Was ist Achat in mineralogisch-chemischem Sinn? Ganz einfach: Quarz.
Wie der Bergkristall. Chemisch: Siliziumdioxyd, Si O2
. Doch im Gegensatz zum Bergkristall zeigt er keine Kristallflächen,
jedenfalls nicht bei der Betrachtung mit bloßem Auge.
Der Achat ist kryptokristallin, deshalb wird er auch als Chalcedon
bezeichnet. Er besteht aus sogenannten "Phänofasern", d.h.
Scheinfasern. Unter dem Rasterelektronenmikroskop bei 40 000 facher Vergrößerung
erkennt man auch hier Quarzkristalle.
Achat aus Rio Grande do Sul, Brasilien
Festungsachat, Uruquay-Bänder, Wolken-Achat 18,0 x 16, 0 cm
Die Frage der Entstehung der Achate, das Phänomen der feinen Bänderung
beschäftigt Wissenschaftler seit der ersten Hälfte des 19.Jahrhunderts.
Es beinhaltet im Grunde zwei Probleme:
a) Woher stammt das Siliciumdioxyd das die Achate aufbaut?
Insbesondere bei Vulkanit-Achaten, deren Basalte und Andesite als
Muttergestein recht arm an Siliciumdioxyd sind. Oder bei Achaten in
Sedimenten, wie z.B. Teepee Canyon, South Dakota oder Dryhead Canyon,
Montana.
b) Wie kommt es zur Bänderung, zur inneren Struktur der Achate?
Autobahnbau Freisen - Membrantrümmerachat
10,0 x 10,5 cm
Ich zitiere hier eine stark vereinfachte Darstellung des heutigen Wissenstandes. Zur Vertiefung verweise ich auf die angegebene Literatur.
Wenig Probleme in bezug auf die Herkunft des Siliciumdioxyds bereiten
Achate in rhyolithischer Matrix (z.B. Achate aus St.Egidien, Sachsen oder
die Thunder Eggs aus Oregon). Rhyolithe sind siliziumreiche, granitische
Asche-Tuffe. Diese sind in geschmolzenem Zustand sehr zäh und bilden oft
sternförmige Hohlräume. In den dünnflüssigen Magmen der Basalte und
Andesite sind mandelförmige oder gerundete Hohlräume die Regel. Hier
geht man davon aus, dass diese dünnflüssigen Magmen von rhyolithischen
Aschen bedeckt waren und deren Verwitterungsprodukte für das notwendige
Siliziumdioxyd gesorgt haben.
Auch bei Achaten in Sedimenten geht man von der Abdeckung durch
vulkanische Aschen aus. Durch die Luftströmung können diese weit
entfernt von der vulkanischen Tätigkeit abgelagert werden. Es wird jedoch
auch organischer Ursprung (Schwämme, Radiolarien) diskutiert.
Faszinierend ist die Bänderung der Achate. Ein Vergleich mit den Jahresringen bei Bäumen ist naheliegend. Einem verbreiteten Erklärungsversuch zufolge fließen silciumdioxydhaltige Lösungen in VON AUSSEN AUFGEPRÄGTEN RHYTHMEN (z.B. jahreszeitlich bedingtes Steigen und Fallen des Grundwassers) in die Gesteinshohlräume und hinterlassen eine Siliciumdioxyd-Tapete an den Wänden. Diese Theorie ist einfach zu widerlegen, denn im Muttergestein nahe beieinander liegende Achate müssten gleiche oder sehr ähnliche Bandstruktur aufweisen. Die Fundsituation zeigt jedoch sehr große Unterschiede in der Ausfüllung benachbarter Hohlräume. Der eine ist voll achatisiert, der andere hohl, ein anderer mit Calcit, der nächste mit Quarzkristallen ausgekleidet.
Im Jahre 1896 beobachtete der Kolloid-Chemiker Liesegang bei photochemischen Experimenten mit Silbernitratlösung und Kaliumdichromat auf Gelatinegallertschichten die Entwicklung konzentrischer Silberchromat-Bänder die auffällig an Achatbänderung erinnerten. Damit war gezeigt, dass solche Strukturen auch durch INNERE RHYTHMEN gebildet werden können. Das Auffinden von Liesegang-Ringen in Achaten ist somit auch ein Beweis, dass das Siliziumdioxyd im Achat als gelartige Substanz vor der Reifung des Achates vorgelegen haben muss (Kieselsäure-Gel d.h. Siliziumdioxyd-Gel ist als Wasserglas bekannt). Weitere Beweise für eine gelartige , d.h. verformbare Vorstufe der Achatbildung sind Deformationsstrukturen wie bei dem hier gezeigten roten Achat vom Steinbruch Juchem.
Steinbruch Juchem - Deformationsstrukturen - 13,0 x 8,0 cm
Folgende Postulate sind das Ergebnis neuerer Achatentstehungsforschung:
1) Achate sind grundsätzlich sekundäre Füllungen von Gesteinshohlräumen.
2) Achate in Vulkaniten sind keine vulkanischen Produkte, sondern späte
Bildungen in erkalteten Laven.
3) Achate entstehen ausschließlich im sogenannten "sedimentär-diagenetischen
Druck-Temperatur-Bereich", dessen T-Obergrenze bei ca. 180-200 °C
liegt. Sie bilden sich in vielen Fällen bei Temperaturen deutlich unter
180 °C.
4) Die Achatsubstanz - hauptsächlich Siliziumdioxyd - kann nur mittels wässriger
Lösungen zum Achatbildungsort, d.h. in den Gesteinshohlraum transportiert
worden sein.
5) Die Lösung muss eine relativ hohe Dichte (nahe 1g/cm³) besessen
haben. Das heißt: gesättigter oder gar überhitzter Wasserdampf sind
auszuschließen.
6) Die einzelnen Achatschichten kleiden die Hohlräume nicht gleichmäßig
aus. Sie setzen sich aus konzentrisch gebänderten Sphärolithen zusammen.
Deren Zahl und Abstand bestimmen das Erscheinungsbild der Bänderung.
Siehe abgebildeten Achat von Finkenberg.
Finkenberg, Stadtteil von Idar-Oberstein
Sphärolithe beeinflussen die Bänderung - Breite: 2,2 cm
7) In dem die Achate unmittelbar umschließenden Gestein sind in vielen
Fällen keine Zufuhrwege zu den Achaten vorhanden, die für ein Hin- und
Herfließen der Lösungen breit genug wären. Im Achatnebengestein sind
oft nur allerfeinste Kapillaren vorhanden, die sich beim Kontakt mit wässriger
Lösung füllen und diese Lösung dann durch Kapillarkräfte festhalten.
Zitiert nach: Michael Landmesser, Selbstorganisation und
Achatgenese, in: Selbstorganisation, Band 11 (2000), S.94-98
Nun ist die Frage zu lösen, wie das Siliziumdioxyd durch die
Kapillarverbindungen in den zu bildenden Achat gelangt. Will man 1 kg
Quarz in Wasser lösen, so werden hierfür 1.666.667 Liter benötigt,
diese Zahl wird noch größer, wenn man bedenkt, dass jeweils nur ein
kleiner Teil der Lösungsmenge im Hohlraum abgesetzt wird. Das Zu- und
Abfließen von Lösungen kann allein also nicht zur Achatbildung führen.
Die Anreicherung an Siliziumdioxyd erfolgt durch Diffusion. An sich ein
Widerspruch, da Diffusionskräfte in der Richtung des Ausgleichs von
Konzentrationsunterschieden wirken. Betrachtet man jedoch die
unterschiedlichen Reifungsstadien von Quarz im Temperaturbereich von 0 bis
180 °C, so findet man eine Erklärung.
a) amorphes SiO2: ein Netzwerk aus Silizium- und
Sauerstoff-Atomen bei dem keine Fernordnung der Atome vorhanden ist (röntgenamorph)
b) Opal-CT: Im Kristallgitter ist das Siliziumdioxyd teilweise wie die
Quarzvarietät Christobalit, teils wie die Quarzvarietät Tridymit
geordnet. Es entsteht ein dreidimensional vernetzter, kristallähnlicher
Festkörper. Ein eindimensional fehlgeordnetes Gitter. Opal-CT ist in
einigen Achaten, z.B. aus Kasachstan nachweisbar und sichtbar.
Achat in Opal, Abessinien - 3,5 x 3,3 cm
c) Quarz: Zu dieser Modifikation zählt auch der kryptokristalline
Chalcedon.
Dies ist ein Reifungsprozess der von a nach b nach c verläuft. Er kann
sich über viele Millionen Jahre hinziehen. Die angesprochenen
Deformationsstrukturen, sowie die Liesegang-Ringe sind Beweise, dass der
Achat in einem frühen Stadium als amorphes SiO2
vorgelegen hat.
Ackerfund von Hoppstädten-Weiersbach - Liesegang-Ringe
Ausschnitt: 2,0 x 2,0 cm
Über jedem SiO2 -Bodenkörper stellt sich zur
gesättigten SiO2-Lösung ein dynamisches Lösungs-Ausfällungs-Gleichgewicht
ein. Je reifer ein SiO2-Bodenkörper ist, desto
geringer ist die Konzentration der gesättigten SiO2-Lösung.
So erklärt sich, dass durch Diffusion ein Transport von a nach b nach c
erfolgt. Dies geschieht im ruhenden Porenlösungsnetz. Siliciumdioxyd-arme
Achatbereiche werden gleichmäßig versorgt, feinste Poren werden so nach
und nach gefüllt. Es kommt zu Durchkieselung, zum voll entwickelten,
kryptokristallinem Chalcedon. Diese INNEREN RHYTHMEN sind ein Phänomen
der SELBSTORGANISATION. Antriebskraft ist das Bestreben ein
thermodynamisches Gleichgewicht zu erreichen.
Wie kommt die unterschiedliche Färbung der Bänderung zustande? Für die
Farbe sind Fremdionen bzw. Fremdmoleküle verantwortlich. Hauptsächlich
Eisenoxyde oder-hydroxyde in unterschiedlichen chemischen Wertigkeiten und
Korngrößen. Das amorphe Kieselsäure-Gel wirkt als Filter, der bestimmte
Molekülgrößen abfängt. Die Änderung der Farbe in Achat- bzw.
Bandabschnitten ist immer ein sekundärer Prozess, das chemische
Umgebungsmilieu verschiebt sich zur oxidierenden oder reduzierenden Seite.
Zu diesem Thema empfehle ich folgende Literatur: