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Name und Erstfund: Ehemalig als Kristall bezeichnet und benannt nach dem griechischen Wort "kruos" für "eiskalt" aufgrund des eisähnlichen Aussehens. Quarz lässt sich in Aufzeichnungen bis zum Jahr 300-325 v. Chr. zurückverfolgen. Als einer der ersten Wissenschaftler die das Wort "Quarz" verwendeten gilt der auch als "Vater der Mineralogie" bekannte deutsche Arzt Georgius Agricola (1494-1555). Eine Theorie geht außerdem davon aus, dass das Wort "Quarz" in der Bergmannssprache aus einer Mischung der Wörter "Querkluft" und "Erz" entstanden ist.
Synonyme: α-Quarz, Tiefquarz, Quartz, Azetulit, Conit, Lodolith
Als Quarz bezeichnet man in der Mineralogie meist den an der Oberfläche am stabilsten und am häufigsten vorkommenden α-Quarz, auch Tiefquarz genannt. Siliziumdioxid (SiO2) ist jedoch eine polymorphe Verbindung, bedeutet Sie kommt bei bestimmten Temperaturen und Drücken in verschiedenen Kristallstrukturen (Modifikationen), mit unterschiedlichen Kristallformen und Eigenschaften vor.
Die einzig wirklich stabile Form ist dabei der α-Quarz, jedoch können auch andere Modifikationen an der Erdoberfläche metastabil vorliegen. α-Quarz (Tiefquarz) ist trigonal, jedes Siliziumion ist dabei tetraedrisch von vier Sauerstoffionen umgeben und bildet somit ein SiO4-Tetraeder. Da die kleinste sich wiederholende Formeleinheit jedoch ein Siliziumion mit 2 Sauerstoff-Ionen darstellt spricht man von SiO2. Zwischen Silizium und Sauerstoff herrscht eine stark kovalente Bindung, was die hohe Härte von Quarz erklärt. Die SiO4-Tetraeder sind untereinander über die Tetraederecken verknüpft, jeder Tetraeder mit vier benachbarten Tetraedern. In Richtung der c-Achse bilden Sie somit spiralförmige Ketten aus. Dieser Spiralketten-Aufbau erklärt die Enantiomorphie des α-Quarz. Je nachdem welchen Drehsinn die Tetraederschrauben haben liegt ein linkshändiger (Tetraederschrauben im Uhrzeigersinn) oder ein rechtshändiger (Tetraederschrauben gegen Uhrzeigersinn) Tiefquarz vor.
Bei einer Temperatur von über 573°C (bei einem Druck von 1 bar) wandelt sich α-Quarz (Tiefquarz) in den hexagonalen β-Quarz (Hochquarz) um. Dabei vergrößert sich das Volumen um 0,8%, bei Abkühlung entsteht jedoch sofort wieder Tiefquarz, was dazu führt, dass es keinen β-Quarz an der Erdoberfläche geben kann. Eigenschaften wie die Piezoelektrizität oder die Enantiomorphie gehen beim β-Quarz (Hochquarz) verloren. Beim Hochquarz sind die SiO4-Tetraeder leicht verkippt, bei einer Abkühlung zu Tiefquarz entscheidet die Kipprichtung über die Orientierung des Tiefquarzes. Im Gegensatz zu der Kristallstruktur kann die die Kristallform vom hexagonalen β-Quarz als Paramorphose (Tiefquarz paramorph nach Hochquarz) erhalten bleiben.
Bei einer Temperatur von über 870°C (Normaldruck) wandelt sich hexagonaler β-Quarz in hexagonalen β-Tridymit (HP-Tridymit) um. Er besteht aus gleichen Lagen von SiO4-Tetraedern, die in hexagonalen Ringen angeordnet sind. Diese Lagen sind in einer ABAB-Sequenz aufeinander gestapelt und lassen so durchgehende Tunnel frei. β-Tridymit geht bei Temperaturen unter 130ºC in eine metastabile, orthorhombische Modifikation, den α-Tridymit über. Dieser wandelt sich mit der Zeit in den stabilen Tiefquarz um. Daneben gibt es auch noch 5 andere Modifikationen von Tridymit, die bei verschiedenen Temperaturen vorliegen.
Bei einer Temperatur von über 1.470°C (Normaldruck) wandelt sich hexagonaler β-Tridymit in kubischen β-Cristobalit (Hochcristobalit) um. Die Struktur ist dabei der Diamant- bzw. ZnS-Struktur sehr ähnlich. Ab Temperaturen von ca. 240–275 °C wandelt sich β-Cristobalit in den an der Erdoberfläche metastabilen tetragonalen α-Cristobalit um. Auch hier finden sich wieder kubische Paramorphosen (α-Cristobalit paramorph nach β-Cristobalit).
Bei Temperaturen von von 450 bis 800 °C und Drücken von über 2,5-3,8 GPa wandelt sich β-Quarz in monoklinen Coesit um. Dies entspricht einer Tiefe von ca. 70km unter der Erdoberfläche. Coesit ist somit oft ein Anzeiger für ein Ultra-Hochdruck-Metamorphose-Ereignis (UHP). Dabei kann es sich beispielsweise um einen Meteoriteneinschlag oder eine Kontinent-Kontinent-Kollision handeln. Auch durch Kimberlit-Pipes kann Coesit aus großen Tiefen an die Erdoberfläche kommen. Coesit ist an der Oberfläche metastabil und wandelt sich relativ schnell in Tiefquarz um. Durch die starke Volumenzunahme, können radiale Risse im Quarzkorn so eine Umwandlung andeuten. In seltenen Fällen enthalten Quarzkörner von UHP-Gesteinen noch Coesitkerne.
Bei Drücken von über 8 GPa entsteht der tetragonale Stishovit. Im Gegensatz zu den Niederdruck-Modifikationen von Quarz ist beim Stishovit das Silizium an sechs Sauerstoff-Atome gebunden, wodurch eine sehr kompakte Struktur entsteht (Mohshärte 9). Während Tiefquarz eine Dichte von ca. 2,65 g/cm3 aufweist, liegt hier eine Dichte von 4,32 g/cm3 vor. Stishovit entsteht nur durch Impaktmetamorphose und ist an der Erdoberfläche metastabil.
Darüber hinaus gibt es nur noch den orthorhombischen Seifertit, der bei Drücken von über 40 GPa entsteht. Bisher fand man Seifertit nur in Mars-Meteoriten wobei sich das Mineral beim Impakt am Mars bildete. Berechnungen Zufolge könnte Seifertit jedoch, wenn genug freies SiO2 zur Verfügung steht auch in unserem Erdmantel in Tiefen von 1.700 km entstehen.
Bei besonders niedrigen Temperaturen gibt es noch weitere Modifikationen von SiO2. Dazu kommt, dass Siliziumdioxid bei niedrigen Drücken und Temperaturen in der Lage ist Kristallwasser in seine Struktur aufzunehmen. Daher kristallisieren diese Modifikationen aus einem SiO2-Gel, auch Kieselgel genannt. Ein bekanntes Beispiel ist der monokline α-Mogánit (SiO2· nH2O). Ab ca. 200°C kann dieser sich auch in den orthorhombischen β-Mogánit (SiO2) umwandeln. α-Mogánit wandelt sich an der Erdoberfläche in geologischen Zeiträumen in α-Quarz um. Daneben kann in die Kieselsäure bzw. in die Kieselgele auch organische Stoffe, wie Methan eingebaut werden, so z.B. im Chibait [SiO2 · n(CH4, C2H6, C3H8, i-C4H10)]. Durch das Aufschmelzen von Quarzsand, z.B. durch Blitzeinschläge können außerdem amorphe SiO2-Minerale entstehen, wie z.B. Lechatelierit (Fraglich ob es sich wirklich um eine Mineral handelt).
Die hier besprochene, an der Oberfläche stabilste und bekannteste SiO2-Modifikation Tiefquarz kommt in verschiedenen Varietäten vor. Dabei unterschiedet man zwischen makrokristallinen und mikro- bzw. kryptokristallinen Quarzen.
Makrokristalline Quarz-Varietäten
Bergkristall:
Milchquarz:
Amethyst:
Rauchquarz:
Morion:
Rosenquarz:
Citrin:
Eisenkiesel:
Tigerauge/Falkenauge:
Prasem:
Prasiolith:
Blauquarz:
Aventurin:
Ametrin:
Mikro- oder Kryptokristalline Quarz-Varietäten
Chalcedon:
Amorpher Quarz
Habitus
Zwillinge
Wachstumsformen
Abkürzung: Qz
(⊗) Fundorte mit Topstufen (TL) Typlokalität (Analyse) Chemische Elementverteilung, siehe oben