Lexikon der Geowissenschaften: Quarz
Quarz, Kieselsäure, Mineral mit der chemischen Formel SiO2, häufigstes Mineral der Erdkruste. Quarz kristallisiert trigonal-trapezoedrisch und hat Kristallklasse 32-D3. Die Struktur besteht aus einem dreidimensionalen Netzwerk von über alle Ecken verknüpften [SiO4]-Tetraedern. Die schraubenförmige Anordnung dieser Tetraeder parallel zur c-Achse läßt nach rechts und links gedrehte Kristallgitter (Rechts-Quarz und Links-Quarz) entstehen, die sich spiegelbildlich verhalten (Enantiomorphie). Quarz bildet häufig Zwillinge vor allem nach dem sogenannten Brasilianer-Gesetz (Verwachsung von abwechselnd Rechts- und Links-Quarz ( Abb. 1), dem sogenannten Dauphineer-Gesetz (Verwachsung von zwei Rechts- oder zwei Links-Quarzen) oder nach dem Japaner-Gesetz ( Abb. 2). Die Aggregate von Quarz sind stengelig, dicht, körnig oder faserig (Faser-Quarz). Quarz ist ein häufiges Versteinerungsmittel, z.B. in Kieselhölzern, seine Dichte beträgt 2,65 g/cm3, sein Schmelzpunkt 1710ºC und seine Härte nach Mohs 7. Er ist meist farblos oder weiß, durchsichtig, trübe oder undurchsichtig, zeigt auf Kristallflächen Glasglanz und auf den muscheligen Bruchflächen Fettglanz. Rötliche Spuren von Eisenoxid, z.B. bei Eisenkiesel, gelbliche, bräunliche u.a. Färbungen der Farbvarietäten von Quarz sind teils auf Verunreinigungen, teils auf Einwirkung radioaktiver Strahlung (bei Rauchquarz, dem dunkelbraunen bis braunschwarzen Morion, dem gelben bis orange-braunen Citrin und bei Amethyst) zurückzuführen und beruhen auf Kristallbaufehlern. Solche Farbzentren (Punktdefekte) lassen sich mit ionisierender Strahlung auch künstlich erzeugen (z.B. in Rauchquarz). Der Gehalt an verunreinigenden Spurenelementen in Quarz überschreitet selten 100 ppm. Am häufigsten wird Al3+ anstelle von Si4+ eingebaut; das entstandene Ladungsdefizit wird durch Li+, Na+, K+ und H+ (Bildung von Al-OH-Zentren) auf Zwischengitterplätzen und durch Elektronenleerstellen ausgeglichen. Wasser kann bis zu mehreren tausend ppm in Quarz enthalten sein,dabei entstehen Silanol-Gruppen (Si-OH).
Neben optischer Aktivität zeigen Quarzkristalle gegebenenfalls auch Piezoelektrizität (piezoelektrischer Effekt) und Thermolumineszenz (Lumineszenz). Weitere technisch wichtige Eigenschaften sind ein hoher Wärmeausdehnungskoeffizient, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die Durchlässigkeit für Licht aller Wellenlängen und hohe chemische Widerstandsfähigkeit. Quarz ist in Wasser, Salzsäure, Schwefelsäure u.a. Mineralsäuren praktisch unlöslich, dagegen löst er sich in Flußsäure (SiO2+4HF→SiF4+2H2O) und (pulverisiert) in konzentrierten siedenden Laugen oder geschmolzenen Alkalihydroxiden (2NaOH+SiO2→Na2SiO3+H2O) unter Bildung von Silicaten. Besonders die farblos durchsichtige Varietät Bergkristall enthält oft Einschlüsse (Mineraleinschlüsse) anderer Mineralien, z.B. goldfarbene Nadeln von Rutil (Venushaare), ferner Turmalin, Hämatit sowie auch fluide Einschlüsse (Flüssigkeitseinschlüsse), vor allem H2O, CO2, CH4 und auch NaCl. Milchquarz ist durch zahllose winzige Flüssigkeits- und Gaseinschlüsse weiß getrübt, Rosenquarz ist blaß bis kräftig rosa, Prasem ist lauchgrün, Aventurinquarz grasgrün gefärbt. Neben diesen sogenannten phanerokristallinen (oder makrokristallinen) Quarz-Abarten unterscheidet man noch mikro- oder kryptokristallinen Chalcedon und seine Varietäten sowie Achat, Onyx, Jaspis, Heliotrop, Kieselgesteine (z.B. Lydit) und Flint (Chert).
Beim Erhitzen auf über 573ºC wandelt sich Quarz in den äußerlich sehr ähnlichen, im Kristallgitter verschiedenen hexagonalen (Kristallklasse 622-D6) Hochquarz um, bei Abkühlung bildet sich reversibel wieder Quarz; diese Umwandlung kann als sogenanntes geologisches Thermometer (Thermobarometrie) verwendet werden. Daneben gibt es weitere Modifikationen wie die Hochtemperaturmodifikation Cristobalit und die Hochdruckmodifikationen Coesit und Stishovit (Einstoffsysteme). Lechatelierit ist ein SiO2-Glas, Keatit eine metastabile Modifikation von SiO2. Der stöchiometrische Einbau von Alkalimetall- und Al-Ionen in die SiO2-Modifikationen β-Quarz, Cristobalit und Keatit führt zu sogenannten stuffed derivatives (gestopfte abgeleitete Phasen) aus Quarz, z.B. Eukryptit (LiAl[SiO4]); Mischkristalle zwischen diesen Phasen, z.B. mit Zusammensetzungen im System SiO2-LiAlO2-MgAl2O4, sind wichtige Werkstoffe für Glaskeramiken.
Quarz kommt vor in SiO2-reichen magmatischen Gesteinen (z.B. Granite, Granit-Pegmatite, Rhyolithe) und in metamorphen Gesteinen (z.B. Gneise, Quarzite), in zahlreichen Lagerstätten als Gangart, in Sedimenten (z.B. Quarzsand, Kies) und – z.T. als Kornzement neu gebildet – in Sedimentgesteinen (z.B. Sandsteine, Kieselgesteine, Radiolarit, Lydit); weiterhin als Füllung von kleinen oder mächtigen Spalten (z.B. Usinger Gangquarz im Taunus, Pfahl im Bayerischen Wald, hier u.a. zur Erzeugung von Ferrosilicium abgebaut). Große Kristalle werden in Pegmatiten (z.B. Brasilien, bis >40 t) und in alpinen Klüften (z.B. St. Gotthard in der Schweiz) gefunden (Riesenkristalle).
Nicht verzwillingte (piezoelektrische) Quarz-Einkristalle sowie Amethyst und Citrin werden durch Hydrothermalsynthese (350-400ºC, 100-170 MPa Druck) aus gebrochenem natürlichem Quarz in wäßrigen Lösungen von Na2CO3 oder NaOH hergestellt.
Quarzsand bzw. Quarzmehl findet Verwendung als Strahl- und Schleifmittel, daneben wird Quarz gebraucht als Streu-, Form- und Kernsand für den Metallguß, als Katalysator-Träger, Füllstoff und Filterschicht, als Rohstoff zur Herstellung von Mörtel, Zement, Glas und Spiegel, Porzellan, Quarzgut, Siliciumcarbid, metallischem Silicium, Wasserglas, Silica-Erzeugnissen und Säurekitten. Bergkristalle und synthetische Quarze werden z.B. in der UV-Spektroskopie, für Quarzlampen und torsionsfreie Quarzfäden benötigt, synthetische piezoelektrische Quarze als Schwingerkristalle (Oszillatoren, Schwingquarz) für Quarzuhren, zur Frequenz-Stabilisierung in Rundfunk- und Fernsehsendern, als Hochfrequenzfilter, zur Ultraschall-Erzeugung, in Kraft-, Druck- und Beschleunigungsmeßgeräten und dergleichen. Die Quarzmikrowaage ermöglicht die In-situ-Untersuchung des Phasengrenzbereichs fest/flüssig. Und zahlreiche Quarzvarietäten, u.a. Chalcedon, werden als Edelsteine und Schmucksteine, zu Heilzwecken und zur Herstellung von kunstgewerblichen Gegenständen verwendet.
Alveolengängige (lungengängige) Stäube (Feinstäube) von tetraedrisch koordinierten SiO2-Modifikationen wie Quarz und Tridymit (nicht der oktaedrisch koordinierte Stichovit) können beim Menschen Pneumokoniosen (Silikose) und möglicherweise auch Krebs erzeugen. Die quantitative Bestimmung von SiO2-Modifikationen in Mineralstäuben (z.B. Grubenstäube des Steinkohlebergbaues) ist eine wichtige Aufgabe der analytischen Mineralogie (Mineralanalytik). [GST]
Quarz 1: Quarz-Zwilling nach dem Brasilianer-Gesetz. Quarz 1:
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Quarz 2: Quarz-Zwilling nach dem Japaner-Gesetz. Quarz 2:
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