Innsbruck – Calcit (auch Kalkspat oder Doppelspat genannt), Aragonit und Vaterit sind allesamt Modifikationen der kristallinen Form von Calciumcarbonat (CaCO3). Das besonders stabile Calcit ist die häufigste davon in der Erdkruste – und dennoch nicht ganz so vorherrschend, wie man es vielleicht erwarten würde.
Auch das weniger stabile Aragonit ist nämlich noch in großen Mengen zu finden – ein Rätsel der Mineralogie. Wirkt etwa Druck auf das Mineral oder ist es lediglich geringen Zusätzen an gelösten Stoffen ausgesetzt, wandelt sich das "metastabile" Aragonit nämlich rasch in stabiles Calcit um. Trotzdem ist es reichlich vorhanden, unter anderem bestehen die Schalen von Muscheln und Schnecken oder die Skelette von Korallen aus Aragonit.
Der Fund
Ein Team um Peter Nemeth vom Institute of Minerals and Environmental Chemistry in Budapest, dem auch Christoph Spötl vom Institut für Geologie der Uni Innsbruck angehörte, machte in der Obstanser Eishöhle in Osttirol nun eine unerwartete Entdeckung, die ein neues Licht auf das Rätsel wirft. "Es ist sehr interessant, dass ausgerechnet in diesem kalten Loch in Osttirol dieser Fund gemacht werden konnte. Vielleicht ist das auch ein Hinweis, dass man wirklich in diese Extrembereiche hineinschauen muss, um dort etwas über das große Bild zu lernen", sagt Spötl.
In der Höhle entsteht bei sehr tiefen Temperaturen Aragonit. "Diese CaCO3-Ablagerungen bilden sich sehr langsam in einer geschützten und stabilen Umgebung. Höhlen bieten daher perfekte natürliche Labore, um den Prozess der Karbonatbildung zu untersuchen", so Nemeth.
Unerwartete Magnesiumgehalt
Mit einer speziellen Methode sammelten die Wissenschafter kleinste Mengen des neu gebildeten Gesteins. In Analysen mit dem Elektronenmikroskop wurde klar, dass die nur Nanometer kleinen Proben mitunter erhebliche Mengen an Magnesium enthielten. "Magnesium ist ein Element, das eigentlich nicht in die Kristallstruktur von Aragonit passt", so Spötl. Darüber hinaus zeigten sich im Zuge der Analysen auch einige andere Muster, die nicht zu Aragonit passten.
Es stellte sich heraus, dass es die Forscher mit einem neuen Nano-Kristalltyp zu tun hatten, den sie als "monoklinen Aragonit" (mAra) beschrieben. Dieser weist eine andere Struktur als das herkömmliche Aragonit auf und kann an jenen Stellen im Verbund, an denen normalerweise Calcium und Carbonat sitzen, Magnesium-Atome und Hydroxylgruppen beherbergen. Diese neu entdeckte "nanokristalline polymorphe Phase von Calciumcarbonat" weist laut den Forschern auch eine geringere Symmetrie als Aragonit auf.
Noch nicht restlos geklärt
Die Forscher deuten ihre Ergebnisse dahingehend, dass es sich bei mAra um einen Vorläufer des metastabilen Aragonits handelt. Im Zuge des weiteren Wachstums der Kristalle wird die Struktur instabil, das Magnesium und die Hydroxylgruppen werden abgegeben, und es entsteht herkömmliches Aragonit.
Das Team geht davon aus, dass es diesen Vorgang nicht nur in besagter Höhle gibt, dieser Zwischenschritt in der Mineral-Entstehung bisher aber auch aufgrund des Fehlens neuer wissenschaftlicher Methoden noch nicht entdeckt wurde. Das Rätsel um die unerwartete Häufigkeit von Aragonit sei damit jedoch noch nicht gelöst: "Wir haben hier eine kleine Büchse aufgemacht, in der vermutlich noch mehr drinnen ist", so Spötl. (APA, red, 13. 12. 2018)