Als Pyroxengruppe bezeichnet man eine Gruppe von Mineralen aus der Abteilung der Kettensilikate. Ihre Kristallstruktur zeichnet sich durch Einfachketten aus eckenverknüpften SiO4-Tetraedern aus und ihre Zusammensetzung genügt der folgenden verallgemeinerten Summenformel:
M2 M1 T2O6.
In dieser Strukturformel repräsentieren M1, M2 und T unterschiedliche Positionen in der Pyroxenstruktur. Sie werden vorwiegend durch folgende Kationen belegt:
M1: Mg2+, Fe2+, Mn2+, Al3+, Fe3+, Ti4+, Ti3+, V3+, Sc3+, Cr3+, Zr4+, Zn2+ M2: Mg2+, Fe2+, Mn2+, Ca2+, Na+, Li+ T: Si4+, Al3+, Fe3+
Fett hervorgehoben sind die dominierenden Kationen auf den einzelnen Positionen.
Die Zusammensetzungen der Pyroxene sind sehr variabel und sie treten weltweit in sehr vielen verschiedenen Paragenesen und geologischen Milieus auf. Sie sind wichtiger Bestandteil sowohl magmatischer wie auch metamorpher Gesteine unterschiedlichster Zusammensetzung und Bildungsbedingungen.
Pyroxene haben eine Härte zwischen 5 und 6,5 sowie eine bleichgrüne bis bräunlichgrüne oder bronzene Farbe. Strichfarbe ist ein grünliches Weiß.
Eine sehr ähnliche Mineralgruppe sind die Amphibole; Pyroxen unterscheidet sich von diesen jedoch in der Spaltbarkeit; die Spaltwinkel bei Pyroxenen liegen bei 90 Grad, während sie bei Amphibol 120 Grad betragen. Pyroxene bilden kurze Säulen, Amphibole dagegen meist lange. Idiomorphe Pyroxene haben zwei Kopfflächen, Amphibole hingegen drei.
mini|Aegirin (schwarz) auf Feldspat vom Mountain Malosa, Zomba District, MalawiGröße: 3,0 × 2,8 × 2,0 cm
Etymologie und Geschichte Der Name Pyroxen stammt aus , und . Er spielt darauf an, dass Pyroxene vor allem in Vulkanlava auftreten, wo sie als Kristalleinschlüsse von Vulkanglas gefunden werden können; früher wurde angenommen, es handele sich nur um Verunreinigungen des Glases, so dass der Name „Feuerfremde“ entstand. Tatsächlich aber handelt es sich bei den Pyroxenen um Minerale, die vor der Lavaeruption kristallisieren.
Klassifizierung und Nomenklatur Basis einer korrekten Benennung eines Pyroxens ist eine vollständige chemische Analyse und die Anwendung eines vorgegebenen Berechnungsschemas, mit dem die genauen Gehalte der einzelnen Elemente normiert und auf die einzelnen Positionen (M1, M2, T) aufgeteilt werden.
Die Internationale Mineralogische Vereinigung (IMA) teilt die Pyroxene nach ihrer Zusammensetzung in 6 Gruppen ein:
Mg-Fe-Pyroxene Mn-Mg-Pyroxene Ca-Pyroxene Ca-Na-Pyroxene Na-Pyroxene Li-Pyroxene
In diesen sechs Gruppen werden 20 Basisnamen für Pyroxene festgelegt. Bedeutenden Abweichungen von den im Anschluss aufgeführten Zusammensetzungen wird durch vorangestellte Adjektive (titanreich, eisenreich, …) Rechnung getragen.
In den im Folgenden angegebenen Strukturformeln können sich die in Klammern stehenden Atome in beliebiger Mischung durch Substitution vertreten, stehen aber immer im selben Verhältnis zu den anderen Atomgruppen. Hier werden lediglich die idealisierten Zusammensetzungen der verschiedenen Pyroxene aufgeführt. Die Gültigkeit der Mineralnamen erstreckt sich jeweils über einen größeren Zusammensetzungsbereich. So werden z. B. alle Ca-armen Mg-Fe-Pyroxene mit Mg-Gehalten von 0 bis 1 Fe2+ als Enstatit bzw. Klinoenstatit bezeichnet.
Die Strukturformeln für Pigeonit, Augit, Omphacit und Aegirin-Augit beschreiben streng genommen Mischkristalle und keine Minerale. Die aktuellen Richtlinie für eine Mineral-Endgliedzusammensetzung erlaubt eine gemischte Besetzung nur einer Gitterposition mit maximal zwei verschiedenen Ionen. Aus Rücksicht auf die große Verbreitung dieser Pyroxene und die breite Verwendung dieser Mineralnamen in der Literatur werden sie weiterhin als eigenständige Minerale geführt.
Mg-Fe-Pyroxene mini|350px|Abb. 1: Quaternäre Ca-Mg-Fe-Pyroxene.
Mg-Fe-Pyroxene kommen sowohl mit orthorhombischer als auch monokliner Symmetrie vor.
Folgende Endglieder bilden die Grenzen der Mg-Fe-Pyroxene: Name M22+ M12+ T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungEnstatit Mg2+ Mg2+ Si4+2 O6 Ferrosilit Fe2+ Fe2+ Si4+2 O6 Protoenstatit Mg2+ Mg2+ Si4+2 O6 Protoferrosilit Fe2+ Fe2+ Si4+2 O6 hypothetisch, ~20% in ProtoenstatitKlinoenstatit Mg2+ Mg2+ Si4+2 O6 Klinoferrosilit Fe2+ Fe2+ Si4+2 O6 Pigeonit (Ca, Mg, Fe)2+ (Mg, Fe)2+ Si4+2 O6
Mn-Mg-Pyroxene Mg-Mn-Pyroxene kommen sowohl mit orthorhombischer als auch monokliner Symmetrie vor. Name M22+ M12+ T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungDonpeacorit Mn2+ Mg Si4+2 O6 Kanoit Mn2+ Mg Si4+2 O6
Ca-Pyroxene Alle Ca-Pyroxene kristallisieren mit monokliner Symmetrie.
Name M22+ M12+ T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungAugit (Ca, Mg, Fe2+) (Mg, Fe2+) Si4+2 O6 Diopsid Ca2+ Mg2+ Si4+2 O6 Hedenbergit Ca2+ Fe2+ Si4+2 O6 Johannsenit Ca2+ Mn2+ Si4+2 O6 Petedunnit Ca2+ Zn2+ Si4+2 O6 M22+ M13+ T3+T4+ O2− Kushiroit Ca2+ Al3+ Al3+Si4+ O6 Esseneit Ca2+ Fe3+ Al3+Si4+ O6 Burnettit Ca2+ V3+ Al3+Si4+ O6 Davisit Ca2+ Sc3+ Al3+Si4+ O6 Grossmanit Ca2+ Ti3+ Al3+Si4+ O6 M22+ M14+0,5M12+0,5 T3+T4+ O2− Buffonit Ca2+ Ti4+0,5Mg2+0,5 Fe3+Si4+ O6 hypothetisches Ti4+-Fe3+- EndgliedAl-Buffonit Ca2+ Ti4+0,5Mg2+0,5 Al3+Si4+ O6 hypothetisches Ti4+-Al3+- Endglied M22+0,5□0,5 M13+ T4+2 O2− Tissintit Ca2+0,5□0,5 Al3+ Si4+2 O6 Chrom-Eskola-Pyroxen Mg2+0,5□0,5 Cr3+ Si4+2 O6 hypothetisches Endglied
Ca-Na-Pyroxene mini|350px|Abb. 2: Ca-Na-Pyroxene
Omphacit kommt in der Natur in zwei verschiedenen Symmetrien vor. -Omphacite unterscheiden sich strukturell von den übrigen Pyroxenen und können als eigene Spezies angesehen werden. -Omphacite können als Jadeit-Diopsid-Hedenbergit-Mischkristall betrachtet werden.
Aegirin-Augit wurde bislang nur mit der gefunden und kann als Aegirin-Diopsid-Hedenbergit-Mischkristall betrachtet werden.
Name M22+0,5M2+0,5 M12+0,5M13+0,5 T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungOmphacit Ca2+0,5Na+0,5 (Mg, Fe)2+0,5Al3+0,5 Si4+2 O6 , Aegirin-Augit Ca2+0,5Na+0,5 (Mg, Fe)2+0,5Fe3+0,5 Si4+2 O6
Na-Pyroxene Name M2+ M13+ T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungJadeit Na+ Al3+ Si4+2 O6 Aegirin Na+ Fe3+ Si4+2 O6 Kosmochlor Na+ Cr3+ Si4+2 O6 Jervisit Na+ Sc3+ Si4+2 O6 Namansilit Na+ Mn3+ Si4+2 O6 Natalyit Na+ V3+ Si4+2 O6
Li-Pyroxene Name M2+ M13+ T4+2 O2−6 Raumgruppe AnmerkungSpodumen Li+ Al3+ Si4+2 O6
Die Zusammensetzungen natürlich auftretender Pyroxene liegen häufig zwischen den idealisierten Zusammensetzungen dieser Gruppen. Entsprechend wurde eine weitere, gröbere Einteilung entwickelt, die dieser komplexen Mischbarkeit von Kationen auf den Positionen M1 und M2 Rechnung trägt. Danach werden vier chemische Gruppen unterschieden: Quaternäre Pyroxene (Abb. 1): Alle Ca-Mg-Fe-Pyroxene mit weniger als 0,2 Na (Enstatit, Ferrosilit, Pigeonit, Klinoenstatit, Klinoferrosilit, Diopsid, Hedenbergit, Augit). Die Symmetrie der Ca-reichen quaternären Pyroxene unterscheidet sich bei Raumtemperatur im Detail von derjenigen der Ca-armen Pyroxene. Die Unterscheidung zwischen Augit (monoklin in der Raumgruppe C2/c) und Pigenonit (monoklin in der Raumgruppe P21/c) erfolgt anhand dieses Wechsels in der Symmetrie. Augite und Pigeonite unterscheiden sich auch in ihren Ca-Gehalten. Daher wird für die Namensgebung meist die einfacher zu bestimmende Zusammensetzung herangezogen. Die Ca-Gehalte von Pigeonite ((Mg, Fe2+)1,9–1,6Ca0,1–0,4Si2AlO6) liegen unter 0,4 Atomen pro Formeleinheit (apfu) und die von Augite (Ca0,4–0,9(Mg,Fe2+)1,6–1,1Si2O6) darüber. Ca-Na-Pyroxene (Abb. 2): Ca-Mg-Fe-Pyroxene mit 0,2 bis 0,8 Na (Omphacit, Aegirin-Augit). Na-Pyroxene (Abb. 2): Al-Fe-Pyroxene mit 0,8 bis 1,0 Na (Jadeit, Aegirin). sonstige Pyroxene: Diese Gruppe enthält alle weiteren Pyroxene, von denen oft nur wenige Vorkommen mit außergewöhnlichen Zusammensetzungen geringer Variabilität bekannt sind (Spodumen, Essenit, Johannsenit, Petedunnit, Kanoit, Donpeacorit).
Nach der Symmetrie werden Pyroxene weiterhin in zwei Gruppen unterteilt: Klinopyroxene: Pyroxene mit monokliner Symmetrie Orthopyroxene: Pyroxene mit orthorhombischer Symmetrie
Bildung und Fundorte Pyroxene kommen sowohl massiv, in gekörnter Form als auch als meist dunkle, kurze, prismenförmige Kristalle vor. Als gesteinsbildende Minerale finden sie sich häufig in quarzarmen magmatischen Gesteinen wie Basalt, Gabbro und Pyroxenit. Kalziumreiche Klinopyroxene sind daneben auch in metamorphosiertem Kalkstein (=Skarn) enthalten, während in Steinmeteoriten in erster Linie Orthopyroxene, also kalziumarme Pyroxene, vorkommen. Im südlichen Hochland des Mars lassen die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchungen auf das Vorkommen von Pyroxen und Olivin schließen, die vulkanischen Gesteinen entstammen.
Kristallstruktur Die Variationsbreite der chemischen Zusammensetzung der Pyroxene findet ihre Erklärung in ihrer Kristallstruktur. Sie weist Kationenpositionen von sehr unterschiedlicher Größe und Form auf und bietet so einer Vielzahl von Kationen unterschiedlichster Größe und Ladung Platz. Auf allen diesen Kationenpositionen sind die Kationen von Sauerstoffanionen umgeben. Die verschiedenen Positionen unterscheiden sich in der Anzahl der umgebenden Anionen (Koordinationszahl), deren Abstand zum Kation und Anordnung um das Kation herum. Generell gilt: Je mehr Anionen ein Kation umgeben, desto größer wird der mittlere Abstand von der Kationenposition zu den Anionen, desto schwächer werden die einzelnen Bindungen und desto größer wird der ionische Charakter der Bindungen.
Die Pyroxenstruktur weist Kationenpositionen mit 3 verschiedenen Koordinationszahlen auf. Tetraederpositionen (T): 4 Sauerstoffionen (O2−) umgeben ein Kation tetraederförmig. Diese Position bietet kleinen Kationen mit zumeist hoher Ladung Platz (Si4+, Ti4+, Al3+). Die kurzen Kation-Anion-Bindungen haben einen hohen kovalenten Anteil (Atombindungen). Atombindungen sind stark gerichtet. Daher muss die Geometrie der bindenden Atomorbitale möglichst gut mit der Anordnung der umgebenden Anionen übereinstimmen. Erfüllt wird diese geometrische Randbedingung z. B. von sp3-hybridisierten Kationen wie Si4+. In dieser Elektronenkonfiguration vereinigt sich das eine äußere s-Orbital mit den drei äußeren p-Orbitalen zu 4 tetraedrisch ausgerichteten sp3-Hybridorbitalen. Oktaederposition (M1): 6 Sauerstoffionen (O2−) umgeben ein Kation oktaederförmig. Diese Position bietet mittelgroßen, zumeist zwei- und dreiwertigen Kationen Platz (Mg2+, Fe2+, Mn2+, Al3+, Fe3+). Die Bindungen sind vorwiegend ungerichtet ionisch. 6 bis 8-fach koordinierte Plätze (M2): 6–8 Sauerstoffionen (O2−) umgeben ein Kation. Diese Position bietet mittelgroßen bis großen ein bis zweiwertigen Kationen Platz (Mg2+, Fe2+ oder Na+, Ca2+). Die Bindungen sind schwach und vorwiegend ionisch. Kationen mittlerer Größe (Mg2+, Fe2+) sind 6-fach koordiniert, größere (Na+, Ca2+) 8-fach.
Die nebenstehenden Strukturabbildungen zeigen der Klarheit wegen nur die Flächen dieser Koordinationspolyeder. Die Sauerstoffe und Kationen selbst sind nicht dargestellt. Die Sauerstoffanionen befinden sich auf den Ecken der Polyeder, die Kationen im Zentrum der Polyeder.
Silicat-Anionenkomplex mini|150px|Pyroxenstruktur: Zweier Einfach-SiO4-Tetraederketten parallel zur kristallographischen c-Achse; Blaues Rechteck: Elementarzelle
Das strukturelle Charakteristikum aller Pyroxene ist die Einfachkette aus SiO4-Tetraedern mit der Summenformel [Si2O6]4−. Hierin sind die SiO4-Tetraeder über zwei Sauerstoffe zu idealerweise unendlichen Ketten verbunden.
Nach der Silicatklassifikation von F. Liebau gehören die Pyroxene zur Gruppe der unverzweigten zweier Einfachketten-Silicate. Innerhalb einer Kette wiederholt sich die Orientierung der Silicattetraeder mit jedem zweiten Tetraeder (zweier Kette). Die Ketten sind untereinander nicht direkt miteinander verbunden (Einfachkette) und von der Kette zweigen keine weiteren Tetraeder ab (unverzweigt).