Lawsonit ist ein wasserhaltiges Calcium-Aluminium-Silikat-Mineral mit der chemischen Formel CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O. Es kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem und weist typischerweise die Raumgruppe Ccmm auf. Strukturell besteht Lawsonit aus rahmenartigen Ketten aus kantenverknüpften AlO₆-Oktaedern, die durch isolierte Si₂O₇-Disilikatgruppen vernetzt sind. Diese Konfiguration bildet große Strukturkanäle parallel zur c-Achse, die Ca²⁺-Kationen und isolierte H₂O-Moleküle aufnehmen. Aufgrund dieser einzigartigen Kristallstruktur enthält Lawsonit etwa 11,5 Gew.-% stöchiometrisches Wasser in seinem Gitter. Es weist eine Mohshärte von 6 bis 6,5, ein spezifisches Gewicht von etwa 3,09 und eine deutliche prismatische Spaltbarkeit auf. Die Zusammensetzungen bleiben bemerkenswert nahe an der Endgliedformel, wobei nur geringfügige Substitutionen von Eisen (Fe³⁺) und Titan (Ti⁴⁺) das Aluminium in den Oktaederplätzen ersetzen.
Das Mineral wurde erstmals 1895 von den amerikanischen Mineralogen Charles Palache und Frederick Leslie Ransome identifiziert und beschrieben. Die Typlokalität für Lawsonit ist die Tiburon-Halbinsel im Marin County, Kalifornien, wo es in glaukophanhaltigen metamorphen Gesteinen des Franciscan-Komplexes entdeckt wurde. Palache und Ransome benannten die neu entdeckte Spezies zu Ehren von Andrew Cowper Lawson, einem bedeutenden schottisch-kanadischen Geologen und Professor an der University of California, Berkeley, der grundlegende Beiträge zur tektonischen und strukturellen Geologie des westlichen Nordamerikas leistete. Die Identifizierung von Lawsonit lieferte frühen metamorphen Petrologen einen kritischen mineralogischen Marker, der sich später bei der Formulierung der Konzepte für Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphosefazies-Serien als wesentlich erweisen sollte.
Lawsonit ist ein diagnostisches Indexmineral, das auf eine Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose (HP-LT) hinweist und als definierende Phase der Blauschieferfazies und der Niedrigtemperatur-Regime der Eklogitfazies dient. Sein thermodynamisches Stabilitätsfeld erstreckt sich über Druckbereiche von etwa 0,5 bis über 3,0 GPa und Temperaturen von 200°C bis 500°C. Lawsonit bildet sich primär durch die prograde Metamorphose und Dehydratisierung von alterierten ozeanischen Basalten, Gabbros und Grauwacken während der Subduktion. Bei niedrigeren Graden ersetzt es vorläuferhafte wasserhaltige Phasen wie Laumontit, Heulandit oder Pumpellyit durch Reaktionen wie den Zerfall von Pumpellyit in Gegenwart von Chlorit und Quarz, um Lawsonit, Glaukophan und Fluid zu erzeugen.
Da Lawsonit sein Strukturwasser bei extremen Drücken halten kann, bei denen andere wasserhaltige Silikate wie Chlorit und Amphibol zerfallen, fungiert es als einer der primären mineralogischen Träger für den Transport von flüchtigem H₂O tief in den oberen Erdmantel. Die letztendliche tiefe Dehydratisierung von Lawsonit an der Grenze von Lawsonit-Eklogit zu Amphibol-Eklogit, die Fluide in den darüber liegenden Mantelkeil freisetzt, wird weithin als ein entscheidender Auslöser für partielles Schmelzen, Inselbogenvulkanismus und seismische Aktivitäten in mitteltiefen Subduktionszonen angesehen.
Kristallographische Struktur, optische Eigenschaften und Klassifizierung
Lawsonit ist ein wasserhaltiges Calcium-Aluminium-Sorosilikat-Mineral, das zur Sorosilikat-Unterklasse der Silikatminerale gehört. Es kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem und tritt üblicherweise in der Raumgruppe Cmcm auf. Seine Kristallstruktur besteht aus Ketten von kantenverknüpften AlO₆-Oktaedern, die sich parallel zur kristallographischen c-Achse erstrecken. Diese Oktaederketten sind durch isolierte Si₂O₇-Disilikatgruppen miteinander verbunden, wodurch ein starres dreidimensionales Gerüst entsteht, das Strukturkanäle enthält, die von Calciumkationen sowie essenziellen Hydroxylgruppen und molekularem Wasser besetzt sind. Das Mineral behält im Allgemeinen eine Zusammensetzung bei, die seiner idealen Formel CaAl₂Si₂O₇(OH)₂·H₂O sehr nahe kommt, mit nur begrenzter chemischer Substitution, die meistens geringe Mengen an Eisen(III) betrifft, das Aluminium in den Oktaederplätzen ersetzt.
In Handstücken ist Lawsonit typischerweise farblos, weiß, hellgrau oder blass bläulich, obwohl Spuren von Verunreinigungen eine blassgrüne, blaugrüne oder rötliche Färbung hervorrufen können. Gut ausgebildete Kristalle sind gewöhnlich tafelig oder pseudotetragonal im Aussehen und können als kurze prismatische Kristalle auftreten, obwohl sich das Mineral in metamorphen Gesteinen häufiger als feinkörnige Aggregate entwickelt. Optisch weist Lawsonit bei farbigen Varietäten im Allgemeinen einen schwachen bis mäßigen Pleochroismus auf. Unter polarisiertem Licht zeichnet er sich durch ein hohes positives Relief und eine mäßige Doppelbrechung aus, was ihn im Dünnschliff relativ leicht erkennbar macht. Zwillingsbildung kann auftreten, ist jedoch nicht immer ein dominantes diagnostisches Merkmal. Diese optischen Eigenschaften, kombiniert mit seinem charakteristischen Vorkommen in Hochdruck-Metamorphoseumgebungen, machen Lawsonit zu einem wichtigen Mineral für die petrographische Identifizierung.
Physikalische und chemische Eigenschaften
Lawsonit besitzt eine Kombination physikalischer Eigenschaften, die trotz seines beträchtlichen Wassergehalts seine kompakte Kristallstruktur widerspiegeln. Er hat eine Mohshärte von etwa 6 bis 6,5, wodurch er Glas ritzen kann und härter ist als viele andere wasserhaltige Silikatminerale. Sein spezifisches Gewicht liegt im Allgemeinen im Bereich von 3,05 bis 3,12, mit einem Durchschnittswert von nahe 3,09. Das Mineral zeigt eine gute bis vollkommene Spaltbarkeit auf den {010}- und {100}-Ebenen, was glatte Spaltflächen erzeugt, die gewöhnlich einen glasartigen bis leicht perlmuttartigen Glanz aufweisen.
Eine der bedeutendsten chemischen Eigenschaften von Lawsonit ist seine hohe Konzentration an strukturell gebundenem Wasser; er enthält etwa 11 Gew.-% H₂O in Form von Hydroxylgruppen und molekularem Wasser. Dieser beträchtliche Wassergehalt spielt eine entscheidende Rolle für seine geologische Bedeutung. Unter normalen Oberflächenbedingungen ist Lawsonit relativ stabil und beständig gegen Verwitterung und verdünnte Säuren. Steigende Temperaturen destabilisieren jedoch schließlich die Kristallstruktur, was zu Dehydratisierungs- und Zerfallsreaktionen führt. Unter den für Subduktionszonen typischen Niedrigtemperatur- und Hochdruckbedingungen wird Lawsonit bemerkenswert stabil und kann bei Drücken von über 2 GPa und Temperaturen nahe 600°C bestehen bleiben, wodurch er Wasser in beträchtliche Tiefen im Erdinneren transportieren kann.
Geologisches Vorkommen und wissenschaftliche Bedeutung
Lawsonit ist eines der wichtigsten Indexminerale für Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose und ist besonders charakteristisch für Gesteine der Blauschieferfazies, die in Subduktionszonen-Umgebungen gebildet wurden. Sein Vorkommen liefert starke Beweise für die frühere Existenz alter konvergenter Plattengrenzen und die Subduktion ozeanischer Lithosphäre. Da sein Stabilitätsfeld gut eingegrenzt ist, wird Lawsonit von metamorphen Petrologen weitläufig verwendet, um Druck-Temperatur-Zeit-Geschichten (P-T-t) zu rekonstruieren und die Versenkungs- und Exhumierungspfade metamorpher Terrane zu bewerten. Es tritt gewöhnlich in Verbindung mit Mineralen wie Glaukophan, Jadeit, Epidot, Granat und Phengit auf.
Über seinen Wert als metamorphes Indexmineral hinaus spielt Lawsonit eine zentrale Rolle bei Studien zum tiefen Wasserkreislauf der Erde. Während der Subduktion werden große Mengen meerwasserbürtiger Fluide in wasserhaltige Minerale innerhalb der abtauchenden ozeanischen Kruste eingebaut. Im Vergleich zu vielen anderen wasserhaltigen Silikaten, die Wasser in relativ geringen Tiefen freisetzen, bleibt Lawsonit über einen weiten Bereich von Hochdruckbedingungen stabil und ist in der Lage, signifikante Wassermengen in den tiefen oberen Erdmantel zu transportieren. Aus diesem Grund gilt er als eines der wichtigsten mineralischen Reservoirs, das die Bewegung von Wasser von der Erdoberfläche in das Erdinnere steuert.
Der Zerfall von Lawsonit in größeren Tiefen hat bedeutende geodynamische Konsequenzen. Sobald die Druck- und Temperaturbedingungen seine Stabilitätsgrenzen überschreiten, zersetzt sich Lawsonit und setzt erhebliche Mengen wässriger Fluide frei, während er sich in Mineralvergesellschaftungen der Eklogitfazies umwandelt. Die Freisetzung dieser Fluide wird weithin als einer der Mechanismen angesehen, die zu seismischer Aktivität in mittleren Tiefen innerhalb subduzierender Platten beitragen können. Darüber hinaus wandern die bei der Lawsonit-Dehydratisierung freigesetzten Fluide nach oben in den darüber liegenden Mantelkeil, wo sie die Schmelztemperatur des Mantelgesteins senken und partielles Schmelzen fördern. Dieser Prozess trägt direkt zur Magmenbildung unter vulkanischen Inselbögen bei und spielt eine grundlegende Rolle bei der Entwicklung vieler Vulkane an konvergenten Plattengrenzen, einschließlich derjenigen rund um den pazifischen Feuerring.