Zirkon

Zirkon ist ein Mineral aus der Mineralklasse der Silikate und der Gruppe der Inselsilikate. Die chemische Formel ist ZrSiO₄. Zirkon kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem (Kristallklasse: 4/m 2/m 2/m) und hat eine vergleichsweise hohe Mohshärte von 6,5 bis 7,5. Die natürliche Farbe von Zirkon variiert von farblos, goldgelb, rot bis braun, kann aber auch grün, blau oder schwarz sein. Strichfarbe ist weiß. Exemplare, die aufgrund ihrer Größe und Reinheit Edelsteinqualität zeigen, sind ein beliebter Ersatz für Diamanten, mit denen sie zuweilen verwechselt werden. Nicht zu verwechseln mit Zirkon ist Zirkonia (Formel: ZrO₂, Zirconiumdioxid), das ein synthetischer Ersatz für Diamant ist.

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Etymologie und Geschichte

Der Name stammt entweder vom arabischen zarqun, Zinnober, oder vom persischen zargun, goldfarben. Verändert finden sich diese Worte in Jargon wieder, damit bezeichnet man helle Zirkone. Gelber bis brauner Zirkon wird als Hyazinth (Jacinth) bezeichnet.

Bildung und Fundorte

Zirkon ist mit einer Entstehung vor bis zu 4,4 Milliarden Jahren das älteste bekannte Mineral der Erde (siehe Altersbestimmung) und eines der am häufigsten vorkommenden Minerale in der Erdkruste. Es entsteht als frühes Kristallisationsprodukt primär in magmatischen Gesteinen wie Granit und alkalireichen Gesteinen wie Pegmatiten oder Syenit.

In metamorphen Gesteinen wird Zirkon in Form von neu- oder umkristallisierten Körnern gebildet. In Sedimentgesteinen findet man detritische Zirkone, das sind durch Erosion transportierte und abgelagerte Körner. Die durchschnittliche Größe von Zirkonen liegt zwischen 100-300 µm, z. B. in granitoiden Gesteinen. Gelegentlich erreichen sie aber auch Größen von mehreren Zentimetern, vor allem in Pegmatiten oder Schwermineralseifen.

Durch Analyse von Form und Kristallflächenausbildung von Zirkonen können Rückschlüsse auf die Bildungsbedingungen und die weitere Entwicklung des Zirkons gezogen werden.

Chemie

Zirkon enthält häufig Verunreinigungen und Einschlüsse verschiedener Elemente und Minerale. Die theoretische Oxidzusammensetzung von Zirkon ist 67,1 % ZrO₂ und 32,9 % SiO₂. Nach Rösler (1991) kann er in Extremfällen bis zu 30 % Hafniumoxid (HfO₂), 12 % Thoriumoxid (ThO₂) oder 1,5 % Uranoxid (U₃O₈) enthalten. Dementsprechend schwankt die Dichte zwischen 4,3-4,8 g/cm³.

Struktur

In manchen Zirkonen ist der Gitterbau durch die Wirkung hochenergetischer radiogener Teilchen (Uran, Thorium) teilweise zerstört – metamiktisiert – solche Kristalle zeigen meist dunklere, braune Farben. Durch die Metamiktisierung kann Wasser ins Kristallgitter eingelagert werden. Die Folge ist eine merkliche Verringerung von Dichte und Härte (siehe Tabelle).

Verwendung

in der Geologie

Seit der Entwicklung der radiometrischen Altersbestimmung kommt Zirkonen besonders in der Geochronologie Bedeutung zu: sie enthalten Spuren der radioaktiven Isotope ²³⁵U, ²³⁸U und ²³²Th (von 10 ppm bis zu 5 Gewichtsprozent). Alle diese Isotope zerfallen über Zerfallsreihen zu verschiedenen Bleiisotopen. Durch Messen der entsprechenden Uran-Blei- bzw. Thorium-Blei-Verhältnisse kann das Kristallisationsalter eines Zirkons und damit oft dasjenige des ihn enthaltenen Gesteins bestimmt werden.

Zirkone sind gegenüber geologischen Einflüssen wie Verwitterung und selbst hochgradiger Gesteinsmetamorphose äußerst resistent und können solche Ereignisse in ihrer Isotopenzusammensetzung "speichern".

Die bisher ältesten Minerale, die auf der Erde gefunden wurden, sind Zirkone aus dem Narryer Gneiss Terrane, Yilgarn Craton, Westaustralien, mit einem Alter von 4,404 Milliarden Jahren. Dieses Alter wird als das Kristallisationsalter dieser Zirkone interpretiert.

als Rohstoff

Zirkon ist das wichtigste Zirconium- und Hafniumerz. Zirconiumoxid (ZrO₂ ) hat einen Schmelzpunkt von etwa 3000 °C und wird zur Herstellung von Schmelztiegeln und abrasionsfesten Werkstoffen verwendet, z. B. Zahnimplantataufbauten und Zahnkronen/brückengerüsten. Zirconium selbst findet u. a. in Kernreaktoren Verwendung. Wichtigste Lagerstätten sind Schwermineralseifen, in denen Zirkon gelegentlich in einzelnen Lagen gesteinsbildend auftritt. Zirkonreiche Seifenlagerstätten werden in Indien, den USA, Australien, Sri Lanka oder Südafrika abgebaut.

Wegen ihrer hohen Lichtbrechung (Brechzahl von 1,95, im Vergleich dazu Diamant: 2,4, Zirkonia: 2,2 und Quarz: 1,5) sind größere Exemplare geschätzte Schmucksteine. Durch Hitzebehandlung kann die Farbe von braunen oder trüben Zirkonen verändert werden, je nach Hitzezufuhr entstehen so farblose, blaue oder goldgelbe Kristalle.

Zirkonglas dient der Ummantelung von radioaktiven Abfällen (z. B. Plutonium) zur Endlagerung, wobei die Behälter nach aktuellen Forschungen etwa 2000 Jahre der Strahlung standhalten.

Wissenschaftler um Ian Farnan von der britischen University of Cambridge haben allerdings im Experiment herausgefunden, dass die erwartete Haltbarkeit des Zirkons gegen Plutonium 239 eher 210 Jahre beträgt.

Siehe auch

• Systematik der Minerale
• Liste der Minerale
• Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)

Literatur

• Hanchar & Hoskin (2003): Zircon. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 53, 500 Seiten, http://www.minsocam.org/MSA/RIM/Rim53.html. - Umfassendste und aktuelle Arbeit über Zirkon, herausgegeben von der Mineralogical Society of America.
• D. J. Cherniak und E. B. Watson (2000): Pb diffusion in zircon. Chemical Geology 172, Seiten 5-24.
• A. N. Halliday (1999): In the beginning... . Nature 409, Seiten 144-145.
• Hermann Köhler (1970): Die Änderung der Zirkonmorphologie mit dem Differentiationsgrad eines Granits. Neues Jahrbuch Mineralogische Monatshefte 9, Seiten 405 - 420.
• K. Mezger und E. J. Krogstad (1997): Interpretation of discordant U-Pb zircon ages: An evaluation. Journal of metamorphic Geology 15, Seiten 127-140.
• J. P. Pupin (1980): Zircon and Granite petrology. Contributions to Mineralogie and Petrololgy 73, Seiten 207-220.
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• H.J. Rösler (1991): Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 5. Auflage, ISBN 3-342-00288-3
• Christoph Töpfner (1996): Brasiliano-Granitoide in den Bundesstaaten Sao Paulo und Minas Gerais, Brasilien - eine vergleichende Studie. Zirkontypologie, U-(Th)-Pb- und Rb-Sr-Altersbestimmungen. Münchner Geologische Hefte 17, Reihe A Allgemeine Geologie, Dissertation an der LMU München.
• P. Tondar (1991): Zirkonmorphologie als Charakteristikum eines Gesteins. Dissertation an der Ludwig-Maximilians-Universität München, 87 Seiten
• W. E. Tröger, U. Bambauer, F. Taborsky und H. D. Trochim (1981): Optische Bestimmung gesteinsbildender Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Stuttgart (Schweizerbarth).
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• S. A. Wilde et. al. (2001): Titel. Nature 409, Seiten 175-178.