Mineral

Definition und Abgrenzungen

Ein Mineral ist ein Element oder eine chemische Verbindung, die normalerweise kristallin ist und durch geologische Prozesse entstanden ist. Dazu zählen auch Prozesse auf anderen Planeten, Monden und anderen Himmelskörpern. Die Mineralogie ist die Lehre von den Mineralen; ihre Verwendung und Bearbeitung behandelt die Lithurgik.

Die International Mineralogical Association (IMA) erkannte im Juli 2026 insgesamt 6.226 Mineralarten als eigenständig an. Die Mehrzahl ist anorganisch. Einige organische Substanzen, etwa Mellit, Evenkit, Whewellit und Weddellit, gelten dennoch als Minerale, weil geologische Prozesse an ihrer Bildung beteiligt waren. Einschließlich etwa 1.200 Mineral-Varietäten und Synonymen sowie ungefähr 120 noch nicht anerkannten Mineralarten gibt es über 7.000 Mineralnamen.

Im Allgemeinen müssen Minerale natürlich, chemisch einheitlich, fest und kristallin sein; von wenigen Ausnahmen abgesehen sind sie außerdem anorganisch. Stoffgemische sind keine Minerale. Mischkristalle dürfen zwar eine gewisse Schwankung der Zusammensetzung zeigen, müssen aber strukturell homogen sein. Feuerstein beziehungsweise Hornstein kann beispielsweise aus reinem SiO₂ bestehen, ist aber ein Gestein, weil er ein Gemisch aus den strukturell unterschiedlichen Mineralen Tiefquarz, Mogánit und Opal ist.

Nichtkristalline natürliche Verbindungen werden häufig als Mineraloide zusammengefasst. Amorphe Stoffe waren niemals kristallin, während bei metamikten Stoffen die ursprüngliche Fernordnung durch ionisierende Strahlung zerstört wurde. Amorphe Substanzen können als Minerale anerkannt werden, wenn vollständige chemische Analysen, physikochemische beziehungsweise spektroskopische Daten zur Einzigartigkeit und der Nachweis vorliegen, dass sie sich durch physikalische Behandlung, etwa Erhitzen, nicht kristallisieren lassen. Beispiele sind Georgeit und Calciouranoit. Metamiktische Stoffe können anerkannt werden, wenn ihre frühere kristalline Struktur und gleiche Zusammensetzung nachgewiesen sind, etwa bei Fergusonit-Y.

Flüssigkeiten zählen im Allgemeinen nicht zu den Mineralen: Flüssiges Wasser ist kein Mineral, Eis dagegen schon. Quecksilber bildet eine Ausnahme, da es auf der Erde als Element nur flüssig und gasförmig vorkommt, aber als Mineral anerkannt wird. Erdöl und andere, auch feste, nichtkristalline Bitumen sind wegen ihrer stofflichen Gemische keine Minerale. Natürlich vorkommende Komponenten von Meteoriten, Mondgesteinen und kosmischem Staub werden dagegen als Minerale bezeichnet, zum Beispiel Tranquillityit und Brownleeit.

Von Menschen erzeugte Stoffe sind keine Minerale, sondern bei gleicher Zusammensetzung synthetische Äquivalente. Auch ausschließlich biologisch gebildete Stoffe wie Muschelschalen oder Oxalatkristalle in Pflanzengeweben sind keine Minerale. Sind jedoch geologische Prozesse beteiligt, können auch Stoffe organischen Ursprungs anerkannt werden, etwa aus Schwarzschiefern, Fledermausguano, Kalksteinen oder Phosphoriten.

Vorkommen und Mineralbildung

Mit Ausnahme der natürlichen Gläser und der Kohlegesteine bestehen alle Gesteine der Erde und anderer Himmelskörper aus Mineralen. Besonders häufig sind etwa dreißig Minerale, die als Gesteinsbildner bezeichnet werden. Minerale kommen außerdem als Kolloide im Wasser und als Feinstaub in der Luft vor. Wasser ist als Eis ebenfalls ein Mineral. Primärminerale entstehen gleichzeitig mit dem Gestein, zu dem sie gehören; Sekundärminerale bilden sich später durch Metamorphose, hydrothermale Überprägung oder Verwitterung.

Die moderne Mineralbildung erfolgt auf mehreren Wegen:

• Magmatisch entstehen Minerale durch Kristallisation aus Schmelzen oder hydrothermalen Lösungen sowie durch Resublimation aus heißen Gasen, beispielsweise in Fumarolen.
• Metamorph bilden sie sich durch Festkörperreaktionen aus anderen Mineralen oder natürlichen Gläsern. Metasomatische Bildung entsteht bei Reaktionen von Mineralen mit wässrigen Lösungen.
• Sedimentär entstehen Minerale durch Ausfällung aus wässrigen Lösungen, beispielsweise Kalk.

Für die Mineralvielfalt sind Wärme, Wasser und Photosynthese besonders wichtig. Wärme treibt geologische Prozesse an und ermöglicht in ausreichend großen Himmelskörpern die Trennung metallischer und silikatischer Stoffe in Kern und Mantel, die Bildung silikatischer Schmelzen, fraktionierte Kristallisation, kontinentale Kruste, Gebirgsbildung und Subduktion. Wasser erleichtert die Bildung von Schmelzen, löst und transportiert Ionen und Komplexe und ist als OH-Gruppe oder H₂O Bestandteil vieler Kristallstrukturen. Wasserstoff kann in Zwischengitterplätze eintreten und durch Wasserstoffbrückenbindungen instabile Strukturen stabilisieren. Knapp zwei Drittel aller Minerale enthalten Wasserstoff als essentiellen Bestandteil. Die Photosynthese erhöhte den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Dadurch wurden höhere Oxidationsstufen von Übergangsmetallen wie Fe³⁺ und Mn³⁺ sowie Oxyanionenkomplexe wie SO₄ stabil und zahlreiche weitere Minerale möglich.

In den sehr dünnen interstellaren Nebeln entstehen Kristallkeime nur schwer und Kristalle wachsen meist sehr langsam. Zu den ersten Mineralen gehörten Graphit und Diamant, Carbide wie Moissanit und Khamrabaevit, Nitride wie Osbornit und Nierit, Oxide wie Rutil, Korund, Spinell, Hibonit, Forsterit und Bridgmanit sowie GEMS. Die oft nur wenige Nanometer großen Kristalle besitzen vielfach starke kovalente Bindungen. Etwa 10.000.000 Jahre lang waren diese 10 bis 20 Minerale die einzigen im Universum.

Die weitere Evolution wird in drei Ären mit insgesamt zehn Stadien gegliedert. Die Ära der Planetenentstehung begann vor rund 4,57 Milliarden Jahren mit der Kondensation von Mineralen aus dem präsolaren Nebel und endete vor rund 4,5 Milliarden Jahren mit der Bildung siliciumreicher Krustengesteine. Die erste Mineralbildung im Sonnensystem begann vor 4,567 Milliarden Jahren mit der Resublimation von Calciumaluminaten. Bei ungefähr 1730 K bildete sich zunächst Korund; danach entstanden unter anderem Hibonit, Grossit, Krotit, Perowskit, Gehlenit, Spinell sowie die Pyroxene Kushiroit und Grossmanit. In Chondriten sind diese Stoffe als Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse erhalten. Insgesamt entstanden bei der Bildung der Chondrite ungefähr 60 Minerale.

Vor 4,56 bis 4,55 Milliarden Jahren aggregierten die Chondrite zu Planetesimalen. Wässrige, salzhaltige Lösungen bildeten bei meist unter 100 °C unter anderem Chlorite, Talk, Serpentine, Hydroxide, Sulfate, Carbonate und Halit. Kollisionen erzeugten Hochdruckminerale wie Majorit, Akimotoit, Bridgmanit, Wadsleyit, Ringwoodit, Coesit und Stishovit. Ab einem Durchmesser von etwa 200 km führte der Zerfall radioaktiver Isotope zur Aufheizung, zur Bildung metallischer und silikatischer Schmelzen und zur Trennung von eisenreichem Kern und silikatischer Kruste.

Die Ära der Umarbeitung von Kruste und Mantel dauerte rund 2 Milliarden Jahre. Sie begann vor ungefähr 4,5 Milliarden Jahren mit fraktionierter Kristallisation basaltischer Schmelzen, der Bildung von Graniten und kontinentaler Kruste, beginnender Plattentektonik und großräumiger Metamorphose. Knapp die Hälfte der bekannten Minerale entstand durch diese Prozesse. Die bis heute andauernde Ära biologisch herbeigeführter Mineralbildungen begann vor 2,5 Milliarden Jahren mit der Großen Sauerstoffkatastrophe. Die biologisch verursachte Sauerstoffanreicherung ermöglichte vor allem die Bildung vieler Oxide, Hydroxide und Erzminerale. Biologisch direkt gebildete Kristalle wie Calcit in Schalen, Hydroxylapatit in Knochen oder Magnetit zur Orientierung gelten trotz ihrer natürlichen Bildung nicht als Minerale im Sinne der IMA.

Eigenschaften und Bestimmung

Minerale werden durch optische, mechanische, magnetische, elektrische und chemische Eigenschaften bestimmt.

Optisch unterscheidet man idiochromatische Minerale, deren Farbe durch formelwirksame Elemente entsteht, allochromatische Minerale, deren Farbe von Spurenelementen und Gitterdefekten abhängt, sowie pseudochromatische Minerale, deren Farbe durch Lichtbrechung oder Interferenz entsteht. Weitere Merkmale sind die Strichfarbe des Pulvers, der Glanz, die Transparenz und die Kristallform aus Tracht und Habitus. Unter dem Polarisationsmikroskop untersucht man unter anderem Pleochroismus, Brechungsindex und Doppelbrechung. In der Erzmikroskopie dienen Reflexionsgrad, Bireflektanz, Anisotropieeffekte und Innenreflexe zur Unterscheidung opaker Minerale. Lumineszenz bezeichnet die Lichtemission nach einer Anregung; je nach Anregung gibt es unter anderem Chemolumineszenz, Tribolumineszenz, Kathodolumineszenz und Thermolumineszenz. Kurz anhaltende Lumineszenz heißt Fluoreszenz, länger anhaltende Phosphoreszenz.

Die Dichte hängt von Zusammensetzung und Struktur ab und liegt bei Mineralen, Gesteinen und Erzen zwischen 1 und 20 g·cm⁻³. Werte unter 2 wirken leicht, Werte von 2 bis 4 normal und Werte über 4 schwer. Minerale mit einer Dichte von > 3,0 heißen Schwerminerale. Die Härte wird über die Ritzbeständigkeit bestimmt und auf der Mohs-Skala von 1 für Talk bis 10 für Diamant angegeben. Spaltbarkeit beschreibt das Spalten entlang bestimmter kristallographischer Ebenen; sie reicht von nicht vorhanden bis äußerst vollkommen. Quarz besitzt keine Spaltebene, Calcit drei. Brüche können muschelig, faserig, splittrig, eben oder uneben sein. Bei der Zähigkeit unterscheidet man unter anderem spröde Minerale wie Quarz und biegsame wie Muskovit.

Magnetische Minerale werden als ferro-, ferri-, para-, dia- oder antiferromagnetisch bezeichnet. Meist lassen sich nur Ferro- und Ferrimagnetismus mit einer Kompassnadel bestimmen. Die meisten Minerale sind elektrische Nichtleiter; einige Sulfide und Oxide sind Halbleiter, gediegene Metalle Leiter. Covellin ist mit einer Sprungtemperatur von 1,63 Kelvin der einzige bekannte natürlich vorkommende mineralische Supraleiter. Piezoelektrizität wandelt mechanische Schwingungen in elektrische Wechselspannung und umgekehrt um, wie bei Quarz. Pyroelektrizität wandelt Temperaturänderungen in Ladungstrennung um, wie bei Turmalin.

Chemische Erkennungsmerkmale sind die Flammenfärbung, die Schmelzbarkeit vor dem Lötrohr und die Reaktion mit Salzsäure. Karbonate reagieren unterschiedlich stark mit heißer und teilweise kalter Salzsäure. Schwefelhaltige Minerale können am Geruch beim Anschlagen erkannt werden; Halit und Sylvin wurden traditionell über den Geschmack unterschieden, wobei Sylvin bitter schmeckt. Radioaktive Minerale senden ohne Energiezufuhr hochenergetische Strahlung aus. Man unterscheidet Alpha-, Beta- und Gammastrahlen; gemessen wird mit einem Geigerzähler. Auch niedrige Dosen können gesundheitsschädlich sein. Durch Bergbau und Erosion werden Minerale mobilisiert; bei toxikologisch relevanten Schwermetallmineralen übersteigt die menschliche Mobilisierung die natürlichen Prozesse deutlich.

Bedeutung für Geologie, Wirtschaft und Gesellschaft

Jedes Mineral ist nur unter bestimmten Druck-Temperatur-Bedingungen thermodynamisch stabil. Außerhalb seines Stabilitätsbereichs wandelt es sich mit der Zeit in eine stabile Modifikation um. Manche Umwandlungen erfolgen schnell, andere sind kinetisch gehemmt und dauern Millionen Jahre. Wegen hoher Aktivierungsenergie kann eine eigentlich instabile Modifikation metastabil erhalten bleiben, etwa Diamant statt Graphit. Der Mineralbestand eines Gesteins speichert dadurch Informationen über dessen Bildungsbedingungen und Entwicklungsgeschichte und hilft, Ursprung und Entwicklung der Erde zu untersuchen.

Mineralische Rohstoffe werden in Energierohstoffe, Eigenschaftsrohstoffe und Elementrohstoffe eingeteilt. Uraninit und Thorit sind Energierohstoffe und dienen als Kernbrennstoffe. Eigenschaftsrohstoffe werden ohne chemische Zerlegung genutzt, etwa Quarz für Glas und Tonminerale für Keramik. Elementrohstoffe werden zur Gewinnung eines bestimmten Elements abgebaut; bei Metallen spricht man von Erzen. Eine wirtschaftlich abbaubare Anreicherung heißt Lagerstätte. Das ist ein ökonomischer, kein rein wissenschaftlicher Begriff: Entscheidend sind Abbau- und Aufbereitungskosten sowie der Marktwert. Für einen Gewinn musste der Eisenanteil im Jahr 2003 bis zu 50 % betragen, bei Platin genügte bereits ein Anteil von 0,00001 %.

Lagerstätten können nach ihrer Entstehung sedimentär, hydrothermal, magmatisch oder metamorph sein. Sedimentäre Lagerstätten entstehen durch Ausfällung, Änderungen von pH-Wert, Druck und Temperatur, den Einfluss von Bakterien oder Verwitterung und Transport, beispielsweise bei gebänderten Eisenerzformationen oder Seifengold. Hydrothermale Lagerstätten bilden sich, wenn Wässer Elemente lösen und an anderer Stelle ablagern, oder aus Restfluiden nach der Erstarrung eines Magmas. Magmatische Lagerstätten entstehen durch Kristallisation eines Magmas, etwa viele Platin- und Chromit-Lagerstätten. Metamorphe Lagerstätten bilden sich durch Gesteinsumwandlung, beispielsweise Marmor-Lagerstätten.

Transparente Minerale mit einer Härte von mehr als 7 heißen Edelsteine, andernfalls Schmucksteine. 95 Prozent des weltweiten Umsatzes dieses Marktes entfallen auf Diamanten, der Rest fast überwiegend auf Saphire, Smaragde, Rubine und Turmaline. Durch Schleifen und Polieren werden Farbe und Glanz hervorgehoben. Transparente oder durchscheinende Varietäten erhalten meist Facettenschliffe; undurchsichtige Minerale werden glatt und einflächig geschliffen. Der Asterismus eines Sternsaphirs entsteht durch Cabochonschliff. Das Feuer eines Brillanten beruht vor allem auf geeigneten Winkeln der Facetten und der Dispersion des weißen Lichts.

Weitere Verwendungen bestehen in Körperpflege, Kunst und Medizin. Lavaerde ist gemahlener, saponitreicher Ton und dient als Körper- und Haarreinigungsmittel. Talk wird in der bildenden Kunst, bei der Pleurodese und als Gleitmittel bei der Tablettenherstellung verwendet. Schutz- und Heilwirkungen, die bestimmten Mineralen in alten Kulturen und in der Esoterik zugeschrieben werden, sind kulturelle Vorstellungen. Minerale sind außerdem Gegenstand wissenschaftlicher und privater Sammlungen. Seltene, sehr kleine Proben werden von Privatsammlern häufig als Micromounts gesammelt.