Das Mineral Staurolith (auch Kreuzstein oder Basler Taufstein) ist ein häufig vorkommendes Inselsilikat mit der allgemeinen chemischen Zusammensetzung M2+4Al18Si8O46(OH)2. In dieser vereinfachten Strukturformel steht M2+ für zweiwertige Kationen, vorwiegend Eisen (Fe2+), Magnesium (Mg2+) und Zink (Zn2+) in beliebigen Mischungsverhältnissen. Nach den Gehalten dieser Kationen werden in der Staurolithgruppe vier Minerale unterschieden:
Staurolith (Eisenstaurolith): Fe2+2Al9Si4O23(OH) Magnesiostaurolith: Mg(Mg,Li)3(Al,Mg)18Si8O44(OH)4 Zinkstaurolith (engl. Zincostaurolite): Zn2Al9Si4O23(OH)
Staurolithe kristallisieren im monoklinen Kristallsystem und entwickeln überwiegend prismatische bis tafelige Kristalle und charakteristisch-kreuzförmige Kristallzwillinge, aber auch körnige bis massige Aggregate in rotbrauner bis braunschwarze Farbe.
Etymologie und Geschichte Der deutsche Name Kreuzstein spielt auf die häufig zu findende kreuzförmige Verzwillingung an. Aus diesem Grunde wurden größere Kristalle oft von Christen als Schmuck oder Amulett getragen. Insbesondere in den Schweizer Alpen waren sie auch unter dem Namen Basler Taufstein weit verbreitet.
Auch der griechische Wortstamm Stauro- (stauros σταυρóς), aus dem der wissenschaftliche Name Staurolith abgeleitet ist, bedeutet „Kreuz“. Die Endung -lith, mit der Mineralnamen produktiv abgeleitet werden, stammt ebenfalls aus dem Griechischen und entspricht dem Substantiv für „Stein“ (lithos λíθος).
Klassifikation In der veralteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Staurolith zur Mineralklasse der „Silikate und Germanate“ und dort zur Abteilung der „Neso-Subsilikate“ (Mit Kationen in oktaedrischer Koordination (usw.)), wo er zusammen mit Fraipontit, Sapphirin und Topas die unbenannte Gruppe VIII/A’.03 bildete.
Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis nach Stefan Weiß, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser alten Form der Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. VIII/B.03-10. In der „Lapis-Systematik“ entspricht dies der Abteilung „Inselsilikate mit tetraederfremden Anionen“, wo Staurolith zusammen mit Gerstmannit, Klinoedrit, Magnesiostaurolith, Stringhamit und Zinkstaurolith eine eigenständige, aber unbenannte Gruppe bildet.
Die von der International Mineralogical Association (IMA) zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Staurolith ebenfalls in die Klasse „Silikate und Germanate“ und dort in die Abteilung der „Inselsilikate (Nesosilikate)“. Diese Abteilung ist allerdings weiter unterteilt nach der möglichen Anwesenheit weiterer Anionen sowie der Koordination der beteiligten Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung der „Inselsilikate mit zusätzlichen Anionen; Kationen in er-, er- und/oder nur er-Koordination“ zu finden ist, wo es als Namensgeber die „Staurolithgruppe“ mit der System-Nr. 9.AF.30 und den weiteren Mitgliedern Magnesiostaurolith und Zinkstaurolith bildet.
Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Staurolith in die Klasse der „Silikate und Germanate“, dort allerdings in die Abteilung der „Inselsilikate: SiO4-Gruppen und O, OH, F und H2O“ ein. Hier ist er zusammen mit Magnesiostaurolith und Zinkstaurolith in der unbenannten Gruppe 52.02.03 innerhalb der Unterabteilung der „Inselsilikate: SiO4-Gruppen und O, OH, F und H2O mit Kationen in und >-Koordination“ zu finden.
Chemismus Die Zusammensetzung von Staurolith ist von Bedeutung, weil aus dem Auftreten von Staurolith Rückschlüsse auf die Bildungsbedingungen des staurolithführenden Gesteins gezogen werden können. Dies geschieht mit der Zielsetzung, die Druck- und Temperaturgeschichte eines Gesteins zu ermitteln und daraus die Bewegung von ganzen Gesteinsformationen in der Erdkruste zu rekonstruieren.
Zur Ermittlung solcher Druck- und Temperaturdaten müssen Mineralreaktionen berechnet werden. Hierfür benötigt man zum einen Informationen über die Zusammensetzung aller beteiligten Minerale und zum anderen detaillierte Kenntnisse der intrakristallinen Verteilung der Elemente auf die verschiedenen Positionen der Mineralstruktur.
Elementgehalte Die eingangs angegebene chemische Formel gibt eine vereinfachte Zusammensetzung von Staurolith wieder. Die Komplexität der Kristallchemie von Staurolith erschließt sich erst, wenn die Gehalte schwer analysierbarer Elemente wie Lithium und Wasserstoff sowie die Verteilung der Elemente auf die verschiedenen Kationenpositionen berücksichtigt wird. In der Mineralogie haben sich Strukturformeln für die Notation von Mineralzusammensetzungen durchgesetzt, weil sie zusätzlich noch strukturelle Informationen enthalten. Eine vereinfachte Strukturformel für Staurolith lautet:
(Fe,Mg,Zn,Co,Ni,Mn,Li,Al)2-4(Al,Cr,Ti,Mg,Fe)18(Si,Al)8O40(O,OH)8.
In dieser Formel sind die Elementgehalte der Positionen T2 und M4 in der ersten Klammer (Fe,...)2-4 zusammengefasst. Die zweite Klammer enthält die Elemente der Aluminiumoktaeder M1,2,3 und die dritte Klammer die Elemente des Siliziumtetraeders T1. O40 sind die Sauerstoffionen der Sauerstoffpositionen O2,3,4,5, während (O,OH)8 die Zusammensetzung der Sauerstoffposition O1 wiedergibt. Letzteres ist das Sauerstoffion, über das die Oktaeder M3 und M4 verknüpft sind und an das die Wasserstoffionen gebunden sind (OH-Gruppen).
Eine Durchsicht von knapp 550 publizierten Zusammensetzungen natürlicher Staurolithe liefert folgendes Bild der Elementkonzentrationen: Si4+: 7 bis 8 apfu (Atome pro Formeleinheit), im Mittel: 7,72 apfu Al3+: 16,1 bis 19,5 apfu, im Mittel: 17,8 apfu Ti4+: 0 bis 0,35 apfu, im Mittel: 0,1 apfu Cr3+: 0 bis 1,4 apfu, im Mittel: 0 apfu Fe3+: 0 bis 0,36 apfu, häufig nicht bestimmt Fe2+: 0,15 bis 3,9 apfu, im Mittel: 2,7 apfu Mg2+: 0 bis 3 apfu, im Mittel: 0,7 apfu Zn2+: 0 bis 2,8 apfu, im Mittel: 0,4 apfu Co2+: 0 bis 2,1 apfu, im Mittel: 0 apfu Mn2+: 0 bis 0,45 apfu, im Mittel: 0,06 apfu Li+: 0 bis 1,6 apfu, oft nicht bestimmt H+: 1,8 bis 4,6 apfu, oft nicht bestimmt
Elementverteilungen Alle Si4+-Ionen befinden sich auf der T1-Position. Sind weniger als 8 Siliziumionen pro Formeleinheit vorhanden, werden die verbleibenden T1-Plätze mit Aluminiumionen gefüllt. Der Ladungsausgleich erfolgt über den Einbau von einem Wasserstoffion pro Aluminiumion auf T1.
Fast alle dreiwertigen Kationen sowie Ti4+ und ungefähr 10 Prozent aller zweiwertigen Kationen werden auf den Oktaederpositionen M1,2,3 eingebaut. Eine Ausnahme bildet Zn2+, das nur auf der Tetraederposition T2 eingebaut wird. Der Ladungsausgleich für den Einbau eines zweiwertigen Kations anstelle eines dreiwertigen erfolgt über den Einbau eines Wasserstoffions pro zweiwertigem Kation auf der Position M1,2,3.
Die größte Variation in der Zusammensetzung von Staurolith verursachen die zweiwertigen Kationen. In der Natur kommen alle Zusammensetzungen zwischen reinen Eisen-Staurolithen sowie Magnesium- oder Zink-Staurolithen vor, aber keine Magnesium-Zink-Staurolithe. Der überwiegende Anteil der zweiwertigen Kationen, etwa 80 bis 90 Prozent, sowie Lithium und geringe Mengen Aluminium und dreiwertiges Eisen werden auf der Tetraederposition T2 eingebaut. Der Ladungsausgleich für den Einbau von dreiwertigen anstelle der zweiwertigen Kationen erfolgt über eine Reduzierung der Wasserstoffionengehalte.
Ungefähr 5 bis 10 Prozent der zweiwertigen Kationen mit Ausnahme von Zink wird in der ansonsten leeren M4-Oktaederposition eingebaut. Da eine gleichzeitige Besetzung benachbarter T2- und M4-Positionen ausgeschlossen werden kann, müssen für jede besetzte M4-Position zwei T2-Positionen leer sein. Der erforderliche Ladungsausgleich erfolgt über den Einbau von zwei zusätzlichen Wasserstoffionen pro besetzte M4-Position.
Kristallstruktur Staurolith kristallisiert in der monoklinen mit den Gitterparametern a = 7,87 Å; b = 16,62 Å; c = 5,66 Å und β = 90,1° sowie einer Formeleinheit pro Elementarzelle.
In fast allen gesteinsbildenden Silikaten wie etwa Glimmern, Pyroxenen, Amphibolen und Olivinen werden zweiwertige Kationen in Oktaederlücken eingebaut. Die Kristallstruktur von Staurolith ist interessant, weil sie eine der wenigen Silikatstrukturen ist, in der zweiwertige Kationen vorwiegend in Tetraederlücken auftreten. Dies hat eine deutlich sichtbare Konsequenz: Eisenhaltige Staurolithe sind gelblich braun, während Minerale mit zweiwertigen Eisenionen in oktaedrischer Koordination intensiv grün gefärbt sind. Weniger offensichtlich ist, dass Staurolith eine Ausnahme von einer der Daumenregeln der Kristallchemie darstellt, der Druck-Koordinationsregel: Sie besagt, dass mit steigendem Druck die Anzahl der ein Kation umgebenden Anionen, die so genannte Koordinationszahl, zunimmt.
Staurolith bildet sich im Zuge aufsteigender Metamorphose aus Mineralen, in denen die zweiwertigen Kationen oktaedrisch koordiniert sind, zum Beispiel Chloritoid. Die Bildung von Staurolith bei steigenden Druck geht also mit einer Erniedrigung der Kationenkoordination einher.
Atompositionen Die Struktur der Staurolithe kann in guter Näherung als kubisch dichteste Kugelpackung von Sauerstoffanionen (O2−) beschrieben werden. Die Kationen sitzen hierbei in den Lücken zwischen den Sauerstoffanionen. In dichtesten Kugelpackungen gibt es zwei verschiedene Arten solcher Lücken, die sich in der Anzahl der angrenzenden Kugeln (Sauerstoffanionen in diesem Fall) unterscheiden:
Tetraederlücken sind Lücken zwischen vier Sauerstoffanionen. Die Sauerstoffatome befinden sich an den Ecken einer tetraederförmigen Lücke. Oktaederlücken sind Lücken zwischen sechs Sauerstoffanionen. Die Sauerstoffatome befinden sich an den Ecken einer oktaederförmigen Lücke.
Im Falle der Staurolithstruktur ist die kubisch dichteste Kugelpackung verzerrt. Die Oktaederlücken sind nicht alle gleich groß und ihre Form weicht von einer idealen Oktaederform ab. Gleiches gilt für die Tetraederlücken. Die Symmetrie der Staurolithstruktur ist daher nicht kubisch, sondern monoklin und wird durch die Raumgruppe C2/m beschrieben. Der monokline Winkel β schwankt zwischen 90.0° und 90,64°.
Die verschiedenen Kationen, die die Zusammensetzung der Staurolithe ausmachen, verteilen sich in erster Linie entsprechend ihrer Größe auf die verschiedenen Positionen der Staurolithstruktur. Die Staurolithstruktur weist zwei verschiedene Tetraederlücken auf:
Die Lücke T1 enthält alle Siliciumionen (Si4+) und meistens kleine Mengen von Aluminiumionen (Al3+). Diese Tetraederposition ist immer vollständig besetzt. Die Lücke T2 enthält den größten Teil aller zweiwertigen Kationen (Fe2+, Mg2+, Zn2+, Co2+). Diese Position ist oft nicht vollständig besetzt, das heißt, es gibt leere T2-Tetraederlücken.
Neben den Tetraederlücken gibt es vier verschiedene Oktaederpositionen:
Lücken M1A und M1B enthalten Aluminiumionen (Al3+) sowie geringe Mengen zweiwertiger Kationen, vor allem Magnesium. Diese Positionen sind immer vollständig besetzt. Lücke M2 enthält Aluminiumionen (Al3+) sowie sehr geringe Mengen zweiwertiger Kationen, vor allem Magnesium. Diese Position ist immer vollständig besetzt. Lücken M3A und M3B enthalten Aluminiumionen (Al3+) sowie geringe Mengen zweiwertiger Kationen, vor allem Magnesium. Diese Position ist nur zur Hälfte besetzt. Die Verteilung von Kationen und Leerstellen auf die M3-Oktaederpositionen M3A und M3B ist hauptsächlich verantwortlich für die Variation des monoklinen Winkels β. Bei vollständiger Ordnung, d. h. M3A ist vollständig besetzt mit Kationen und M3B ist vollkommen leer, erreicht β seinen maximalen Wert von 90,64°. Bei vollkommen gleichmäßiger Verteilung von Kationen und Leerstellen auf die M3A- und M3B-Oktaeder geht β auf 90,0° zurück. In diesem Grenzfall erreicht die Staurolithstruktur orthorhombische Symmetrie in der Raumgruppe Ccmm.