Menzerit-(Y)

Die ersten Berichte von Yttrium in Granat stammen bereits aus dem Jahr 1868. Danas System der Mineralogie von 1892 führt Analysen von Websky auf, die 2,64 Gew-% Yttriumoxid in Manganreichen Granat ausweisen.[5]

Die Struktur von Granat war da noch nicht bekannt. Die Grundlage für deren Bestimmung legten Max von Laue, Walther Friedrich und Paul Knipping 1912 mit der Entdeckung der Röntgenbeugung, wofür Laue 1914 den Nobelpreis für Physik erhielt. Elf Jahre später, 1925, bestimmte Georg Menzer die Kristallstruktur von Granat und wurde später selbst wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Max von Laue.

Van der Lingen führte 1928 bei seiner Untersuchung von Granaten aus Südafrika die Namen Emildin für yttriumhaltigen Spessatin und Erinadin für yttriumhaltige Spessartin-Pyrop-Uwarowit-Mischkristalle ein. Es folgten weitere Nachweise von Spurengehalten von Yttrium und anderen Seltenerdmetallen in Granaten, darunter Goldschmidt und Peters (1931), Björlykke (1937), Iimori (1938) mit 2,45 Gew-% Seltenerdoxid und Sahama und Vähätalo (1939) bis Jaffe 1951 feststellte, dass Yttrium ein gängiger Bestandteil von spessartinreichen Granaten aus Pegmatiten ist. Den Yttrium-Einbau erklärte Jaffe über den gekoppelten Austausch Mn²⁺ + Si⁴⁺ = Y³⁺ + Al³⁺.[5]

Die experimentelle Bestätigung dieses Mechanismus des Yttriumeinbaus in Granat lieferten Yoder & Keith vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution for Science noch im gleichen Jahr. Sie konnten die komplette Mischungsreihe von Spessartin zu Yttrium-Aluminium-Granat (YAG, Yttrogranat) (Y³⁺₃Al³⁺₂Al³⁺₃O₁₂) synthetisieren.[6]

Natürliche Granate, die Yttrium über diesen Mechanismus einbauen enthalten selten mehr als 1–2 Gew-% Yttriumoxid. Es dauerte noch fast 60 Jahre, bis mit Menzerit-(Y) ein yttriumreicher Granat mit rund 17 Gew-% Y₂O₃ beschrieben wurde. Diese hohen Yttriumgehalte werden mit einem anderen Mechanismus des Yttriumeinbaus erreicht, bei dem der Ladungsausgleich nicht Über den Ersatz von Si⁴⁺ durch Al³⁺, sondern durch den Ersatz von Al³⁺ durch Mg²⁺ erreicht wird. Benannt wurde dieser neue Granat mit der Endgliedzusammensetzung Y³⁺₂Ca²⁺Mg²⁺₂Si₃O₁₂ nach dem Kristallographen und ehemaligen Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München Georg Menzer, in Anerkennung seiner Forschung zur Struktur der Granate.[3]

Die strukturelle Klassifikation der International Mineralogical Association (IMA) zählt den Menzerit-(Y) zur Granat-Obergruppe, wo er zusammen mit Almandin, Andradit, Calderit, Eringait, Goldmanit, Grossular, Knorringit, Momoiit, Morimotoit, Majorit, Pyrop, Rubinit, Spessartin und Uwarowit die Granatgruppe mit 12 positiven Ladungen auf der tetraedrisch koordinierten Gitterposition bildet.[7]

Die veraltete, aber noch gebräuchliche 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz führt den Menzerit-(Y) noch nicht auf. Er würde zusammen mit Almandin, Andradit, Calderit, Goldmanit, Grossular, Henritermierit, Hibschit, Holtstamit, Hydrougrandit, Katoit, Knorringit, Morimotoit, Majorit, Pyrop, Schorlomit, Spessartin, Uwarowit und Wadalit in die „Granatgruppe“ mit der System-Nr. VIII/A.08 innerhalb der Abteilung der „Inselsilikate (Nesosilikate)“ gehören.

Auch die seit 2001 gültige 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik kennt den Menzerit-(Y) noch nicht. Er würde zur „Granatgruppe“ mit der System-Nr. 9.AD.25 innerhalb der Abteilung der „Inselsilikate (Nesosilikate)“ gehören. Diese ist weiter unterteilt nach der möglichen Anwesenheit weiterer Anionen und der Koordination der beteiligten Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Inselsilikate ohne zusätzliche Anionen; Kationen in oktaedrischer [6]er- und gewöhnlich größerer Koordination“ zu finden wäre.

Die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana führt den Menzerit-(Y) ebenfalls noch nicht auf.

Menzerit-(Y) mit der idealisierten Zusammensetzung ^[X](Y³⁺₂Ca²⁺)^[Y]Mg²⁺₂^[Z]Si₃O₁₂ ist das Yttrium-Magnesium-Analog von Grossular.

Für den yttriumreichsten Menzerit-(Y) aus der Typlokalität wird folgende Zusammensetzung angegeben:

• ^[X](Ca_1,37Y_0,83Gd_0,01Dy_0,05Ho_0,02Er_0,07Tm_0,01Yb_0,06Lu_0,02Fe²⁺_0,49Mn²⁺_0,07)^[Y](Mg²⁺_0,55Fe²⁺_0,42Fe³⁺_0,58Al³⁺_0,35V³⁺_0,01Sc³⁺_0,01Ti⁴⁺_0,08)^[Z](Si_2,82Al³⁺_0,18)O₁₂,[3]

wobei mit [X], [Y] und [Z] die Positionen in der Granatstruktur angegeben sind.

Dieser natürliche Menzerit-(Y) kann als komplexer Mischkristall mit Grossular, Andradit und einem Fe²⁺-Analog von Menzerit beschrieben werden, entsprechend den Austauschreaktionen

• ^[X]Y³⁺ + ^[Y]Mg²⁺ = ^[X]Ca²⁺ + ^[Y]Al³⁺ (Grossular)
• ^[X]Y³⁺ + ^[Y]Mg²⁺ = ^[X]Ca²⁺ + ^[Y]Fe³⁺ (Andradit)
• ^[Y]Mg²⁺ = ^[Y]Fe²⁺ (Ferro-Menzerit-(Y))

sowie geringen Anteilen von Hutcheonit und Spessartin, entsprechend

• ^[X]Y³⁺ + ^[Y]Mg²⁺ + ^[Z]Si⁴⁺ = ^[X]Ca²⁺ + ^[Y]Ti⁴⁺ + ^[Z]Al³⁺ (Hutcheonit)
• ^[X]Y³⁺ + ^[Y]Mg²⁺ = ^[X]Mn²⁺ + ^[Y]Al³⁺ (Spessartin).

Der von Yaffe sowie Yodder & Keith 1951 beschriebene Austauschvektor für den Y-Einbau

• ^[X]Ca²⁺ + ^[Z]Si⁴⁺ = ^[X]Y³⁺ + ^[Z]Al³⁺[5][6]

spielt für Menzerit-(Y) keine besondere Rolle.

Die für einen Y-reichen Granat aus Japan angenommene Austauschreaktion

• 2^[X]Ca²⁺ = ^[X]Y³⁺ + ^[X]Na⁺[5]

konnte für natrium- und yttriumhaltige Granate aus Gneisen in China bestätigt werden. Bis zu 2 Gew-% Seltenerdoxid wurden in diesen Granaten über diesen Mechanismus eingebaut.[8] Bei Menzerit ist diese Austauschreaktion nicht aktiv.

Theoretische Berechnungen der Energiebilanz für den Y-Einbau über verschiedene Austauschreaktionen bestätigen dieses Bild. Energetisch günstig sind die Menzerit-Substitution sowie der gekoppelte Y-Na-Einbau. Als energetisch ungünstiger erwies sich der Ladungsausgleich über Leerstellen auf der X-Position, Al auf der Siliziumposition (YAG) oder Lithium (Li) auf der oktaedrischen Aluminiumposition.[9]

Menzerit-(Y) kristallisiert mit kubischer Symmetrie in der Raumgruppe Ia3d (Raumgruppen-Nr. 230)Vorlage:Raumgruppe/230 mit 8 Formeleinheiten pro Elementarzelle. Der natürliche Mischkristall aus der Typlokalität hat dem Gitterparameter a = 11,9947 Å.[3]

Die Struktur ist die von Granat. Yttrium (Y³⁺) und Calcium (Ca²⁺) besetzten die dodekaedrisch von 8 Sauerstoffionen umgebene X-Position, Magnesium (Mg²⁺) die oktaedrisch von 6 Sauerstoffionen umgebene Y-Position und die tetraedrisch von 4 Sauerstoffionen umgebenen Z-Position ist ausschließlich mit Silicium (Si⁴⁺) besetzt.[3]

Yttrium ist ein gängiger Bestandteil von spessartinreichen Granaten aus Seltenerd-Pegmatiten. Die Yttriumgehalte dieser Granate gehen aber nicht über einige Gew-% hinaus.[5]

Die Typlokalität und der bislang (2018) einzige bekannte Fundort von Menzerit-(Y) ist ein felsischer Granulit von der Bonnet Island in der Georgian Bay im Parry Sound District, Ontario, Kanada.[4] Menzerit-(Y) findet sich im Kern von yttriumhaltigen Almandinen und kommt zusammen mit Kalifeldspat, Allanit-(Ce), Ilmenit und Fluorapatit vor. Weitere Minerale des Umgebundsgesteins, mit denen Menzerit nicht direkt in Berührung kommt, sind Oligoklas, Wurzit, Ferrosilit, Augit, Clinoamphibol, Biotit, Magnetit und akzessorisch Zirkon, Monazit-(Ce), Xenotim-(Y), Pyrit, Chalkopyrit, Sphalerit, Hercynit und Mg-Fe-Carbonat.[3]

Menzerit-(Y) bildete sich bei aufsteigender Metamorphose bei 550–780 °C und 5–8,5 kbar im thermodynamischen Gleichgewicht mit Oligoklas, Ferrosilit, Quarz, Clinopyroxen und Eisenoxiden. Quelle der Metalle der Seltenen Erden waren in erster Linie Xenotim und untergeordnet Zirkon. Bei beginnender Schmelze wurde Menzerit-(Y) wieder abgebaut und schließlich von Almandin überwachsen.[10]

• Liste der Minerale

• Mineralienatlas:Menzerit-(Y) (Wiki)
• Mindat – Menzerit-(Y) (englisch)

1. Malcolm Back, Cristian Biagioni, William D. Birch, Michel Blondieau, Hans-Peter Boja und andere: The New IMA List of Minerals – A Work in Progress – Updated: January 2023. (PDF; 3,7 MB) In: cnmnc.main.jp. IMA/CNMNC, Marco Pasero, Januar 2023, abgerufen am 26. Januar 2023 (englisch).
2. Laurence N. Warr: IMA–CNMNC approved mineral symbols. In: Mineralogical Magazine. Band 85, 2021, S. 291–320, doi:10.1180/mgm.2021.43 (englisch, cambridge.org [PDF; 320 kB; abgerufen am 5. Januar 2023]).
3. Edward S. Grew, Jeffrey H. Marsh, Martin G. Yates, B. Lazic, T. Armbruster, Martin Locock, S. W. Bell, M. D. Dyar, H. J. Bernhardt, O. Medenbach: Menzerite-(Y), a new species, {(Y,REE)(Ca,Fe2+)2}[(Mg,Fe2+)(Fe3+,Al)](Si3)O12, from a felsic granulite, Parry Sound, Ontario, and a new garnet end-member, {Y2Ca}[Mg2](Si3)O12. In: The Canadian Mineralogist. Band 48, 2010, S. 1171–1193 (unibe.ch [PDF; 5,3 MB; abgerufen am 4. März 2018]).
4. Fundortliste für Menzerit-(Y) beim Mineralienatlas und bei Mindat
5. Howard W. Jaffe: The role of yttrium and other minor elements in the garnet group. In: The American Mineralogist. Band 36, 1951, S. 133–155 (minsocam.org [PDF; 1,5 MB; abgerufen am 6. März 2018]).
6. H. S. Yoder & M. L. Keith: Complete substitution of aluminum for silicon: the system 3MnO•Al2O3•3SiO2 – 3Y2O3•5Al2O3. In: The American Mineralogist. Band 36, 1951, S. 519–533 (minsocam.org [PDF; 892 kB; abgerufen am 6. März 2018]).
7. Edward S. Grew, Andrew J. Locock, Stuart J. Mills, Irina O. Galuskina, Evgeny V. Galuskin and Ulf Hålenius: IMA Report – Nomenclature of the garnet supergroup. In: American Mineralogist. Band 98, 2013, S. 785–811 (main.jp [PDF; 2,3 MB; abgerufen am 8. Juli 2017]).
8. Masaki Enami, Bolin Cong, Takeyoshi Yoshida, Iwao Kawabe: A mechanism for Na incorporation in garnet: An example from garnet in orthogneiss from the Su-Lu terrane, eastern China. In: The American Mineralogist. Band 80, 1995, S. 475–482 (minsocam.org [PDF; 675 kB; abgerufen am 12. März 2018]).
9. William D. Carlson, Julian D. Gale, Kate Wright: Incorporation of Y and REEs in aluminosilicate garnet: Energetics from atomistic simulation. In: The American Mineralogist. Band 99, 2014, S. 1022–1034 (minsocam.org [PDF; 999 kB; abgerufen am 10. März 2018]).
10. Jeffrey H. Marsh, Edward S. Grew, Christopher C. Gerbi, Martin G. Yates and Nicholas G. Culshaw: The Petrogenesis Of The Garnet Menzerite-(Y) In Granulite Facies Rocks Of The Parry Sound Domain, Grenville Province, Ontario. In: The Canadian Mineralogist. Band 50, 2012, S. 73–99, doi:10.3749/canmin.50.1.73.