diese Elemente weniger als eines von 10.000 Atomen in der Erdkruste ausmachen, sind sie ein wesentlicher Bestandteil von etwa 2.400 Mineralien, 42,4 Prozent“, erklären Hazen und Morrison.
„Narrengold“ ist der Favorit, wenn es um Rezeptvielfalt geht
Die Studie zeigt auch, dass sich Minerale in der möglichen Anzahl ihrer Entstehungswege stark unterscheiden. 59 Prozent der bekannten Kristalle können sich nur auf eine Weise bilden. Immerhin hat ein Viertel der Mineralien zwei unterschiedliche Bildungsmöglichkeiten. Allerdings gibt es für acht Prozent der kristallinen Feststoffe mehr als vier verschiedene „Rezepte“, die zu ihrer Entstehung führen können. Neun Minerale haben sogar 15 oder mehr Formationen.
Pyrit (Idiotengold) kann auf 21 verschiedene Arten gebildet werden, was dieses Eisensulfid zum Spitzenreiter unter den Mineralien macht. © ARKENSTONE/Rob Lavinsky
Die Avantgarde ist Pyrit: Dieses Eisensulfid-Mineral, auch „Katzengold“ genannt, hat 21 verschiedene Entstehungsweisen. Die Bandbreite reicht von Vulkanausbrüchen, Kohlenbränden, Meteoriten, hohen Temperaturen, wässrigen Umgebungen, Verwitterung und hydrothermaler Atmung bis hin zu mikrobiellen Pfaden.
Zu den Mineralien mit jeweils 18 Entstehungsformen gehören Korund, Hämatit, Magnetit und Albit, für Calcit, Hornblende und Rutil gibt es noch 17 „Rezepte“. Das wichtige gesteinsbildende Mineral Quarz hat 14 verschiedene Entstehungswege. Schließlich können Diamanten immer noch durch neun verschiedene Prozesse geformt werden. Neben dem „klassischen Rezept“ für Hochdruck und Hitze im Erdmantel entstehen Kohlenstoffkristalle auch durch Kondensation in der Gashülle verbrannter Sterne oder durch Meteoriteneinschläge.
Signifikant auch für andere Planeten
Auch für die Suche nach Leben im Weltraum und die Erforschung fremder Planeten sind neue Erkenntnisse zu terrestrischen Mineralien wichtig. “Welche Bedingungen für die Mineralbildung bestehen auf dem Mond, dem Mars und anderen terrestrischen Welten? Indem wir paragenetische Modi erfassen und jede Mineralart einer oder mehreren dieser Kategorien zuordnen, können wir auch außerirdische Mineralien aus einer neuen Perspektive betrachten”, schreibt Hazen und Morrison.
Auf dem Mars beispielsweise hängt die Mineralienvielfalt entscheidend davon ab, ob und wie lange es Wasser auf dem Planeten gab und in welcher Form. Die Mineralien im Mond wiederum könnten Aufschluss darüber geben, wie sich der Erdtrabant in seinen Anfängen entwickelt hat. Und bei Exoplaneten stellt sich die spannende Frage, ob sie vielleicht mineralische „Rezepte“ haben, die wir gar nicht haben. „Das Verständnis der Entwicklung von Mineralien eröffnet uns neue Wege, den Weltraum zu erforschen und nach bewohnbaren Planeten und außerirdischem Leben zu suchen“, sagte Anhuai Lu, Präsident der International Mineralogical Association. (Amerikanischer Mineraloge, 2022; doi: 10.2138 / am-2022-8099)
Welche: Carnegie Science Earth and Planets Laboratory
4. Juli 2022
– Nadja Podbregar