Johillerit ist ein sehr selten vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“. Er kristallisiert im monoklinen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung NaCuMg3(AsO4)3 und ist damit chemisch gesehen ein Natrium-Kupfer-Magnesium-Arsenat.
Johillerit entwickelt an seiner Typlokalität radialstrahlige Aggregate in zersetztem Tennantit und Chalkosin, die von Konichalcit und kupferhaltigem Adamin begleitet werden. Die Typlokalität des Minerals ist die Tsumeb Mine bei Tsumeb, Region Oshikoto, Namibia.
Etymologie und Geschichte Als Entdecker des Johillerits gilt Wolfgang Bartelke, der das farblich auffallende Mineral dem Professor für Mineralogie und Kristallographie an der Universität Stuttgart, Paul Keller, zeigte. Keller und seine Mitarbeiter führten die für eine Charakterisierung als neues Mineral notwendigen Untersuchungen durch und legten die Ergebnisse der International Mineralogical Association (IMA) vor, die es 1980 unter der vorläufigen Bezeichnung IMA 1980-014 anerkannte. Im Jahre 1982 wurde es von einem deutsch-US-amerikanischen Wissenschaftlerteam um Paul Keller, Heinz Hess und Pete J. Dunn im österreichischen Wissenschaftsmagazin „Tschermaks Mineralogische und Petrographische Mitteilungen“ als Johillerit () beschrieben. Die Autoren benannten das Mineral nach dem Professor für Mineralogie an der Universität Stuttgart Johannes-Erich Hiller (1911–1972).
Das Typmaterial für Johillerit (Holotyp) wird an der Universität Stuttgart (Standort TM-80.14-Tr / 0/824-s27/2) und im zur Smithsonian Institution gehörenden National Museum of Natural History, Washington, D.C. (Katalog-Nr. 146969, Cotyp), aufbewahrt.
In den späten 1990er Jahren wurde Johillerit in einer Fumarole am Zweiten Aschenkegel am nördlichen Durchbruch der Großen Spalteneruption (Great Fissure), Vulkan Tolbatschik, Region Kamtschatka, Föderationskreis Ferner Osten, Russland (), und später auch noch an zwei weiteren Fumarolen (Fumarole „Arsenatnaya“, Fumarole „Novaya“) in diesem Gebiet gefunden. An diesem wesentlich besser kristallisierten Material wurden insbesondere kristallographische und kristallchemische Untersuchungen durchgeführt.
Klassifikation Bereits in der veralteten, aber teilweise noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Johillerit zur Mineralklasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“ und dort zur Abteilung der „Wasserfreien Phosphate [PO4]3−, ohne fremde Anionen“, wo er zusammen mit Bradaczekit, Nickenichit, O’Danielit und Yazganit die unbenannte Gruppe VII/A.07 bildete.
Die seit 2001 gültige und von der IMA verwendete 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Johillerit ebenfalls in die Klasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“ und dort in die Abteilung der „Phosphate usw. ohne zusätzliche Anionen; ohne H2O“ ein. Diese Abteilung ist allerdings noch präziser unterteilt nach der Größe der beteiligten Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung mit den Kationen Natrium und Magnesium in der Unterabteilung „Mit mittelgroßen und großen Kationen“ zu finden ist, wo es zusammen mit Alluaudit, Arseniopleit, Bradaczekit, Groatit (IMA 2008-054), Karyinit, Ferroalluaudit, Ferrohagendorfit, Hagendorfit, Maghagendorfit, Manitobait (IMA 2008-064), Nickenichit, O’Danielit, Varulith und Yazganit die Hagendorfitgruppe mit der System-Nr. 8.AC.10 bildet.
Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Johillerit in die Klasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“ und dort in die Abteilung der „Wasserfreien Phosphate etc.“ ein. Hier ist er in der „Alluaudit-Untergruppe innerhalb der Alluaudit-Wyllieitgruppe“ mit der System-Nr. 38.02.03 und den weiteren Mitgliedern Alluaudit, Ferroalluaudit, Ferrohagendorfit, Groatit, Hagendorfit, Maghagendorfit, Manitobait, Nickenichit, O’Danielit, Varulith und Yazganit innerhalb der Unterabteilung der „Wasserfreien Phosphate etc., (A+B2+)3(XO4)2“ zu finden.
Chemismus Mikrosondenanalysen an Johillerit aus der „Tsumeb Mine“ ergaben Mittelwerte von 5,4 % Na2O; 18,3 % MgO; 5,4 % ZnO; 15,8 % CuO und 55,8 % As2O3, woraus sich auf der Basis von 12 Sauerstoffatomen die empirische Formel Na1,03Mg2,70Zn0,39Cu1,18As2,88O12 errechnete, welche sich zu Na(Mg2,5Zn0,5)Cu(AsO4)3 idealisieren lässt. Diese Idealformel erfordert im Johillerit Gehalte von 5,19 % Na2O; 16,88 % MgO; 6,82 % ZnO; 13,33 % CuO und 57,78 % As2O3.
Johillerit ist ein Mitglied der Alluaudit-Gruppe, die komplexe Na-Metall-Phosphate und -Arsenate enthält. Die allgemeine Formel dieser Gruppe ist A(2)A(2)′A(1)A(1)′A(1)′′M(1)M(2)2[TO4]3, die vereinfachte Formel wird mit A(1)A(2)M(1)M(2)2[TO4]3 angegeben.
Johillerit aus der Fumarole „Arsenatnaya“ weist eine extrem variable chemische Zusammensetzung auf. So existieren verschiedene Varietäten mit den entsprechenden empirischen Formeln: Fe-reich und Cu-verarmt: A(2)′Na0,75(A(1)′Cu0,85A(1)Na0,13)M(1)(Mg0,91Fe0,09)Σ=1,00M(2)(Mg1,60Fe0,34Cu0,06)Σ=2,00(AsO4)3 Fe-reich und Mg-verarmt: A(2)′Na0,84(A(1)′Cu0,68A(1)Na0,33)M(1)(Mg0,68Zn0,32)Σ=1,00M(2)(Mg0,90Cu0,62Fe0,32Al0,16)Σ=2,00(AsO4)3 Cu-reich: A(2)′Na0,91A(1)′Cu0,98M(1)(Mg0,74Cu0,16Zn0,10)Σ=1,00M(2)(Mg1,34Cu0,52Fe0,14)Σ=2,00(AsO4)3
Vom generellen chemischen Standpunkt ist Johillerit ein Arsenat des Alluaudittyps mit 0,5 < Na < 1,5 apfu, 0,5 < CuA < 1,0 apfu, Ca < 0,5 apfu und Dominanz von Mg über jedes andere M-Kation.
Johillerit bildet kontinuierliche Mischkristallreihen mit Badalovit, Na2Mg2Fe3+(AsO4)3, und mit Nickenichit, Na(□,Cu)(□,Ca)(Mg,Fe)3(AsO4)3, sowie eine unvollständige Mischkristallreihe mit Bradaczekit, NaCu4(AsO4)3. Die dominierenden Substitutionsschemata sind: (1) MMg ↔ MCu2+; (2) ACu2+ + M2+ ↔ ANa+ + M3+; (3) ANa+ + M2+ ↔ A□0 + M3+ sowie (4) ACu2+ + 2M2+ ↔ A□0 + 2M3+. Die T-Position wird hauptsächlich von As5+ mit nur geringen Beimengungen anderer Elemente (P, V, S, Si) eingenommen.
Johillerit stellt ferner das Cu2+-dominante Analogon zum Ca2+-dominierten Calciojohillerit dar, mit dem aber keine Mischkristallbildung beobachtet wurde.
Kristallstruktur Johillerit kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 6,7520 Å; b = 12,739 Å; c = 11,068 Å und β = 100,37° sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die von Natalia N. Koshlyakova und Mitarbeitern an einem sehr kupferreichen, lilablauen Johillerit gefundenen Gitterparameter betragen a = 11,8589 Å; b = 12,7283 Å; c = 6,7702 Å und β = 113,6283° (a und c gegenüber den Werten von Tait & Hawthorne vertauscht).
Johillerit kristallisiert im Alluaudit-Strukturtyp. Der Alluaudit-Strukturtyp enthält durch [M(2)2O10]-Dimere gebildete Zickzack-Ketten aus M(1)O6- und M(2)O6-Oktaedern mit gemeinsamen Kanten, die miteinander isolierte und verzerrte M(1)O6-Oktaeder verbunden sind. T(1)O4-Tetraeder teilen alle Vertices mit den M-zentrierten Oktaedern und bilden dadurch die (010)-Schicht, wohingegen jedes T(2)O4-Tetraeder drei gemeinsame Vertices mit den M-zentrierten Oktaedern einer Schicht hat. Der vierte Vertex ist ein gemeinsamer Vertex mit dem Oktaeder der benachbarten Schicht, wodurch die Schichten zu einem dreidimensionalen heteropolyedrischen Gerüst verbunden werden. Das Gerüst enthält zwei Typen von Kanälen, in denen die A(1)- und A(2)-Gruppen von Kationen-Positionen lokalisiert sind. Diese Gruppen schließen sechs Positionen ein: A(1), A(1)′, and A(1)′′ im ersten und A(2), A(2)′ und A(2)′′ im zweiten Typ von Kanälen.
In der Kristallstruktur des Johillerits sitzt in den Zentren der planaren, quadratischen A(1)′O4-Gruppen bevorzugt Cu2+, in den A(2)′O8-Polyedern bevorzugt Na, sowohl in den M(1)O6- als auch den M(2)O6-Oktaedern bevorzugt Mg und in den T(1)O4- und T(2)O4-Tetraedern As5+, wohingegen die anderen Positionen Leerstellen aufweisen.
Im Johillerit wird (Ca, Na) durch Cu2+ als ein A-Gruppen-Kation ersetzt. In den meisten Mineralen der Alluaudit-Gruppe treten die A-Gruppen-Kationen auf der A(1)-Position auf und sind durch sieben oder acht Anionen mit einer mittleren Entfernung von ≈ 2,5 Å koordiniert. Die Frage, wie ein relativ kleines Kation wie Cu2+ solche großen Kationen wie Ca und Na in einem derart großen Koordinationspolyeder ersetzen kann, wird wie folgt beantwortet: Im Alluaudit besitzen die A(1)O7–8-Polyeder gemeinsame Kanten miteinander und bilden eine sich in Richtung der a-Achse erstreckende Kette. Im Johillerit ersetzen die Cu2+-Ionen (Ca, Na) im Zentrum der A(1)O7–8-Polyeder nicht wirklich, sondern finden sich an den gemeinsamen Kanten zwischen benachbarten Polyedern (A(1)’-Position) und nehmen im Grunde eine quadratisch-planare Koordination mit zwei sehr langapikalen Anionen, die nicht mit Cu2+ verbunden sind, ein.
Johillerit ist isotyp (isostrukturell) zu Calciojohillerit, Badalovit, Bradaczekit, Nickenichit sowie weiteren Vertretern der Alluaudit-Obergruppe.
Eigenschaften Morphologie Johillerit entwickelt an seiner Typlokalität in der „Tsumeb Mine“ radialstrahlige Aggregate, in denen aber einzelne, nach {010} dünntafelige und nach der c-Achse gestreckte Kristalle erkennbar sind. Ihre durchschnittliche Größe beträgt 1,0 × 0,3 × 0,1 mm. Die Johillerite zweier weiterer Funde auf der sogenannten dritten Oxidationszone in der „Tsumeb Mine“ zeigen eine ganz ähnliche Ausbildung. Auf der zweiten in der „Tsumeb Mine“ gefundene Stufe erscheint der Johillerit allerdings eher faserig als tafelig und weist infolgedessen auch einen seidenartigen Glanz auf.
Die in Fumarolen am Vulkan Tolbatschik nachgewiesenen Johillerite sind demgegenüber wesentlich besser ausgebildet. Die 2012 am Gipfel des Zweiten Schlackenkegels entdeckte, aktive Fumarole „Arsenatnaya“ enthielt Johillerit als eines der Hauptsublimate. Er bildet dort nahezu monomineralische, bis 0,5 cm dicke Krusten auf Flächen bis zu mehreren Quadratdezimetern Größe. Johillerit findet sind in perfekten, oft aber nur undeutlich ausgebildeten kurz- bis langprismatischen Kristallen bis zu 5 mm Länge. Sie treten zu bündel-, fächer- und garbenartigen sowie radialstrahligen Aggregaten zusammen, die wiederum die genannten Krusten aufbauen. Daneben existieren auch massive feinkörnige Inkrustationen.
Physikalische und chemische Eigenschaften Die Kristalle des Johillerits sind an den drei Fundpunkten der Typlokalität violett bis blauviolett, in der Fumarole „Arsenatnaya“ am Tolbatschik hingegen aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung sehr variabel gefärbt. Beobachtet wurden lilafarbene, violette, blaue, bläulichgraue, braune, blassgrüne und selten auch farblose Kristalle sowie mehrfarbige Bildungen wie rötlichbraune Kristalle mit violetten Terminierungen oder Kristalle mit Färbungen von dunkel graublau bis hellblau. Ihre Strichfarbe ist aber immer weiß bis ganz blass violett. Die Oberflächen der durchscheinenden bis durchsichtigen Kristalle weisen einen glasartigen, mitunter auch seidenartigen Glanz auf, was gut mit den Werten für die Lichtbrechung übereinstimmt. An den Kristallen des Johillerits wurden mittelhohe bis hohe Werte für die Lichtbrechung (nα = 1,715; nβ = 1,743; nγ = 1,783) und ein hoher Wert für die Doppelbrechung (δ = 0,068) festgestellt. Johillerit besitzt einen starken Pleochroismus von X = violettrot über Y = blauviolett nach Z = grünblau.
Johillerit weist eine sehr vollkommene Spaltbarkeit nach {010} und zwei gute Spaltbarkeiten nach {100} und {001} auf. Aufgrund seiner Sprödigkeit bricht er aber ähnlich wie Amblygonit, wobei die Bruchflächen uneben ausgebildet sind. Mit einer Mohshärte von ≈ 3 gehört das Mineral zu den mittelharten Mineralen und lässt sich wie das Referenzmineral Calcit mit einer Kupfermünze ritzen.