Mineralogie und Geochemie des Oberen Mantels

Fast der gesamte Obere Mantel besteht aus Peridotit-Gestein. Das Peridotit-Gestein besteht aus millimetergroßen Körnern folgender Minerale: ca. 73 Vol.-% Olivin, ca. 17 % Orthopyroxen und ca. 7 % Klinopyroxen. Hinzu kommen je nach Tiefenlage geringe Mengen Plagioklas, Spinell oder Granat.

Alle diese Minerale sind Mischkristalle, d.h. die chemische Zusammensetzung dieser Minerale kann sich in gewissen Grenzen verändern. Man kann sie sich als eine Mischung aus reinen Endgliedern vorstellen. Beispielsweise besteht ein bestimmter Olivin-Mischkristall zu 70% aus dem Magnesium-Endglied Mg₂SiO₄ und zu 30% aus dem Eisen-Endglied Fe₂SiO₄. Die reinen Endglieder haben eigene Namen. Der reine Mg-Olivin heißt Forsterit und der reine Fe-Olivin heißt Fayalit.

In den folgenden chemischen Strukturformeln der Mischkristalle können sich die in Klammern gesetzten Atome gegenseitig ersetzen. Das Eisen (Fe) kann in manchen Mineralen als zwei- oder dreiwertiges Eisen enthalten sein. Die Strukturformeln geben auch die Anordnung der Atome im Kristallgitter ungefähr wieder.

Olivin: (Mg,Fe)₂SiO₄Orthopyroxen: (Mg,Fe)SiO₃
Klinopyroxen: (Mg,Fe)CaSi₂O₆

Plagioklas: CaAl₂Si₂O₈ gemischt mit NaAlSi₃O₈
Spinell: (Mg,Fe)²⁺(Fe,Al,Cr)³⁺₂O₄
Granat: (Mg,Fe,Ca)²⁺(Al,Fe,Cr)³⁺SiO₄

Alle diese Minerale kann man sich aber auch wie eine Mischung verschiedener Metalloxide vorstellen:

Olivin: 2 (MgO,FeO) + SiO₂Orthopyroxen: (MgO,FeO) + SiO₂
Klinopyroxen: (MgO,FeO) + CaO + 2 SiO₂
Plagioklas: CaO + Al₂O₃+ 2 SiO₂ gemischt mit 2 Na₂O + Al₂O₃+ 6 SiO₂
Spinell: (MgO,FeO) + (Fe₂O₃,Al₂O₃,Cr₂O₃)
Granat: (MgO,FeO,CaO) + (Fe₂O₃,Al₂O₃,Cr₂O₃) + SiO₂

Diese Darstellung zeigt, dass bei der Bildung der Gesteine Sauerstoff (O) im Überschuss zur Verfügung stand (alles Oxide), jedoch geht bei dieser Formeldarstellung die Kristallstruktur-Information verloren.

Wenn man ein Peridotit-Gestein aus dem Erdmantel chemisch analysiert, erkennt man, dass der Erdmantel ganz überwiegend aus Siliziumdioxid und Magnesiumoxid sowie etwas Eisenoxid besteht. Beispielhaft wird hier eine typische chemische Analyse eines Mantel-Peridotits aufgeführt (in Gew.-%):

SiO₂	44,07
TiO₂	0,02
Al₂O₃	0,73
Cr₂O₃	0,45
Fe₂O₃	1,82
FeO	6,78
NiO	0,30
MnO	0,14
MgO	43,80
CaO	1,64
Na₂O	0,07
K₂O	0,04
H₂O	0,12
Summe	99,98

Das Ergebnis von Gesteins-Analysen gibt man immer in Form von Metalloxiden an. Der Sauerstoff-Anteil wird dabei nicht analytisch bestimmt, sondern nur berechnet. Die angegebenen Oxide sind nicht als eigenständige Minerale vorhanden, sondern es sind die Bausteine aus denen die gesteinsbildenden Minerale (Olivin, Pyroxene etc.) zusammengesetzt sind.

Diese chemische Analyse stammt von einer Peridotit-Knolle, die in einem Basalt des Vogelsberges bei Gonterskirchen eingeschlossen war (Mineralbestand: 63 Vol.-% Olivin, 28 % Orthopyroxen, 3 % Klinopyroxen und 6 % Spinell, nach Schütz (1967), zitiert in Wimmenauer, W. (1985): Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine.- S. 361, Enke-Verlag, Stuttgart)