Carbocernait ist ein selten vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Carbonate und Nitrate“ (ehemals Carbonate, Nitrate und Borate). Es kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der idealisierten chemischen Zusammensetzung (Ca,Na)(Sr,Ce,Ba)(CO3)2, ist also chemisch gesehen ein Calcium-Strontium-Carbonat.
Carbocernait bildet tafelige Kristalle bis zu 4 mm Größe, die typischerweise keilförmige Endflächen aufweisen. Er findet sich ferner in Form von körnigen Massen sowie Entmischungslamellen.
Die Typlokalität des Carbocernaits ist das Alkaligesteins-Ultrabasit-Massiv „Vuoriyärvi“ () () in Nord-Karelien, Oblast Murmansk, Halbinsel Kola, Föderationskreis Nordwestrussland, Russland.
Etymologie und Geschichte Im Jahr 1957 wurde aus Kernen von im Alkaligesteins-Ultrabasit-Massiv „Vuoriyärvi“ geteuften Forschungsbohrungen (Bohrlöcher 88 und 101) ein Mineral entdeckt, welches L. V. Kozyreva und Georgij A. Ilinskij 1959 als „Ambatoarinit“ beschrieben. Wie die nachfolgenden mineralogischen (Andrej G. Bulakh), röntgendiffraktometrischen (W. W. Kondratjewa) und chemischen (E. N. Baranova) Untersuchungen zeigten, stellt das von Kozyreva & Ilinskij beschriebene Material ein neues, in der damaligen Literatur unbekanntes Mineral dar, welches zu den Seltenerdcarbonaten gehört. Im Jahre 1961 erfolgte die wissenschaftliche Erstbeschreibung dieses Minerals durch ein Team russischer Wissenschaftler um Andrej G. Bulakh im russischen Wissenschaftsmagazin „Zapiski Vsesoyuznogo Mineralogicheskogo Obshchestva“ („Proceedings of the Russian Mineralogical Society“) als Carbocernait (, ). Sie benannten das Mineral nach der chemischen Zusammensetzung (Carbo-cer-na-it), da es ein CARBOnatmineral darstellt, welches die chemischen Elemente CERium und NAtrium enthält.
Das Mineral wurde von der „Commission on New Minerals and Mineral Names“ der International Mineralogical Association (IMA) in einem 1967 erschienenen, die 129 Erstbeschreibungen der Jahre 1961 bis 1964 zusammenfassenden Report als Mineral anerkannt. Infolgedessen hat Carbocernait keine IMA-Nummer, sondern wird unter der Summenanerkennung „IMA 1967 s.p.“ (special procedure) geführt.
Das Typmaterial (Holotyp) für Carbocernait wird unter der Katalognummer 64100 in der Systematischen Sammlung des Mineralogischen Museums „Alexander Jewgenjewitsch Fersman“ der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau aufbewahrt.
Klassifikation In der 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Carbocernait zur gemeinsamen Mineralklasse der „Carbonate, Nitrate und Borate“ und dort zur Abteilung der „Carbonate“, wo er zusammen mit Burbankit, Bütschliit, Eitelit, Fairchildit, Nyerereit, Sahamalith und Shortit die „Eitelit-Sahamalith-Gruppe“ mit der System-Nr. Vb/A.05 innerhalb der Unterabteilung „Wasserfreie Carbonate ohne fremde Anionen“ bildete.
Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser veralteten Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. V/B.07-060. In der „Lapis-Systematik“ entspricht dies der Abteilung „Wasserfreie Carbonate [CO3]2−, ohne fremde Anionen“, wo Carbocernait zusammen mit Rémondit-(La), Rémondit-(Ce), Petersenit-(Ce), Calcioburbankit, Burbankit, Khanneshit und Sanrománit die Burbankit-Reihe mit der Nummer V/B.07 bildet.
Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) bis 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Carbocernait in die um die Borate reduzierte Klasse der „Carbonate und Nitrate“ und dort in die Abteilung der „Carbonate ohne zusätzliche Anionen; ohne H2O“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach der Gruppenzugehörigkeit der beteiligten Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Erdalkali- (und andere M2+) Carbonate“ zu finden ist, wo es als alleiniger Vertreter die unbenannte Gruppe mit der System-Nr. 5.AB.50 bildet.
Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Carbocernait wie die veraltete Strunz’sche Systematik in die gemeinsame Klasse der „Carbonate, Nitrate und Borate“ und dort in die Abteilung der „Carbonate“ ein. Hier ist er als einziges Mitglied in der unbenannten Gruppe 14.04.06 innerhalb der Unterabteilung „Wasserfreie Carbonate mit zusammengesetzter Formel A2+B2+2(CO3)4“ zu finden.
Chemismus Eine nasschemische Analyse von E. N. Baranowa an 0,4 mg ausgelesenen Carbocernait-Körnern ergab 15,10 % CaO; 12,43 % SrO; 3,20 % BaO; 26,10 % SEE2O3; 5,11 % Na2O; 1,50 % Fe2O3; 0,30 % Al2O3; 31,82 % CO2; 2,10 % H2O+; 0,30 % H2O−; (kein F, kein Cl, 1,40 % unlöslicher Rückstand, die Summe ist 99,36 %). Chromatographische Analysen der Seltenerdmetalle (SEE2O3) durch K. A. Baklanova ergaben 42,40 % La2O3; 42,40 % Ce2O3; 8,50 % Nd2O3; 4,25 % Sm2O3 und 2,90 % Y2O3 (Summe 100,05 %). Auf der Basis von drei Sauerstoff-Atomen errechnet sich daraus – das Wasser ignorierend – die empirische Formel (Ca0,37Na0,23SEE0,25Sr0,16Ba0,03)Σ=1,01CO3, die sich zu (Ca0,4Na0,2SEE0,2Sr0,2)Σ=1,00CO3 vereinfachen lässt. In Anbetracht der Tatsache, dass in vielen Seltenerdcarbonaten Strontium und Seltenerdelemente sowie Calcium und Natrium unabhängige kristallchemische Positionen belegen, wurde von Bulakh und Kollegen für den Carbocernait eine andere Formel vorschlagen: (Ca0,37Na0,23)Σ=0,60(SEE0,22Sr0,16Ba0,03)Σ=0,41CO3.
Nachdem Liang Youbin und Kollegen mitgeteilt hatten, dass Carbocernait in der Seltenmetalllagerstätte Bayan Obo, Baotou in China, in großen Mengen vorkommt, untersuchten Shi Nicheng und Kollegen dessen chemische Zusammensetzung. Sie ermittelten 10,27 % Ce2O3; 8,78 % La2O3; 0,99 % Pr6O11; 2,47 % Nd2O3; 0,30 % Sm2O3; 0,39 % Gd2O3; 17,77 % SrO; 5,24 % BaO; 16,68 % CaO; 0,53 % FeO; 3,15 % Na2O; 33,85 % CO2; 1,22 % H2O, Summe 101,64 %. Unter Ausschluss des H2O errechnete sich dadurch die empirische Formel (Sr0,44REE0,40Ba0,10)Σ=0,94(Ca0,78Na0,26)Σ=1,04[CO3]2, die nach der Kristallstrukturanalyse zu (Sr,SEE,Ba)(Ca,Na)[CO3]2 vereinfacht wurde.
Die offizielle Formel der IMA für den Carbocernait wird mit (Sr,Ce,La)(Ca,Na)(CO3)2 angegeben. Die Formel nach Strunz, (Sr,Ce,La)(Ca,Na)[CO3]2, folgt der IMA-konformen Formel, jedoch ist hier wie üblich der Anionenverband in einer eckigen Klammer zusammengefasst.
Die alleinige Elementkombination Sr–Ce–La–Na–Ca–C–O, wie sie der offiziellen Formel der IMA für den Carbocernait zu entnehmen ist, weist unter den derzeit bekannten Mineralen (Stand 2019) neben Carbocernait nur Calcioburbankit, Na3(Ca,REE,Sr)3(CO3)5, auf. Legt man die Schreibweise (Ca,Na)(Sr,Ce,Ba)(CO3)2 zugrunde, besitzen Burbankit, (Na,Ca)3(Sr,Ba,Ce)3(CO3)5, Khanneshit, (Na,Ca)3(Ba,Sr,Ce,Ca)3(CO3)5, und die unbenannte Phase UM1990-98-CO:BaCaNaREESr, (Na,Ca)3(Sr,Ba,Ce)3(CO3)5, eine nahezu identische chemische Zusammensetzung wie Carbocernait.
Carbocernait stellt ein intermediäres Glied einer Mischkristallreihe zwischen den beiden hypothetischen Endgliedern CaSr(CO3)2 und NaSEE(CO3)2 dar.
Kristallstruktur Carbocernait kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 6,430 Å; b = 7,301 Å und c = 5,214 Å sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Die Kristallstruktur von Carbocernait wurde ursprünglich von Alexander A. Woronkow und Juri A. Pyatenko in der gelöst, was von Shi Nicheng und Kollegen bestätigt wurde. Die Kristallstruktur zeigt an, dass sich das Sr-Atom und das Ca-Atom auf unterschiedlichen kristallographischen Positionen befinden. Entsprechend den elektrischen Dichte-Berechnungen existieren isomorphen Vertretungen zwischen Sr und SEE, Sr und Ba sowie zwischen Ca und Na. Die Sr(SEE,Ba)- und Ca(Na)-Atomschichten sind alternierend in Richtung der a-Achse angeordnet. Die trigonale (CO3)-Ebene liegt parallel zur a-Achse und schräg zur b- und c-Achse. Die trigonale (CO3)-Ebene wird entweder durch die Schicht mit den Sr(SEE,Ba)- oder die Schicht mit den Ca(Na)-Atomen in zwei gleiche Teile geteilt, da es sich hierbei um symmetrische Ebenen handelt. Folglich befindet sich zwischen den Schichten mit Sr(REE,Ba)- und den mit Ca(Na)-Atomen eine Schicht mit den Sauerstoff-Atomen der allgemeinen Position O1 und O2. Die Atome mit den Positionen C, O3, O4 befinden sich in der Schicht mit den Sr(REE,Ba)- oder Ca(Na)-Atomen. In der Kristallstruktur des Carbocernaits beträgt die Koordinationszahl von Sr(REE,Ba) acht, sein Koordinationspolyeder besteht aus einem trigonalen Prisma und zwei tetragonalen Pyramiden. Die Koordinationszahl von Ca(Na) ist sieben, sein Koordinationspolyeder besteht aus einem trigonalen Prisma und einer tetragonalen Pyramide. Eine dichte Packung wie z. B. beim Calcit oder Aragonit ist im Carbocernait nicht vorhanden; infolgedessen ist die Spaltbarkeit des Carbocernaits auch nicht sehr ausgeprägt.
Kristallstruktur von Carbocernait Farblegende: Sr Ce Ba Ca Na C O
Die Kristallstruktur des Paratooit-(La) ist eng mit der des Carbocernaits verwandt und bildet eine 1 × 2 × 2-Superstruktur zu der des Carbocernaits. Eine neuere Untersuchung von Carbocernait aus Wyoming ergab das Vorhandensein von Reflexionen, die die oben genannte verletzten, sehr ähnlich den Beobachtungen von Sergey V. Krivovichev und Kollegen am Paratooit-(La).
Eine weitere von Anton R. Chakhmouradian und Kollegen durch Einkristall-Röntgenbeugung untersuchte Probe, deren chemische Zusammensetzung [(Ca0,57Na0,42)Σ=0,99(Sr0,50SEE0,47Ba0,01)Σ=0,98(CO3)2] sich in etwa in der Mitte der Mischkristallreihe zwischen den beiden oben erwähnten hypothetischen Endgliedern befindet, weist eine eindeutig monokline Struktur mit den Gitterparametern a = 6,434 Å; b = 7,266 Å; c = 5,220 Å und β = 89,979° sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle auf. Die Verringerung der Symmetrie ist auf eine teilweise Kationenordnung auf siebenfach koordinierten Positionen zurückzuführen, die überwiegend von Ca und Na besetzt sind, sowie auf zehnfach koordinierten Positionen, die mit Sr, SEE und Ba besetzt sind.
Die Kristallstruktur des Carbocernaits besteht entsprechend dem neuen Modell von Chakhmouradian und Kollegen aus Ketten von A*O7-Polyedern mit gemeinsamen Kanten und Zickzack-Ketten von (B,B′)O10-Polyedern mit gemeinsamen Flächen, die sich parallel der b-Achse erstrecken. Die A*O7-Polyeder lassen sich am besten als einfach gekappte trigonale Prismen („monocapped triangular prism“) mit einer mittleren Kation-Sauerstoffatom-Distanz von ≈ 2,44 Å beschreiben, wobei dieser Koordinationstyp in Ca- und Na-haltigen anorganischen und auch organischen Komponenten nicht selten auftritt. Die B*O10-Polyeder stellen abgestumpfte hexagonale Bipyramiden dar. Die polyedrischen Gruppen sind miteinander durch gemeinsame Ecken, Kanten sowie auch durch parallel zu (250) und (0) orientierte Carbonatgruppen verbunden. Die Struktur kann auch durch gewellte Schichten aus B*O10-Bipyramiden beschrieben werden, die entlang der a-Achse mit isolierten Ketten aus gekappten A*O7-Prismens alternieren.
Eigenschaften mini|Zeichnung eines charakteristisch gestreiften Carbocernait-Kristalls mit keilförmigen Endflächen Morphologie Carbocernait bildet tafelige Kristalle bis zu 4 mm Größe, die typischerweise keilförmige Endflächen aufweisen (vergleiche dazu die nebenstehende Kristallzeichnung). An der Typlokalität ist die tragende Form der Kristalle das vordere Pinakoid {100}. Zur Tracht der Kristalle gehören ferner die Pinakoide {010} und {001}, das Doma {021} sowie die Prismen {540} und {210}. {305} und {210} bilden charakteristische Vizinalflächen. Die Kristalle treten zumeist zu clusterartigen Aggregaten zusammen.
Die Kristalle des Carbocernaits zeigen ein komplexes Nebeneinander von Kern-Rand-, Sektoren- und Mustern aus oszillierender Zonierung, das sich aus signifikanten Gehaltsschwankungen aller hauptsächlichen Kationen ergibt.