Einmal Lava und zurück!

Kieselsäure, Kolloid und Keim

und von Mörike ein Reim

- ein paar Gedanken zur Entstehung von Achaten

In unserem roten Raum für Rheinland-Pfalz sind in acht Vitrinen über 200 Achat-Stufen ausgestellt. Bei dieser Menge könnte man auf die Idee kommen, einmal darüber nachzudenken, wie wohl diese Achate entstanden sind. Und wir sind tatsächlich auf die Idee gekommen.

Achat, Baumholder, Rheinland-Pfalz

Die Entstehung eines Achats ist schrecklich kompliziert. Aber man darf nicht außer Acht lassen, dass dafür 270 Millionen Jahre Zeit war, zumindest in der Pfalz. Jeder einzelne Achat konnte in dieser Zeit hart an sich arbeiten, um zu dem zu werden, was er ist - ein begehrtes Sammlerobjekt.

 

Wenn Sie nun, liebe Besucherinnen und Besucher, wenig bis gar keine Vorstellung haben, wie schrecklich kompliziert Achate entstehen, dann sind Sie eingeladen, den folgenden Bildern und Texten zu folgen. Am Ende, wenn Sie alles durchgelesen haben, sind Sie vielleicht verwirrt, aber Sie haben etwas Entscheidendes dazugelernt - es ist schrecklich kompliziert.

Werfen wir also einen gemeinsamen Blick auf eine dieser 200 Achat-Stufen. Sie stammt aus Waldhambach im Pfälzer Wald. Die rotweiße Achatknolle ist teilweise noch in ihr graues gesprenkeltes Muttergestein eingebettet. Die Achatknolle ist nicht vollständig ausgefüllt. Im Zentrum bleibt ein schwarzer hohler Raum, in dem kleine Kristalle vorwitzig ihre Spitzen zeigen. Diese Spitzen gehören Quarz- und Calcit-Kristallen. 

Einst war diese Achatknolle ganz von ihrem Muttergestein umschlossen. Das machen wir jetzt mal und ergänzen das, was fehlt. Das dunkelgraue, gesprenkelte Gestein hört auf den gar nicht so grauen Namen

 

Melaphyr-Mandelstein.

 

Ein hübscher Stabreim

für ein hübsches Gestein.

Doch schauen wir uns noch einen zweiten Achat an:

Er ist ebenfalls ein Waldhambacher und wurde in einer Ebene mit dem Melaphyr-Mandelstein zersägt, in dem er steckt, dann geschliffen und poliert.

Ein Mandelstein ist ein vulkanisches Ergussgestein. Sie kennen das von Bildern: Ein Vulkan raucht und spuckt. Lava strömt. Lava erstarrt. Beispielsweise zur dichten dunklen Grundmasse (G) dieses Gesteins.

In einer dunklen Grundmasse fallen natürlich helle Flecken besonders auf. Diese Flecken waren, das verraten wir mal so, einst Gasblasen in einer feurig dahinfließenden Lava. In diesen Gasblasen-Hohlräumen haben sich in einer späteren Zeit Mineralien mit hellen Kristallen gebildet. Füllen sie den ganzen Hohlraum aus, dann wirkt der Hohlrauminhalt (H) wie ein heller Fleck in der dunklen Grundmasse (G). Ist der Hohlraum nicht ganz ausgefüllt, zeigt er sich oft als heller Ring mit schwarzem Loch (R).

Und unser Achat? Er ist natürlich auch eine Hohlraumfüllung, bunt und hell. Er repräsentiert in seiner Gesteinsumgebung eben die größte Gasblase. Aus einer großen Gasblase ging dieser Achat hervor. Ja, das Elternhaus spielt manchmal eben doch eine Rolle, wenn der Nachwuchs ganz groß rauskommt.

Die Gasblase bevorzugt Zeit ihres Lebens die Form einer Kugel. Würfel, Zylinder oder gar eine Pyramide sind jenseits ihrer Vorstellungskraft. In der Kugelform kann sie am besten in alle Richtungen gleichzeitig drücken und sich ausdehnen, aber auch Druck von außen ertragen, eben den des glutflüssigen Lavastroms. Gas perlt aus der flüssigen Lava wie die Kohlensäure, das CO2, aus dem Mineralwasser, und eine Perle ist ein runde Sache. 

Kurz bevor die Lava endgültig erstarrt, kann die kugelförmige Gasblase doch noch ein bisschen ihre Form verändern. Die Lavamasse ist noch plastisch verformbar. Neue Lavaströme ergießen sich über alte. Der Druck von oben kann den Blasenquerschnitt zum Oval verformen. Vielleicht bewegt sich die Lava noch ganz langsam ein paar zähe Millimeter weiter. Dann wird der Hohlraum in der Gegenrichtung, nach hinten, ausgedünnt. Das Kugelige erhält die Form einer Mandel, vorne rund und hinten spitz. Da nun die Hohlräume sehr häufig mandelförmig sind, erklärt sich der Gesteinsname Mandelstein auf geheimnisvolle Weise wie von selbst.

 

Im Foto oben ist der Achatquerschnitt eher ein Oval. Die roten Pfeile zeigen auf mandelförmige Blasenhohlräume. Auch dieser Achat ist ein Waldhambacher, der bei uns in einer der Vitrinen schön tut.

Der mit Achat ausgefüllte Hohlraum heißt Mandel. Die Mandel muss nicht mandelförmig sein. Aber oft ist sie es. Beide Fotos zeigen eine mandelförmige Achatmandel, eine Seite eher spitz, die gegenüberliegende rund. Der rote Pfeil verrät die Fließrichtung der Lava.

 

Melanie und Melaphyr: Liebe Besucherinnen und Besucher, kennen Sie zufällig eine Melanie? Ist sie blond? Dann würde der Name nicht passen! Melanie - die Dunkle, die Schwarzhaarige, die Schwarzgekleidete vielleicht... Das griechische Wort "melas" - "dunkel, schwarz" verbindet diese Melanie mit unserem Mandelstein, der nämlich ganz genau Melaphyr-Mandelstein heißt. Der Melaphyr ist ein vulkanisches Gestein. Es ist ein dunkler feinkörniger Basalt. Er entstand im Erdaltertum vor etwa 270 Mio. Jahren. Das ist schon eine ganze Weile her. Es gibt ihn mit und ohne Blasenhohlräume. Ohne Blasenhohlräume ist er fleckenlos schwarz. Das ist auf dem Foto oben links zu sehen. Aber häufig hat dieser Uralt-Basalt eine Mandelsteinstruktur. 

Links ist der Melaphyr-Mandelstein auf das Wesentliche reduziert - ein vulkanisches Gestein, dicht und grau, mit einem Gasblasen-Hohlraum-Gefüge. Das Gestein entstand aus Lava, die aus einem Vulkan strömte. Die Lava war dünnflüssig, voll mit Wasserdampf und Gasblasen. Es blubberte heftig in der Lava,  aber nicht alle Gasblasen gelangten bis zur Lavaoberfläche. Viele hielt der langsam erkaltende Gesteinsbrei gefangen. Sie blieben einge- schlossen. In den eingeschlossenen                                                         Gasblasen entstanden die Achate.

Zurück in die Lava: Schicken wir doch den Melaphyr-Mandelstein 270 Mio. Jahre zurück in seine Lava. Die schwarze Gasblase wird von dem glühend heißen Gesteinsbrei mitgenommen. Zu jener Zeit im Erdaltertum waren viele Vulkane aktiv, auch einer in der Waldhambacher Gegend. Die Gegend lag damals allerdings in der Nähe des Äquators und gehörte noch nicht zu Rheinland-Pfalz. Die Kontinente sind ja bekannterweise Nomaden, ständig in Bewegung. Was sich vor 270 Mio Jahren am Äquator sonnte, muss sich heute mit Waldhambach begnügen.

Links: In der frisch ausströmenden Lava sind die Gasblasen noch kugelförmig, im Querschnitt kreisförmig. Rechts: Die Lava bewegt sich schließlich nur noch wenig und zäh. Dabei ist die Gasblasenumhüllung plastisch noch verformbar, wenn auf sie gedrückt wird, wenn an ihr gezogen wird. Die Kreisform des Querschnitts kann zum Oval oder zur Mandel werden.

Links: Mit einem bisschen Giftgrün bringen wir Gas in die Gasblase, eher Gase, übelriechende, teils giftige. Aber auch Wasserdampf ist als Gas enthalten. Rechts: Die Lava kühlt aus. Der Glutfluss wird dunkel. Die Lava geht von einem flüssigen in einen plastischen, teigartigen Zustand über, erstarrt dann irgendwann völlig, fällt in sich zusammen, wird brüchig und rissig. Die Achatbildung setzt im teigigen Zustand ein.

An dieser Stelle müssen wir kurz innehalten, um uns mit Tinte und Wasser zu beschäftigen:

Tinte und Wasser: In der folgenden Bildreihe wurde unterm Wasserhahn der helle Deckel mit Leitungswasser gefüllt. Mit dem Füller kam ein Tropfen blaue Tinte dazu. Danach wird nichts umgerührt und der Deckel nicht bewegt. Nach ein paar Minuten hat sich die Tinte schon ein bisschen im Wasser ausgebreitet. Für "sich ausbreiten" heißt die englische Vokabel "to diffuse". So viel Fremdsprache muss sein. Nach ein paar Stunden hat sich die Tinte gleichmäßig überall im Deckel ausgebreitet. Von alleine. Ohne äußere Einwirkung. Eben durch Diffusion.

Die Diffusion ist ein Vorgang, bei dem sich Teilchen, die in einem Raum ungleichmäßig verteilt sind, ganz von alleine gleichmäßig verteilen. "Von alleine" geht deshalb, weil die Atome/Moleküle dieser Teilchen eine winzig-minimale Eigenbewegung haben. Moleküle und ihre Atome  zittern ständig vor sich hin, zucken hierhin und dorthin, bewegen sich zufällig und völlig ziellos, stoßen gegeneinander oder schubsen größere Teilchen willkürlich durch die Gegend. Das Ergebnis ist die gleichmäßige Verteilung und Durchmischung der Teilchen in einem Raum, sprich der Tintenmoleküle und der Wassermoleküle im Deckelwasser. Ein Schotte namens Robert Brown hat als Erster das Phänomen genauer beschrieben. Ihm zu Ehren wird es "Brownsche Bewegung" genannt. Sie verursacht die Diffusion. (Das Verb dazu ist "diffundieren".)

Nach dem Tintenexperiment geht es wieder zurück in die Gasblase:

Eine durchlässige Gasblasenhülle?? Bei den Lungenbläschen geht es auch: Sauerstoff aus der Atemluft geht durch die Luftbläschenhülle ins Blut. Aus dem Blut diffundiert Kohlendioxid durch die Blasenwand hindurch ins Lungenbläschen.

Die Gasblasenwand ist wie bei der Seifenblase keine dicke Schwarte.

Durch Diffusion können die Gase durch die Blasenwand die Blase verlassen. Heiße mineralgesättigte Lösungen finden umgekehrt ihren Weg in den Blasenhohlraum. Die Gase können auch in die Lösung gehen, denn der ganze Lavakörper ist mit Wasser durchtränkt.

 

In der Lösung ist reichlich Kieselsäure. Sie flockt aus, wenn der Wasseranteil abnimmt oder die Lösung übersättigt ist. Die Kieselsäure bildet kleinste kugelförmige Teilchen, im Bild rot mit schwarzem Punkt. Man nennt ein solches Teilchen Kolloid oder Sol, aber was sol´s, wir bleiben beim Teilchen. Die vielen Teilchen hängen sich molekular gern aneinander und  bilden dann als große Moleküle ein Gel, eine Masse, die weder fest noch flüssig ist. 

Aus der echten wässrigen Lösung ist eine kolloide Lösung, ein Gel, eine gallertartige Masse geworden. 

Apotheke und Kieselsäure-Gel - ein kurzer Zwischenstopp

Kieselsäure-Gel kann man in der Apotheke kaufen. Die glibbrige Substanz wird eingenommen, um die Haut zu straffen, das Haar zu kräftigen oder die Nägel kratzfest zu machen. Im Bild oben sieht man einen rundlichen Klacks Kieselsäure-Gel aus der Apotheke. Das dunkle Papier verändert etwas die Farbe. Das Gel ist hellgrau und durchscheinend. Reißnägel lassen sich darauf legen; sie sinken nicht ein, es sei denn mit der Spitze voraus, wie links. Im Folgenden noch weitere Kieselsäure-Gel-Bilder:

1. Mit der Maus übers Bild fahren, dann erscheint der Text. Nicht anklicken!

2. Das Kieselsäure-Gel ist mit Tinte versetzt, damit es einigermaßen   sichtbar wird. Unterschiedliche Blautöne durch Fotoblitz und Wasserverlust.

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Ist ein Osterei auch kolloidal???

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Nach dem Einkauf in der Apotheke und den kleinen Gel-Experimenten sind wir wieder zurück bei der Gasblase in der Lava:

Links: Die Kieselsäureteilchen im Gel sind unterschiedlich groß. Die großen sinken schwerkraftbedingt nach unten. Die kleinen bewegen sich durch Diffusion mal hierin, mal dorthin, das heißt, sie werden von den Wassermolekülen geschubst, bis die Kieselsäureteilchen gleichmäßig in der Blase verteilt sind. Rechts: Durch die gleichmäßige Verteilung sind auch am Blasenrand Kieselsäureteilchen. Wird ein Mindestabstand zur Wand unterschritten, kleben sie an der Wand. Einzelne Kieselsäureteilchen haben sich kugelförmig an der Wand abgesetzt.

In der Lava gab es auch Metallverbindungen. Sie sind zunächst in der heißen wässrigen Lösung, später durch Diffusion auch in der kolloiden Lösung. Sie bringen Farbe in den Ablagerunsvorgang. Eisen färbt gerne rot. Die Eisenpartikel beschleunigen im Übrigen die Fällungvorgänge.

Der Ablagerunsvorgang bringt unterschiedlich gefärbte Bänder hervor. Das zwingt zum Innehalten:

Tinte verhält sich in einem Gel anders als in Wasser. Ein Tropfen Tinte wurde auf ein Gel, ein blaues Haarwaschmittel, gegeben. Es entstehen ringförmige Bilder. Am äußeren Rand verursachen kleine Luftblasen winzige Einkerbungen.

Tinte und Gel: Spätestens wenn die bunten Achat-Bänder entstehen, wird es Zeit, sich mit dem deutschen Chemiker Raphael Eduard Liesegang bekannt machen. Er beschrieb als Erster umfassend, wie Substanzen in einem Gel so miteinander reagieren, dass dabei konzentrisch-ringförmige Strukturen entstehen. Ihm zu Ehren heißen sie "Liesegangsche Ringe" oder "Liesegang-Ringe".

Im Gel verhält sich die Tinte anders als im Wasser, denn es kommen unterschiedlich gefärbte Ringe zustande. Ein Gel ermöglicht die Ringbildung einer Substanz. Aber es sind keine Liesegangschen Ringe. Da muss außer der Ringbildung noch mehr kommen.

Liesegangsche Ringe stehen im Zusammenhang mit einer chemischen Reaktion in einem Gel, in dem zwei Substanzen miteinander reagieren. Das Reaktionsprodukt schlägt sich ringförmig nieder. 

Das Liesegangsche-Ringe-Phänomen spielt bei der Achatbildung eine wichtige Rolle. Raphael Liesegang hat die chemischen Fällungsreaktionen in Gelen kurz vor 1900 beschrieben und veröffentlicht. Was da aber genau passiert, erhielt hundert Jahre lang unterschiedliche Erklärungen. Die verschiedenen Theorien gibt es im Internet, eine davon ist das "IDNB-Modell". Das könnte man ergoogeln...

Liesegang Ringe auf einem hellgraublauen Chalcedon-Schmuckstück. Das war ein Ackerstein im Mittleren Muschelkalk, Birkenfeld. Die Münze dient dem Größenvergleich.

Wer sich mit den Liesegangschen Ringen umfassender beschäftigen möchte, findet dazu auf einer Extraseite Texte und Bilder, die das Phänomen ausführlich beschreiben, erklären und veranschaulichen. Dabei ist sicher das eine oder andere Bild sehenswert! Klicken Sie dafür auf 

Liesegangsche Ringe.

Strukturen, Muster, Bilder, Zeichnungen auf dem Achat, nachdem sich eine Schicht nach der anderen gebildet hat:

Um die ersten Kieselsäureteilchen, die Keime, setzen sich immer wieder neue an, solange in der Lösung noch mineralische Substanz ist. Am Rande des Blasenhohlraums ergeben sich dabei Strukturen, Muster oder Zeichnungen, die auf der bearbeiteten Fläche eines Achats häufig zu beobachten sind:

1. Konzentrische Halbkreise, groß und deutlich sichtbar: Der Kieselsäure-Keim hatte keine Konkurrenten an der Blasenwand. Er konnte sich gleichmäßig Schicht für Schicht kugelig entwickeln, im Querschnitt eben kreisförmig. Meistens sind es halbkugelige/halbkreisförmige Strukturen. 

2. Kettenartige, wellenförmige Gebilde: Mehrere Keime hefteten sich bei geringem Abstand voneinander an die Wand. Die Halbkugeln fingen an zu wachsen, aber schon bald störten sie sich gegenseitig beim Wachsen. Die Ablagerung ändert sich im Querschnitt vom winzigen Halbkreis hin zu einer Bänderung, die dem Auf und Ab der  Wandkonturen folgt. 

3. Parallele Bänder in horizontalen Lagen: Die großen Kieselsäure-teilchen sanken wegen der Schwerkraft zur tiefsten Stelle im Blasenraum und übernahmen die horizontale, gradflächige Anordnung der ersten Keime. Die Uruguay-Bänderung ist das Ergebnis. Uruguay-Achate gibt es im Raum Rheinland-Pfalz keine.

4. Unauffällige, fast strukturlose Bänderung: Unserem ausgewählten Achat gelang keine deutliche Struktur. Er vermittelt nur den Gesamteindruck, dass die Ablagerung den Konturen der Wand folgte. Die Zeichnung bleibt unklar, das Muster ist verschwommen, die Bändergrenzen sind undeutlich. Da ist er im Soll. Auf der Haben-Seite sitzt er hübsch knollig im Melaphyr-Mandelstein - diese alte Gasblase aus der ollen Lava.

Die aufgesägten Achat-Geode aus Waldhambach zeigt feine halbkreisförmige/halbkugelige Bildungen, aber auch die wellenförmigen Bänder, wenn die ersten Keime zu dicht aufeinander an der Wand haften.

Schicht für Schicht entwickelte sich der Waldhambacher Achat zu seiner endgültigen Form. Unter Wasserverlust wurde kristallloses Kolloid zu mikrokristallinem Chalcedon. Aber beides ist und bleibt chemisch gleich. Ein Resthohlraum blieb, in den Quarz- und Calcitkristalle hineinwuchsen.

Modifikationen: Von der Kieselsäure zum Quarz gibt es unter Wasserverlust im Wesentlichen drei Zustandsformen= Modifikationen: 

 

Im aushärtenden Kieselsäure-Gel ist die Quarzmasse kristalllos, amorph, aber noch wasserhaltig und damit ein........................... Opal.

Später bilden sich mikroskopisch kleine Kristalle. Die amorphe Quarzmasse wird zum wasserfreien mikrokristallinen................. ...... Chalcedon.

Einzelne große, mit dem Auge deutlich sichtbare Quarz-Kristalle konnten sich daraus entwickeln. Sie ragen mit ihren Pyramidenspitzen in den leeren Resthohlraum. Es ist makrokristalliner...... ................... Quarz.

Achat, Rheinland-Pfalz. Außen Chalcedon = mikrokristalliner Quarz, mit dem bloßen Auge sind keine Kristalle zu sehen; innen große Kristalle = makrokristalliner Quarz, fürs Auge ohne Mikroskop und Lupe deutlich sichtbar.

Mörike mit frühlingshaftem Reim

nach Kieselsäure, Kolloid und Keim:

Liebe Besucherinnen und Besucher, wenn Sie das alles tatsächlich durchgelesen haben - Congratulations and Celebrations! Vielleicht sind Sie jetzt völlig erschöpft und haben sich gerade vorgenommen, nie wieder einen Achat anzugucken... Die Entstehung von Achaten ist wahrhaftig ein komplizierter Vorgang, bei dem sich die Geologie, Vulkanologie, die Physik, die Chemie, Theorie und Poesie ein Stelldichein geben. Richtig, die Poesie fehlt noch. Also beschließen wir das Ganze nicht mit Eduard Liesegang, sondern mit Eduard Mörike:

 

Er ist´s                                            Ich bin´s

Frühling lässt sein blaues Band          Kieselsäure bis zum Rand

wieder flattern durch die Lüfte.          in der Blase voller Düfte.

Süße, wohlbekannte Düfte                Kein Entweichen in die Lüfte,

streifen ahnungsvoll das Land.           weil das die Lava unterband.

Veilchen träumen schon,                   Kolloide träumen schon,

wollen balde kommen.                      wollen balde kommen

Horch, von fern ein leiser Harfenton:  als Kristall im Chalcedon.

Frühling, ja, du bist´s,                      Halt! Mit leicht verwirrtem Unterton

dich hab ich vernommen!                  sagt ein Besucher: Ja, ich bin´s!

                                                      Ich hab nicht alles mitbekommen!

Kolloide träumen schon, wollen balde kommen... Oder sind das Veilchen?

Sie sind´s

Kolloide träumen schon,

wollen balde kommen,

mit Liesegang und Diffusion.

"Haja, so ist´s! Genau!"

Mit einer Stimme laut im Ton

ruft ein Besucher:"Wow!

Ich hab´hier alles mitbekommen!"

Liebe Besucherinnen und Besucher, Sie konnten sich hier Ihren eigenen passenden Gedicht-Schluss aussuchen. Schön, dass Sie sich aufs Lesen eingelassen haben. Jetzt fehlt nur noch der Besuch bei uns im Museum. Ach Sie waren schon mal da. Na dann!

Achat, früher einmal im Steinbruch Idar-Oberstein, heute dauernd im Mineralienmuseum Pforzheim