Zirkon

Zirkon
roter Zirkon (Größe: 1,0 cm) aus Gilgit, Pakistan
Chemische Formel	Zr[SiO4]
Mineralklasse	Silikate und Germanate – Inselsilikate (Nesosilikate) 9.AD.30 (8. Auflage: VIII/A.09) nach Strunz 51.05.02.01 nach Dana
Kristallsystem	tetragonal
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin	ditetragonal-dipyramidal; 4/m 2/m 2/m
Raumgruppe	I41/amd (Nr. 141)Vorlage:Raumgruppe/141
Farbe	farblos, weiß, grau, gelblich, rosa, rot, braun, auch grün, blau, schwarz
Strichfarbe	weiß
Mohshärte	7,5
Dichte (g/cm3)	gemessen: 4,6 bis 4,7; berechnet: 4,714
Glanz	Diamant- oder Fettglanz; Fettglanz, wenn metamikt
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Spaltbarkeit	undeutlich nach {110} und {111}
Bruch	muschlig; spröde
Habitus	{{{Kristallhabitus}}}
Häufige Kristallflächen	Kombination von [100] und/oder [110] (Prisma) mit [101] (Pyramidenspitzen), auch flächenreichere Kristalle
Zwillingsbildung	nach {131}
Kristalloptik
Doppelbrechung (optischer Charakter)	0,055; einachsig positiv
Optischer Achsenwinkel	2V = 10°
Pleochroismus	sehr schwach bis deutlich
Weitere Eigenschaften
Chemisches Verhalten	in heißer, konzentrierter Fluorwasserstoffsäure schwach löslich
Radioaktivität	eine der Hauptquellen der natürlichen Radioaktivität
Besondere Kennzeichen	in Biotit pleochroitische Höfe

Zirkon ist ein Mineral aus der Mineralklasse der „Silikate und Germanate“. Er kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung Zr[SiO₄] und ist damit chemisch gesehen ein Zirconium-Silikat, das strukturell zu den Inselsilikaten zählt.

Zirkon entwickelt meist tafelige bis prismatische Kristalle mit quadratischem Querschnitt und oktaedrischen Kristallenden. In reiner Form ist Zirkon farblos und durchsichtig. Durch vielfache Lichtbrechung aufgrund von Gitterbaufehlern oder polykristalliner Ausbildung kann er aber auch weiß erscheinen und durch Fremdbeimengungen eine graue, gelbliche, rosa bis rötlichbraune, grüne oder blaue Farbe annehmen, wobei die Transparenz entsprechend abnimmt. Seine Strichfarbe ist dagegen immer weiß.

Exemplare, die aufgrund ihrer Größe und Reinheit Edelsteinqualität zeigen, sind aufgrund ihres diamantähnlichen Glanzes ein beliebter Ersatz für Diamanten, mit denen sie zuweilen verwechselt werden.

Zirkon ist nicht zu verwechseln mit dem synthetisch hergestellten Zirkonia (Formel: ZrO₂, Zirconiumdioxid), der ebenfalls als Schmuckstein und Diamantimitation dient.

Etymologie und Geschichte

Der Name stammt entweder vom arabischen zarqun (ئشقنعى), Zinnober, oder vom persischen zargun (زرگون), goldfarben. Verändert finden sich diese Worte in Jargon wieder, damit bezeichnet man helle Zirkone.

Erstmals wissenschaftlich beschrieben wurde Zirkon 1783 durch Abraham Gottlob Werner. Der Name wurde 1789 erstmals von Martin Heinrich Klaproth für die von ihm entdeckte „Zirkonerde“ verwendet und auf den Edelstein übertragen.

Klassifikation

In der alten (8. Auflage) und neuen Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) gehört der Zirkon zur Abteilung der „Inselsilikate (Nesosilikate)“.

Die überarbeitete 9. Auflage der Strunz'schen Mineralsystematik unterteilt diese Abteilung allerdings präziser nach An- oder Abwesenheit weiterer Anionen und der Koordination der beteiligten Kationen. Der Zirkon steht somit entsprechend in der Unterabteilung der „Inselsilikate ohne weitere Anionen mit Kationen in oktahedraler [6] und gewöhnlich größerer Koordination“, wo er zusammen mit Coffinit, Hafnon, Thorit und Thorogummit die unbenannte Gruppe 9.AD.30 bildet.

Die im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Zirkon ähnlich wie die neue Strunz'sche Mineralsystematik in die Abteilung der „Inselsilikate: SiO₄-Gruppen nur mit Kationen in >[6]-Koordination“, wo das Mineral ebenfalls zusammen mit Coffinit, Hafnon, Thorit und Thorogummit eine eigenständige Gruppe bildet, die Zirkongruppe.

Chemismus

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 bis 4,8 g/cm³. Insbesondere die Verunreinigungen durch Hafnium spielen zur Herstellung von reinem Zirkonium aus Zirkon zur Verwendung in der Reaktortechnologie eine Rolle, weil eine Trennung wegen der ähnlichen Eigenschaften beider Elemente aufwendig ist.

Kristallstruktur

Zonierter Zirkon – Rasterelektronenmikroskop-Bild (BSE)

Zirkon kristallisiert tetragonal in der Raumgruppe I4₁/amd (Raumgruppen-Nr. 141) mit den Gitterparametern a = 6,61 Å und c = 5,98 Å sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.

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 Brechungsindex, Dichte und Härte (siehe Tabelle). Eine Doppelbrechung ist überhaupt nicht mehr vorhanden. Insofern unterscheidet man Zirkone von ihren Stadien her in

• Hochzirkone (normale, kristalline Zirkone),
• Tiefzirkone (metamikte Zirkone),
• intermediäre Zirkone, die bezüglich ihren Eigenschaften zwischen den beiden ersten Gruppen liegen.

Durch Erhitzen auf über 1000 °C können die Tiefzirkone wieder in Hochzirkone rekristallisiert werden.

Eigenschaften

Bei Normaldruck ist Zirkon bis zu einer Temperatur von 1690 °C stabil. Darüber zersetzt er sich Zirconiumdioxid (ZrO₂) und Siliciumdioxid ( SiO₂) in der Modifikation β-Cristobalit (Hochcristobalit).

Zirconiumsilicat hat einen Schmelzpunkt von 2420 °C.

Modifikationen und Varietäten

• Als Hyazinth (Jacinth) bezeichnet man gelbrote bis braune Zirkonvarietäten.
• Malakon ist die Bezeichnung für einen undurchsichtigen, isotropisierten Zirkon

Bildung und Fundorte

Dunkelroter, dipyramidaler Zirkon aus Store Kufjord (Finnmark), Norwegen

Zirkon ist mit einer Entstehung vor bis zu 4,4 Milliarden Jahren das älteste bekannte Mineral der Erde und des Mondes (siehe Altersbestimmung) und eines der am häufigsten vorkommenden Mineralien 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 und 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.

Weltweit konnte Zirkon bisher (Stand: 2010) an rund 3080 Fundorten nachgewiesen werden, bspw. in der Vulkaneifel am Laacher See.

Auch in einigen Mineralproben vom Meeresboden des Mittelatlantischen Rückens und des Südwestindischen Rückens sowie aus Tiefenbohrungen der Kontinentalplatte vor der Küste von New Jersey wurde Zirkon gefunden. Ebenso in einigen Gesteinsproben des Mondes.

Verwendung

in der Geologie

Zirkon in Biotit – durch radioaktiven Zerfall entstehende Alpha-Teilchen zerstören das Kristallgitter des Biotits – es entstehen sog. pleochroitische Höfe

Seit der Entwicklung der radiometrischen Altersbestimmung kommt Zirkonen besonders in der Geochronologie Bedeutung zu: sie enthalten Spuren der radioaktiven Nuklide 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 bestimmt werden.

Verhältnisse stabiler Isotope geben Auskunft über die Umgebung, in der die Kristalle entstanden sind. Zirkone bewahren diese Information, da sie gegenüber geologischen Einflüssen wie Verwitterung und selbst hochgradiger Gesteinsmetamorphose äußerst resistent sind. So deuten Zirkone aus dem Narryer-Gneis-Terran, Yilgarn-Kraton, Westaustralien, mit einem Alter von 4,404 Milliarden Jahren – die ältesten Minerale, die bisher auf der Erde gefunden wurden – auf eine überraschend frühe Existenz kontinentaler Kruste und auf einen flüssigen Ozean hin. Als ältester datierter Mineralkristall Europas gilt ein 3,69 Milliarden Jahre alter Zirkon, der im Norden Norwegens gefunden wurde.

Zirkone in einer Probe Mondgestein (Brekzie 72215) wurden auf 4,417 Milliarden Jahre datiert und zeigen damit einen sich länger hinziehenden Erstarrungsprozess der Mondkruste nach Entstehung des Mondes an.

als Rohstoff

Zirkon ist das wichtigste Zirconium- und Hafniumerz. Es wird für feuerfeste Steine (zusammen mit Tonerde bzw. Korund), als Formsand in Gießereien, in der Glasindustrie und als Schleifmittel verwendet. Das aus Zirkon hergestellte Zirconiumdioxid (ZrO₂) hat einen Schmelzpunkt von etwa 2800 °C und wird zur Herstellung von Schmelztiegeln und abrasionsfesten Werkstoffen verwendet wie beispielsweise Zahnimplantataufbauten und Zahnkronen/brückengerüsten. Zirconium selbst findet unter anderem 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.

Blauer Zirkon, 3.36 ct, Kambodscha, hitzebehandelt

Wegen seiner hohen Dispersion von 0,038 (im Vergleich dazu: Diamant: 0,044, Zirkonia: 0,066 und Quarz: 0,013) 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. Für Laien ist eine Verwechslung des farblosen Zirkons mit Diamant leicht möglich. So wurden im 19. Jahrhundert die in Sri Lanka vorkommenden farblosen Zirkone für minderwertige Diamanten gehalten. Ebenso ist für Laien eine Verwechslung des blauen Zirkons mit Spinell möglich.

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.

„Zirkon“ in der Medizin

In der populärwissenschaftlichen Literatur wird Zirkon mitunter fälschlich als moderner Hochleistungswerkstoff in der Wiederherstellungsmedizin, vor allem der Zahnmedizin genannt. Dabei ist jedoch regelmäßig nicht das über seine chemische Formel ZrSiO₄ definierte Silikat Zirkon gemeint, sondern Zirkoniumdioxid ZrO₂ mit geringen Beimengungen von Yttriumoxid zur Erzielung herausragender Materialeigenschaften. Das Silikat Zirkon hingegen wird in der Wiederherstellungsmedizin nicht eingesetzt.

Siehe auch

• Liste der Minerale
• Liste mineralischer Schmuck- und Edelsteine
• Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
• Zirkonsilikate

Literatur

• G. Bayer, H.G. Wiedemann: Zirkon - vom Edelstein zum mineralischen Rohstoff, Chemie in unserer Zeit, 15. Jahrg. 1981, Nr. 3, S. 88-97, ISSN 0009-2851
• Hanchar & Hoskin (2003): Zircon. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 53, 500 Seiten – 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.
• Gunnar Ries (2001): Zirkon als akzessorisches Mineral. Aufschluss 52, Seiten 381-383.
• 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).
• G. Vavra (1990): On the kinematics of zircon growth and its petrogenetic significance: a cathodoluminescence study. Contrib. Mineral. Petrol. 106, Seiten 90-99.
• G. Vavra (1994): Systematics of internal zircon morphology in major Variscan granitoid types. Contrib. Mineral. Petrol. 117, Seiten 331-344.
• S. A. Wilde et al. (2001): Titel. Nature 409, Seiten 175-178.

Weblinks

Wiktionary: Zirkon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Zirkon (Zircon) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Mineralienatlas:Zirkon (Wiki)
• Zirkon von Gunnar Ries
• Zirkonzahn-Lexikon: Zirkon