Tonmineralogie

Tonminerale sind wasserhaltige Aluminiumsilikate mit plättchenförmiger Struktur. Sie bestehen in der Regel aus planaren Kristallen mit einer Teilchengröße von weniger als 2 µm. Fundamentale Struktureinheiten der Tonminerale sind Sauerstoff- und Hydroxidlagen, die je nach Koordination der Zentralkationen als Tetraeder- oder Oktaederschichten bezeichnet werden. Alle Modelle umgezeichnet nach GRIM, R. E. (1953).

Die Minerale dieser Gruppe setzen sich aus Zweierschichten zusammen, die aus je einer Tetraeder- und einer Oktaederschicht aufgebaut sind. Sie werden als Zweischichtminerale vom Typ 1 : 1 bezeichnet. Der diagnostische Basisabstand der Schichtpakete beträgt je nach Mineralart c_o = 7,0 – 7,3 Ångström (Å). Die Schichtpakete werden durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Daher besitzen die Minerale dieser Gruppe keine innerkristalline Quellfähigkeit und eine vergleichsweise große mineralogische Stabilität. Ein Kaolinitteilchen besteht aus rund 50 Schichtpaketen/Elementarschichten.

In allen Dreischichtsilikaten vom Typ 2 : 1 ist an die Oktaederschicht eine weitere Tetraederschicht spiegelsymmetrisch an kondensiert. Daraus ergibt sich ein regelmäßiger Aufbau aus Dreierschichten. Im dioktaedrischen Pyrophyllit (Al³⁺ im Oktaeder) und im trioktaedrischen Talk (Mg²⁺ im Oktaeder) sind die Elementarschichten ungeladen.

Diese Minerale setzten sich ebenfalls aus Dreischichtsilikaten vom Typ 2 : 1 zusammen. Im Unterschied zur Pyrophyllit-Talk-Gruppe weisen Glimmerminerale jedoch eine hohe Schichtladung auf, die durch Ersatz von Si⁴⁺-Ionen durch Al ³⁺ -Ionen in den Tetraederschichten verursacht wird. Die negative Schichtladung wird im Zwischenschichtraum durch eingelagerte große Kalium-Ionen kompensiert. Die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen den Kalium-Ionen und den Schichtpaketen führen zu einem nicht quellfähigen Kristallgitter mit einem Basisabstand von c_o = 10 Å.

Die Struktur der Smektite leitet sich von den Glimmern ab. Es handelt sich um geladene Dreischichtsilikate vom Typ 2 : 1. Im Unterschied zu den Glimmern ist die Schichtladung jedoch deutlich geringer. Anstelle von Kalium-Ionen wird die negative Schichtladung durch hydratisierte Kationen neutralisiert. Da zwischen den negativ geladenen Schichten und den eingelagerten Kationen nur schwache elektrostatische Kräfte wirken, weisen Smektite eine starke innerkristalline Quellfähigkeit und eine entsprechend geringe Stabilität auf.

Minerale der Chlorit-Gruppe setzen sich aus negativ geladenen Schichtpaketen zusammen, wobei die Schichtladung nicht durch Zwischenschichtkationen, sondern durch positiv geladene Oktaeder-Zwischenschichten (meist Mg(OH)₂) kompensiert wird. Man bezeichnet diese Mineralgruppe daher auch als Dreischichtminerale vom Typ 2 : 1 : 1 oder als Vierschichtminerale vom Typ 2 : 2. Die negative Ladung der Schichtpakete resultiert vor allem aus der Substitution von Silizium- durch Aluminium-Ionen in den Tetraederschichten.

Aus geologischer Sicht sind Tone die kompliziertesten natürlichen Mineralgemenge. Schon allein aufgrund ihrer submikroskopischen Teilchengröße entziehen sie sich der direkten visuellen Betrachtung. Bei der Bestimmung von Art und Anteil der enthaltenen Mineralkomponenten machen sie den kombinierten Einsatz von röntgenographischen und thermoanalytischen Untersuchungsmethoden erforderlich. Zu nennen sind hier vor allem die Methoden der Rasterelektronenmikroskopie (REM), der Röntgen-Fluoreszenz-Analyse (RFA), der Röntgen-Diffraktometer-Analyse (RDA), der Simultan-Thermo-Analyse (STA) und der Korngrößen-Verteilung (KV).

Die phasenanalytische Erforschung und Untersuchung von Tonen wird unter dem Begriff der Tonmineralogie zusammengefasst. Sie ist für den technischen Verwendungszweck der Tone von maßgebender Bedeutung. Dies trifft sowohl auf den Einsatz in der Fein- und Grobkeramik als auch für Einsatzzwecke außerhalb der Keramik zu. Die Kenntnis der Tonmineralogie lässt erste Rückschlüsse auf die speziellen Eigenschaften eines Tons zu.

Daher stellt die quantitative Mineralphasenanalyse zur Bestimmung von Art und Anteil der in einem Mineralgemenge vorhandenen Tonminerale immer noch eine der schwierigsten Aufgaben in der Mineralogie dar. Als wegbereitend ist die Arbeit von Max von Laue anzusehen. Er entdeckte im Jahr 1912 die Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen, womit sowohl der Wellencharakter der Röntgenstrahlung als auch die Gitterstruktur der Kristalle nachgewiesen waren. Für seine Arbeit erhielt er im Jahr 1914 den Nobelpreis für Physik. Noch heute stellt die Röntgenbeugung die wichtigste methodische Grundlage in der Tonmineralogie dar.

Die Methode beruht auf dem Prinzip, dass kristalline Substanzen ein charakteristisches Atomgitter besitzen, das in ebenso charakteristischer Weise durch Röntgenstrahlen gebeugt wird. Die entstehenden Interferenzmuster sind diagnostisch für die Kristallstruktur. Die Bragg`sche Gleichung ist die zugrunde liegende mathematische Beziehung für die Ermittlung der Struktur aus dem bei der Röntgenbeugung erhaltenen Beugungsbild. Röntgendiagramme liefern Interferenzmaxima (Reflexe, Peaks), aus deren Lage man den Beugungswinkel und den zugehörigen d-Wert bestimmen kann. Da jede kristalline Substanz ein individuelles Röntgendiffraktogramm besitzt, können mit Hilfe der Röntgenbeugung unbekannte kristalline Substanzen identifiziert werden.

Mineralische Rohstoffe setzen sich in der Regel aus mehreren Mineralphasen zusammen. Da die anteilige Menge der einzelnen Minerale nicht mit den gemessenen Interferenzintensitäten korreliert, können mit der Röntgenbeugung meistens nur qualitative Aussagen getroffen werden. Ferner kommt hinzu, dass sich Peaks bestimmter Minerale überlagern können, sodass eine eindeutige Zuordnung oft nicht möglich ist. Aufgrund des strukturell sehr ähnlichen, schichtartigen Aufbaus trifft das in besonderem Maße für Tonminerale zu. Daher sollten die Tonminerale vor der eigentlichen Identifizierung von den restlichen Mineralen separiert und gesondert untersucht werden.

Diese Separation erfolgt zweckmäßigerweise durch Herstellung einer Dispersion in Wasser mit nachfolgender Abtrennung der Fraktion < 2 µm im Zentrifugalfeld. Die Identifizierung und Unterscheidung der einzelnen Tonmineralarten beruht neben der Bestimmung der b-Parameter (060-Reflexe) vor allem auf der Ermittlung der Basisflächenabstände dL (001-Reflexe) in c-Richtung. Daher sind Texturpräparate mit möglichst paralleler Orientierung der einzelnen Tonpartikel anzufertigen. Da die Basisreflexe z. B. von Smektiten (dL = 12 - 18 Å) und Chloriten (dL = 14 Å) koinzidieren können, müssen zur eindeutigen Identifizierung ergänzende Quellfähigkeitsnachweise durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird ein weiteres Texturpräparat im Vakuum-Exsikkator mit Äthylenglykol bedampft. Bei innerkristallin quellfähigen Mineralen wird dann eine diagnostische Aufweitung des Kristallgitters nachgewiesen.

Für die exakte Bestimmung von Art und Anteil der in einem Mineralgemenge auftretenden Tonmineralphasen ist die Röntgenbeugung allein meistens nicht ausreichend, weil nur die kristallinen Anteile erfasst werden. Amorphe Phasen wie etwa vulkanische Gläser können weder qualitativ noch quantitativ nachgewiesen werden. Aus diesem Grund muss die Röntgenbeugung mit ergänzenden Untersuchungsverfahren kombiniert werden. Dabei hat sich seit einigen Jahren die Infrarotspektroskopie als geeignete Methode erwiesen.

Das Verfahren beruht auf Wechselwirkungen zwischen IR-Strahlung (0,7 – 500 µm) und Materie. Durch Aufnahme definierter Energiebeträge aus IR-Strahlung zeigen die einzelnen Molekülgruppen der Minerale ein charakteristisches Schwingungsspektrum. Da die Menge der absorbierten Energie von der Anzahl der Moleküle im IR-Strahl abhängt, sind quantitative Aussagen zu Mineralgehalten möglich. Die Ermittlung der Mengenanteile erfolgt rechnerisch durch Messung der Extinktionen an ausgewählten Analysenbanden. Auch amorphe und mikrokristalline oder schlecht kristallisierte Phasen können mit der IR-Spektroskopie erfasst und analysiert werden.

Je feiner die Materie, desto komplizierter und aufwendiger die Analyse, so einfach kann man es zum Einstieg formulieren. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) erlaubt es, feinste Mineralstrukturen und das Mikrogefüge in den komplexen Tonmineralgemengen sichtbar zu machen. Nachfolgende REM-Aufnahmen zeigen die gravierenden Unterschiede zwischen den einzelnen Tonmineraltypen. Alle REM-Aufnahmen mit freundlicher Genehmigung folgender Quelle: „Clay Archive of Mineralogical Society of Great Britain & Ireland and the Clay Minerals Society.“