Norsethit ist ein selten vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Carbonate und Nitrate“ (ehemals Carbonate, Nitrate und Borate). Es kristallisiert im trigonalen Kristallsystem mit der idealisierten chemischen Zusammensetzung BaMg(CO3)2 und damit chemisch gesehen ein Barium-Magnesium-Carbonat.
Norsethit bildet nach {0001} plattige oder nach {101} flachrhomboedrische Kristalle von 0,2 bis 2,0 mm Größe, in deren Kristalltracht das Basispinakoid {0001}, das Rhomboeder {101} sowie die Prismen {100} und {110} identifiziert wurden. Ferner findet sich Norsethit in Form von gewellt-körnigen Mineral-Aggregaten.
Die Typlokalität des Norsethits sind dolomitische schwarze Ölschiefer unterhalb des Trona-Hauptlagers der „Westvaco Trona Mine“ () in der „Green-River-Formation“, ca. 30 km westnordwestlich von Green River im Sweetwater County, Wyoming, Vereinigte Staaten.
Etymologie und Geschichte Bei der Untersuchung von authigenen Mineralen aus der sich über die US-amerikanischen Bundesstaaten Wyoming, Utah und Colorado erstreckenden Green-River-Formation identifizierte der US-amerikanische Mineraloge Charles Milton eine Phase, welche sich in der Folge als neues Mineral erwies.
Im Jahre 1961 erfolgte die wissenschaftliche Erstbeschreibung dieses Minerals durch eine Team US-amerikanischer Wissenschaftler aus dem United States Geological Survey um Mary Emma Mrose, E. C. T. Chao, Joseph James Fahey und Charles Milton im amerikanischen Wissenschaftsmagazin „The American Mineralogist“ als Norsethit (). Sie benannten das Mineral nach dem Ingenieurgeologen der „Westvaco Trona Mine“ Keith Norseth (1927–1991) als Dank für dessen Hilfe bei der mineralogischen Untersuchung der authigenen Minerale der Green-River-Formation.
Das Mineral wurde von der „Commission on New Minerals and Mineral Names“ der International Mineralogical Association (IMA) in einem 1962 erschienenen, die 62 Erstbeschreibungen der Jahre 1959 bis 1960 zusammenfassenden Report als Mineral anerkannt. Infolgedessen besitzt Norsethit keine IMA-Nummer, sondern wird unter der Summenanerkennung „IMA 1962 s.p.“ (special procedure) geführt.
Das Typmaterial für Norsethit wird unter den Katalognummern 137148 (Donation M. E. Mrose, U.S.G.S., 1977) und 162606 (Donation J. Erdely, via J. J. Trelawney Collection, 1985) in der Sammlung des zur Smithsonian Institution gehörenden National Museum of Natural History in Washington, D.C., USA, aufbewahrt.
Klassifikation In der letztmalig 1977 überarbeiteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Norsethit zur Mineralklasse der „Nitrate, Carbonate und Borate“ und dort zur Abteilung „Wasserfreie Carbonate ohne fremde Anionen“, wo er als einziges Mitglied die nach ihm benannte „Norsethit-Reihe“ mit der Systemnummer Vb/A.03b innerhalb der „Dolomit-Norsethit-Gruppe“ (Vb/A.03) bildete.
In der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß, die formal auf der alten Systematik von Karl Hugo Strunz in der 8. Auflage basiert, erhielt das Mineral die System- und Mineralnummer V/B.03-050. Dies entspricht ebenfalls der Abteilung „Wasserfreie Carbonate [CO3]2−, ohne fremde Anionen“, wo Norsethit zusammen mit Ankerit, Benstonit, Dolomit, Huntit, Kutnohorit und Minrecordit die „Dolomitgruppe“ mit der Systemnummer V/B.03 bildet.
Die von der IMA zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Norsethit in die um die Borate reduzierte Klasse der „Carbonate und Nitrate“, dort aber ebenfalls in die Abteilung der „Carbonate ohne zusätzliche Anionen; ohne H2O“ ein. Diese ist allerdings 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 eine unbenannte Gruppe mit der Systemnummer 5.AB.30 bildet.
In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichen Systematik der Minerale nach Dana hat Norsethit die System- und Mineralnummer 14.02.02.01. Dies entspricht der gemeinsamen Klasse der „Carbonate, Nitrate und Borate“ und dort der Abteilung „Wasserfreie Carbonate“, wo das Mineral zusammen mit Paralstonit und Olekminskit die „Norsethitgruppe“ mit der Systemnummer 14.02.02 innerhalb der Unterabteilung „Wasserfreie Carbonate mit der Formel A+B2+(CO3)2“ zu finden ist.
Chemismus Mittelwerte aus 15 Mikrosondenanalysen an Norsethiten aus einem Mg-Karbonatit im Karbonatit-Alkaligesteinskomplex von Tapira (Südost-Brasilien) lieferten 14,08 % CaO; 53,76 % BaO; 0,16 % CaO; 0,61 % FeO; 0,06 % ZnO und 31,33 % CO2 (bestimmt durch Differenz zu 100 %). Auf der Basis von sechs Sauerstoff-Atomen errechnet sich daraus die empirische Formel (Ba0,98Ca0,01Fe0,01)Σ=1,00(Mg0,98Fe0,02)Σ=1,00(CO3)2, die sich zu BaMg(CO3)2 idealisieren lässt. Diese idealisierte Formel erfordert 14,31 % MgO; 54,44 % BaO und 31,25 % CO2.
Ein Mn-reicher Norsethit, Ba(Mg,Mn)(CO3)2, mit MnO-Gehalten von bis zu 5,7 % wurde erstmals aus der Eisenerz-Baryt-Lagerstätte „Kremikovtsi“, Oblast Sofia-Stadt, Bulgarien, beschrieben. Die empirische Formel dieses Mn-reichen Norsethits wurde mit Ba1,00(Mg0,81Mn0,19)(CO3)2 angegeben. Ferner wurden auch Ca-Mn-Fe-reiche Norsethit-Varietäten mit bis zu 0,92 % CaO, 1,44 % MnO und 2,13 % FeO nachgewiesen.
Die offizielle Formel der IMA für den Norsethit wird mit BaMg(CO3)2 angegeben. Die Formel BaMg[CO3]2 nach Strunz folgt der IMA-konformen Formel, jedoch ist hier wie üblich der Anionenverband in einer eckigen Klammer zusammengefasst.
Die alleinige Elementkombination Ba–Mg–C–O, wie sie der offiziellen Formel der IMA für den Norsethit zu entnehmen ist, weist unter den derzeit bekannten Mineralen (Stand 2020) nur Norsethit auf. Es existiert eine unbenannte Phase Unnamed (Ba-Mn Carbonate) mit der identischen Formel wie Norsethit, bei der es sich möglicherweise um UM1988-01-CO:BaMn, eine bereits von der IMA anerkannte Phase, handelt.
Aus chemischer Sicht stellt Norsethit das Mg-dominante Analogon zu den Ca-dominierten Mineralen Alstonit, Paralstonit und Barytocalcit, alle BaCa(CO3)2, das Ba-dominante Analogon zum Ca-dominierten Dolomit, CaMg(CO3)2, sowie das Ba-Mg-dominante Analogon zum Ca-Mn2+-dominierten Kutnohorit, CaMn2+(CO3)2, zum Ca-Zn-dominierten Minrecordit, CaZn(CO3)2, und zum Na-Cu-dominierten Juangodoyit, Na2Cu(CO3)2, dar. Zwischen einigen dieser Minerale und Norsethit können – möglicherweise unvollständige – Mischkristallreihen existieren. Zwischen einem aus wässrigen Lösungen (Ostsee-Meerwasser) synthetisiertem Ba-Mn-Carbonat mit der Formel BaMn(CO3)2 und Norsethit sensu stricto wird ebenfalls Mischkristallbildung diskutiert.
Kristallstruktur In der Originalpublikation waren die Struktur des Norsethits als ähnlich zu der des Calcits bezeichnet und als mögliche Raumgruppen , und angegeben worden. Nach Herta Effenberger und Josef Zemann kristallisiert Norsethit im trigonalen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 5,022 Å und c = 16,77 Å sowie drei Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Erst in einer Arbeit von Herta Silvia Effenberger und Kollegen aus dem Jahre 2014 konnte die Struktur des Norsethits vollständig geklärt werden. Danach kristallisiert Norsethit im trigonalen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 5,0212 Å und c = 33,581 Å sowie sechs Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Die Kristallstruktur des Norsethits kann – wie auch die des Dolomits – stark vereinfacht von der Kristallstruktur des Calcits abgeleitet werden, in der alternierende Ca- und Carbonat-Schichten senkrecht zur c-Achse (0001) liegen und jedes Ca2+ durch sechs äquidistante Sauerstoff-Ionen koordiniert wird. Im Dolomit wird jede zweite Ca-Schicht durch eine Mg-Schicht ersetzt, wobei dieser Austausch mit einer geringen Rotation der Carbonat-Gruppen einhergeht, was zu kleineren Mg-O- und größeren Ca-O-Abständen führt. Die führt zu einer Reduzierung der Symmetrie von zu . Die Struktur des Norsethits wird wiederum aus der des Dolomits durch Austausch von Ca mit Ba hergeleitet, was zu einer weiteren Rotation der Carbonat-Gruppen sowie zur Raumgruppe führt. Aufgrund dieser Rotation der Carbonat-Gruppe wird Ba unregelmäßig und asymmetrisch von sechs stark gebundenen O-Atomen (wie Ca in Dolomit) und sechs schwach gebundenen O-Atomen mit einem größeren Ba-O-Abstand koordiniert.
Generell entspricht die Kristallstruktur von BaMg(CO3)2 (Norsethit) der einer Gruppe von R-zentrierten trigonalen Doppelcarbonaten mit zwei unterschiedlichen Kationenpositionen (M1 und M2) und der allgemeinen Formel M1M2(CO3)2. Diese Kationen sind in Schichten parallel (0001) angeordnet, welche über die dreieckigen CO3-Gruppen miteinander verbunden sind. Aufgrund der R-Zentrierung sind in jeder (n+3)-ten M-Schicht abwechselnd M1- und M2-Atome exakt übereinander gestapelt, getrennt durch das Zentrum einer Carbonatgruppe. Die Atome M1 und M2 besitzen eine mehr oder weniger verzerrte oktaedrische Koordinierung.
Effenberger und Kollegen haben mögliche Strukturveränderungen des Norsethits bei Änderungen der Temperatut untersucht. Entsprechend der Verfeinerung eines geordneten Modells in der wahren Raumgruppe weist das Ba-Atom eine [6+6]-Koordination auf. Der Unterschied zwischen den einzelnen Ba-O-Bindungslängen beträgt ≈ 10 % und nimmt mit zunehmender Temperatur ab, infolgedessen wird das BaO12-Polyeder bei höheren Temperaturen regelmäßiger. Die Anordnung der sechs nächsten Nachbarn entspricht einem geringfügig verzerrten trigonalen Prisma, bei dem die Ober- und Unterseite um den Winkel von 8,7º gegeneinander verdreht sind. Betrachten man die anderen sechs Liganden, ähnelt die polyedrische Geometrie einem ditrigonalen Prisma. Das BaO12-Polyeder besitzt gemeinsame Kanten mit den CO3-Gruppen. Betrachtet man nur die kurzen Bindungen, so besitzt die BaO6-Konfiguration nur gemeinsame Ecken mit benachbarten Carbonat-Gruppen. Die gemeinsamen O-O-Kanten zwischen dem BaO12-Polyeder und den CO3-Gruppen kontrollieren die Verkürzung und sind für die Verzerrung einer ursprünglich regulären ditrigonalen prismatischen Geometrie verantwortlich. Das Ba-Atom zeigt moderate Verschiebungsparameter mit der größten Dehnung parallel zu . Das Mg-Atom ist oktaedrisch koordiniert und die Variationen der Mg-O-Bindungsabstände mit der Temperatur sind im Vergleich zum Ba-Atom weniger deutlich ausgeprägt. Die O-Mg-O-Bindungswinkel ändern sich kontinuierlich und das MgO6-Polyeder wird mit abnehmende Temperatur regelmäßiger. Die variable Verzerrung spiegelt sich auch in der Änderung des Polyedervolumens wider. Die Verschiebungsparameter sind wie beim Ba-Atom moderat, variieren aber in einem kleineren Maßstab. Die CO3-Gruppe ist nicht planar – das Kohlenstoff-Atom ist aus der Ebene der drei Sauerstoff-Atome in Richtung der Schicht mit den Ba-Atomen verschoben. Die Abweichung von der Planarität ist im Norsethit signifikant größer als in anderen Carbonaten wie Dolomit, Ankerit, Bütschliit oder Rapidcreekit, erreicht aber nicht den Wert wie beim Thaumasit.