Einleitung
Der nun folgende Beitrag soll dem interessierten Leser einen Einblick in die Theorie der Achatenstehung vermitteln. Er ist bewusst allgemeinverständlich gehalten und erhebt deshalb auch nicht den Anspruch eines hochwissenschaftlichen Artikels. In seinen wesentlichen Grundzügen ist er angelehnt an die Theorie der Achatgenese nach Michael Landmesser, wobei inhaltlich auch nicht auf alle konkreten Erscheinungsformen der doch recht vielfältigen Achatpalette eingegangen werden konnte.
Ziel ist es, nach Einsicht des kompletten Beitrages den Leser in die Lage zu versetzen, die grundsätzlichen Vorgänge bei der Achatentstehung anhand des derzeitigen wissenschaftlichen Kenntnisstandes nachvollziehen zu können.
Bildungszeitraum der Achate
Erdgeschichtlich betrachtet, fällt die Entstehung der Achate im Saar – Nahebecken in die Permzeit, also etwa vor 250 Millionen Jahren. Zeitlich einhergehend vollzog sich in dieser Epoche ein gigantisches Artensterben, wahrscheinlich verursacht durch permanente Vulkanausbrüche über einen langen Zeitraum von etwa 400.000 Jahren. Mit abnehmender Vulkantätigkeit bildeten sich in den Lavadecken in erster Linie Gasblasen, welche die Grundlage zur Bildung der hiesigen Achate schufen.
Zur Entstehung der Achate
Achate kommen in Gesteinshohlräumen vor. Sie bestehen aus gebändertem Chalcedon. Chalcedon ist eine mikrokristalline Verwachsungsform ( Modifikation ) der Kieselsäure SiO2.
Grundsätzlich können Achate in allen Gesteinen, wie Vulkaniten, Plutoniten und Sedimentgesteinen vorkommen und damit auch in verkieselten Hölzern, Saurierknochen und Muschelschalen. Am häufigsten kommen Achate in Vulkaniten vor, da deren chemische Zusammensetzung die Freisetzung von Kieselsäure begünstigt.
Geeignete Hohlräume sind z.B. Gasblasen in Vulkangestein. Wenn die Lava ausgeflossen ist, kühlt sie in den äußeren Bereichen zuerst ab und wird dort hart. Im noch mehr oder weniger flüssigen Inneren wird weiterhin noch Gas ( Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefeldioxid ) freigesetzt. Das Gas kann nicht mehr nach oben ausperlen und bildet Blasenhohlräume. Aber auch in Spalten und Hohlräumen zwischen Vulkanittrümmern können Achate gebildet werden. In trockengefallenen Meeressedimenten entstehen Hohlräume dadurch, dass auskristallisierte Salze ( Evaporite ) durch Regen aufgelöst und abtransportiert werden. Entscheidend ist, daß die Hohlräume abgeschlossen sind.
Sobald die erkaltete Lava, aber auch Tuffe und vulkanische Aschen, den Einflüssen der Atmosphäre ( Regen Luftsauerstoff ) ausgesetzt sind, kommt es zu chemischen Umwandlungsprozessen ( Diagenese ), bei denen monomer gelöste Kieselsäure Si(OH)4 frei wird.
Um zu verstehen, wie es zu der starken Konzentration von Kieselsäure in den Gesteinshohlräumen kommt, müssen zwei Punkte vorweg erörtert werden :
1. Lösungsausfällungsgleichgewicht
Wirft man ein Stück Würfelzucker in ein Glas Wasser und rührt nicht um, so wird sich trotzdem nach einer gewissen Zeit der Zucker in dem Wasser aufgelöst und gleichmäßig verteilt haben. Wirft man nun ein weiteres Stück Zucker in das Wasserglas, so wird sich auch dieses im Wasser auflösen und verteilen. Wirft man nun weitere Zuckerstücke in das Wasserglas, so wird irgendwann der Sättigungspunkt des Wassers erreicht sein, kein weiterer Zucker geht in Lösung, es bildet sich ein Bodensatz von Zucker. Dann ist das Lösungsausfällungsgleichgewicht erreicht. In dem Wasserglas herrscht aber kein statischer Zustand, sondern es geht ständig Zucker in Lösung und gleichzeitig wird Zucker als Bodensatz ausgefällt.
2. Unterschiedliche Reifungszustände von Kieselsäure
Kieselsäure kann unterschiedliche Zustände annehmen, sie kann als monomer gelöste Kieselsäure Si(OH)4, sie kann aber auch als amorphes SiO2 ( Gel, Opal A ), als Opal CT, als Chalcedon und als Quarz vorkommen. Aus monomer gelöster Kieselsäure entwickelt sich als unreifste Form das Kieselgel, Quarz ist der reifste Zustand. Die Reife bestimmt sich daran, wie geordnet die Moleküle der Kieselsäure sind.
Auf den einzelnen Reifungsstufen gibt es nun noch einmal – allerdings geringe – Reifungsunterschiede Die Reifung geht unter Vorhandensein von Wasser mit der Zeit vor sich. Sie kann durch Metalloxidpartikel, z.B. Eisen, etwas beschleunigt werden.
Bei den einzelnen Reifungsstufen der Kieselsäure sind nun die Lösungsausfällungsgleich-gewichte unterschiedlich. Je reifer die Kieselsäure ist, desto niedriger ist das Lösungsausfällungsgleichgewicht. Bei Kieselgel ist das Lösungsausfällungsgleichgewicht also am höchsten, bei Quarz am niedrigsten.
Ein Gestein enthält immer Feuchtigkeit, das Wasser sitzt in Kapillaren, kleinen Rißchen und in Fugen, sowie auf Korngrenzen. Das Wasser sickert auch in die Hohlräume. Das eventuell vorhandene Gas ( Kohlendioxid, Schwefeldioxid ) geht dabei in Lösung. Das Wasser kann auch nicht aus den Hohlräumen unten wieder heraussickern, da das Gestein unter den Hohlräumen ja auch schon mit Wasser durchtränkt ist. Es besteht somit kein Gefälle.
In diesem Feuchtigkeitssystem verteilt sich nun durch Diffusion die monomer gelöste Kieselsäure Si(OH)4, die bei der chemischen Umsetzung des Vulkanits nach und nach frei wird. Genauso wie in dem Wasserglas nicht umgerührt wurde, und der Zucker sich trotzdem verteilt hat, so verteilt sich das Si(OH)4 nach und nach in dem Feuchtigkeitsfilm, ohne daß das Wasser sich bewegt.
Nun finden sich in nahezu allen Gesteinen ganz fein und nicht immer gleichmäßig verteilt Metalloxidpartikel, z.B. Eisen, unter anderem auch an den Rändern der Hohlräume. Hier bewirkt das Eisen nun eine leichte Reifungsbeschleunigung des dort vorhandenen Si(OH)4. Damit sinkt an dieser Stelle das Lösungsausfällungsgleichgewicht, und es wird dann dort monomer gelöste Kieselsäure ausgeschieden. Damit sinkt in der unmittelbaren Umgebung des Hohlraums der Gehalt an Si(OH)4. Da das Gesamtsystem aber eine gleichmäßige Verteilung des Si(OH)4 anstrebt, diffundiert neues Si(OH)4 zu dieser Stelle hin und wird wegen des Reifungsvorsprungs wiederum ausgeschieden. So kommt es zu einer langsamen Anreicherung von Si(OH)4 in dem Hohlraum. Der Vorgang unterhält sich selbst, solange immer wieder neues Si(OH)4 nachgeliefert wird, d.h. zum Hohlraum hin diffundiert.
Wasser fließt dabei nicht. Je nach Mineralbestand des Vulkanits kann es als erste Mineralisation in dem Hohlraum auch zum Absatz von Delessit kommen, ein kompliziert aufgebautes, meist grün aussehendes Silikat, das neben anderen Metallen auch wieder Eisen enthält.
Die Eisenpartikel, die den Reifungsvorgang der Kieselsäure beschleunigen, dienen als Keime für Sphärolithe, schalig aufgebaute, meist halbkugelförmige Gebilde. Je enger die Sphärolithe beieinander sitzen, desto eher ergibt sich im Schnitt eine Annäherung an eine gerade Linie. Wenn Achate im Steinbruch beim Herausschlagen zerbrechen, kann man sehr gut die Sphärolithe beobachten. Die Sphärolithe sitzen rundum an den Wänden des Hohlraums und wachsen allmählich kugelschalenförmig nach innen. Da es sich bei dem Hohlraum um ein einheitlichen System handelt, zeigen die einzelnen Kugelschalen benachbarter Sphärolithe auch die selbe Struktur und Farbe, so daß der Eindruck von Bänderung entsteht.
Betrachtet man die Bänderung durch ein Elektronenmikroskop, so erkennt man, daß der Achat aus unterschiedlich großen Partikeln besteht, die im Idealfall die Form senkrecht zur C-Achse verzerrter kleiner Quarzkristalle annehmen. Die Bänderung kommt dadurch zustande, daß einmal eine Lage etwas größerer und einmal eine Lage etwas kleinerer Partikel aufeinander folgen. Dies ist im wesentlichen auf Selbstorganisationsprozesse zurückzuführen.
Die ringsum an den Hohlraumwänden aus kugelschalig aufgebauten Sphärolithen bestehende Bänderung wird gemeine Bänderung genannt.
Manchmal kommt es vor, daß durch die Diffusion so viel Si(OH)4 in den Hohlraum gelangt, dass die Partikel sich im Wasser schwebend zu etwas größeren Einheiten zusammenklumpen. Hier wirkt sich dann die Schwerkraft aus, und die Klumpen sinken zu Boden. Es bilden sich waagrechte Schichten heraus, die unabhängig von der Herkunft des Achats als Uruguay-Bänderung bezeichnet werden.
In den Hohlräumen trennt sich im Laufe des weiteren Reifungsprozesses die Kieselsäure von dem Wasser. Das Wasser verläßt über die sogenannten Ausflusskanäle den Hohlraum. Die Ausflusskanäle sind zusammen mit dem zentralen Hohlraum im Lauf der Achatbildung die letzten noch offenen Bereiche und werden deshalb auch als letzte mineralisiert. Ob es durch die ständige Anreicherung von Si(OH)4 in dem schon von Anfang an mit Wasser gefüllten Hohlraum tendenziell zu einem leichten Überdruck kommt, der dann das Wasser veranlaßt, sich einen Ausweg zu suchen, ist nicht geklärt.( Bei manchen Achaten hat man aber fast den Eindruck. ) Dies dürfte sich auch kaum experimentell klären lassen, da die Ausbildung eines Achats je nach Größe sehr lange Zeit, unter Umständen mehrere tausend Jahre oder länger dauert. Aus diesem Grund lassen sich auch Achate nicht künstlich herstellen. Wenn man versucht, die Zeit durch Druck oder Temperatur zu ersetzen, erhält man nicht Chalcedon sondern Quarz, da SiO2 immer den höchsten, unter den gegebenen physikalisch-chemischen Bedingungen möglichen Reifezustand annimmt.
Die Eigenfarbe der Achate ist grau. Die bunten Farben mancher Achate werden durch Eisen bzw. dessen Oxidationsformen ( Hämatit, Magnetit, Limonit ) in unterschiedlichen Mischungsverhältnisssen verursacht. Manchmal ist auch Mangan beteiligt.
Diese zusammenfassende Darstellung beruht auf der von M. Landmesser entwickelten Diffusionstheorie. Alle anderen Theorien zur Achatentstehung ( Fließwassertheorie, Schmelztropfentheorie, Entmischungstheorie ) sind widerlegt. Die Diffusionstheorie ist aus heutiger Sicht die einzige Theorie zur Achatentstehung, die nach gegenwärtigem Kenntnisstand nicht widerlegt werden kann. Weitere mögliche Theorien sind nicht derzeit erkennbar.
Mit der Diffusionstheorie sind zunächst einmal nur die grundlegenden Vorgänge bei der Anreicherung von Kieselsäure in den Gesteinshohlräumen geklärt. Diese Theorie versetzt uns dennoch nicht in die Lage, alle Vorgänge zu klären, die sich bei der Entstehung jedes einzelnen Achats abgespielt haben könnten.
Wegen der erforderlichen langen Zeiträume, sind experimentelle Klärungen meist nicht möglich. Man kann auch nicht immer vom Ergebnis auf die Ausgangssituation zurückschließen. Viele Einflußfaktoren sind einfach nicht mehr faßbar. Ungeklärt ist zum Beispiel noch, wie es zu den bekannten Spiralen in Achaten gekommen ist ( Vgl. Lentz, G.Y., Spiralen in Achat, in Zenz, J., Achate, Haltern 2005, S. 88-89 ).
Da nun aber der grundlegende Vorgang geklärt scheint, läßt sich auf dieser Theorie aufbauend in Zukunft sicher noch manche bisher offene Frage beantworten.
Literatur:
Landmesser, M., Das Problem der Achatgenese, Mitteilungen der Pollichia Bd. 72, Bad Dürkheim 1984, S. 5 – 137.
Landmesser, M., Zur Eingrenzung der P-T-Bedingungen der Achatgenese, Chem. der Erde,Bd. 45, Jena 1986, S. 273 – 293.
Landmesser, M., Transport- und Akkumulationsmechanismen des SiO2 in petrologischen Systemen: Achate. Z. Dt. Gemmol. Ges. Bd. 36, Stuttgart 1988, S. 101 – 119.
Landmesser, M., Zur Geothermometrie und Theorie der Achate, Mitteilungen der Pollichia Bd. 79, Bad Dürkheim 1992, S. 159 – 201.
Landmesser, M., Zur Entstehung von Kieselhölzern In Extra Lapis Nr. 7 Versteinertes Holz, München 1994, S. 49 – 80.
Landmesser, M., Selbstorganisation und Achatgenese: Wissenschaftsgeschichte, Problemfacetten und Resultate der neueren Forschung in Krug, H. J. , Kruhl, J. H. , Nichtgleichgewichtsprozesse und dissipative Strukturen in den Geowissenschaften, Berlin 2001, S. 73 – 139.
Das Heft Extra Lapis „Versteinertes Holz“ ist sehr zu empfehlen, da es sich bewusst an Leser mit nur geringen Vorkenntnissen wendet.
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