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Zirkon

Der Name Zirkon (ZrSiO4, Z = 4) leitet sich aus dem persischen zar für Gold und gun für gefärbt her und bezieht sich damit auf eine der vielen Farben, die der Zirkon aufweisen kann. Das Mineral ist schon seit der Antike bekannt. Zirkon kommt in sauren Magmatiten von Graniten bis Quarz-Dioriten ebenso wie in den entsprechenden Vulkaniten vor. Als früh kristallisierendes Mineral wird er häufig von später kristallisierenden Mineralen wie Biotit oder Amphibol umwachsen. Seine Mohs´sche Härte von 7,5, sein hohes spezifisches Gewicht( 3,9 - 4,7 g/cm3 ) und seine hohe Verwitterungsbeständigkeit machen Zirkon zu einem häufigen Schwermineral in Sedimenten. Dabei übersteht er häufig sogar mehr als einen Verwitterungszyklus und wird sogar auf Kaolinlagerstätten gefunden. Zirkon gehört mit 4/m 2/m 2/m zur ditetragonalen-dipyramidalen Kristallklasse und zeigt häufig einen prismatischen oder dipyramidalen Habitus. Wie Abb. 1.1 zeigt, sind meist die prismatischen Flächen (100), (110), sowie die pyramidalen Flächen (101) und (211), untergeordnet auch (301), entwickelt .

Häufige Formen des Zirkons

Abb. 1.1.: Drei häufig vorkommende Kristallformen des Zirkons. (Nach H. Strunz, RAMDOHR & STRUNZ 1967)

Die Zirkonstruktur besteht aus sich abwechselnden Ketten von SiO4-Tetraedern und ZrO8 -Dodekaedern parallel zur z-Achse (Abb.1.2. Die Gitterparameter sind a = 6,61 Å und c = 5,99 Å. Die Raumgruppe ist I41/amd, Z = 4. Diese Ketten sind auch verantwortlich für die hohe Doppelbrechung und den optisch positiven Charakter. Die Lichtbrechung beträgt für nE = 1.968 - 2.015 , nO = 1.924 - 1.906 , die Doppelbrechung ist D = 0.044 - 0.055. Im Dünnschliff zeigt der Zirkon lebhafte rote, blaue und grüne Farben der II. und III. Ordnung. Zirkon enthält gewöhnlich auch Hafnium, wobei das Hf/Zr-Verhältnis meist von 0,02 bis 0,04 variiert (DEER et al. 1992). Daneben kann Zirkon auch noch bemerkenswerte Mengen von Uran und Thorium in sein Gitter einbauen. Dadurch wird Zirkon zu einem der Hauptträger der Radioaktivität in granitischen Gesteinen. Diese Radioaktivität kann zu einer Zerstörung des Gitters und damit zur Metamiktisierung des Minerals führen, wobei die Lichtbrechung auf Werte von n = 1,826,die Doppelbrechung sogar auf D = 0,000 und die Dichte abnehmen. Die Metamiktisierung resultiert aus dem a-Zerfall von 238U, 235U und 232Th sowie deren Tochterisotopen, wobei sich in einem Zirkon durch seinen oftmals hohen Gehalt an U und Th 1015 bis 1016 a-Zerfälle pro Milligramm während der Zeitspanne seiner Existenz ereignen können (WOPENKA et al. 1996) Dabei können die hochenergetischen a-Teilchen hunderte von Gitterplätzen im Umkreis von rund 10 µm beschädigen und der Rückstoß des Nukleus kann weitere ungefähr 1000 Gitterstörungen im Umkreis von ca. 20 nm verursachen (WEBER et al. 1994) . Wenn der Zirkon in anderen Mineralen wie Biotit oder Amphibol eingeschlossen ist, kann die radioaktive Strahlung das Gitter des Wirtsminerals schädigen und sogenannte pleochroitische Höfe verursachen, wodurch sich Zirkone oftmals trotz ihrer geringen Kristallgröße leicht auffinden lassen.

Struktur des Zirkon

Abb. 1.2.: Struktur von Zirkon. Ketten von alternierenden, eckenverbundenen SiO4-Tertaedern und ZrO8 Dodekaedern, projiziert auf (001). (Nach ROBINSON et al., 1971).

Morphologie

Die Tatsache daß der Zirkon aufgrund seiner geringen Größe und seiner mechanischen und chemischen Widerstandsfähigkeit eines der gegenüber Druck, Temperatur und chemischer Umwandlung stabilsten Minerale ist, sein Wachstum aber von den jeweiligen physikalischen und chemischen Bedingungen gesteuert wird, macht ihn für petrogenetische Aussagen interessant. Welche Parameter für das Wachstum der prismatischen und pyramidalen Flächen verantwortlich sind, wird noch diskutiert.
So ist es nicht verwunderlich, wenn bereits sehr früh Zirkone die Aufmerksamkeit der Petrographen fanden. So bemerkte v. CHRUSTSCHOFF (1886) (zitiert in TONDAR (1991)): "... habe ich darauf hingewiesen, dass die Zirkone einer Reihe von Felsenarten Eigenthümlichkeiten besässen, die oft als Merkmale für Gesteinsgruppen und wohl auch mitunter für einzelne Vorkommnisse dienen könnten." und bereits ALE (1871) stellt fest: "Dem Mineralogen wird der Stein kenntlich durch die Zahl, welche die Winkel der Kristallform mißt, in welche die gestaltende Kraft der Natur die starren Formen der Erde bannt"
Die in einem Gestein anzutreffenden Zirkone einer Population unterscheiden sich durch Größe, Elongation, Flächenverhältnisse, Innenbau und andere charakteristische Eigenschaften, so daß sich innerhalb einer Population keine zwei vollkommen identischen Zirkone finden. Daher kann auch die Untersuchung einzelner Individuen dieser Populationen keine Rückschlüsse auf die Gesamtpopulation ermöglichen. Die Bandbreite der Charakteristika innerhalb einer Population ist meist zu groß, um einen einzelnen Zirkon einer bestimmten Population zuzuordnen. Es ist daher nötig, eine größere Anzahl von Kristallen in ihren Charakteristiken zu erfassen, um eine Population mit ihrer Variation einzelner Parameter zu beschreiben.


POLDERVAART (1956) und ALPER & POLDERVAART (1957)
gelangten zu der Ansicht, daß sich die Zirkone innerhalb eines Plutons nicht wesentlich unterscheiden.
KÖHLER (1970) hingegen kann im Leuchtenberger Granit drei Generationen von Zirkonen unterscheiden, die sich mit dem Differentiationsgrad des Magmas ändern. Er schließt neben ererbten Zirkonen auf ein zweiphasiges Zirkonwachstum.
LARSEN & POLDERVAART (1957) gingen davon aus, daß Zirkon als Frühkristallisat in seiner Morphologie die physikochemischen Bedingungen zur Zeit seiner Kristallisation widerspiegelt. Speziell genannt wurden Faktoren wie die chemische Zusammensetzung des Magmas, seine Viskosität, die Oberflächenspannung der Kristalle gegenüber der Schmelze und die Unterkühlungsrate der Schmelze.
PUPIN (1980) sieht ebenfalls in der chemischen Zusammensetzung der Magmen die Hauptursache für das unterschiedliche Wachstum der Zirkonflächen. So weist er nach, daß sich in hyperaluminischen und hypoalkalinen Magmen verstärkt die (211) Pyramiden entwickeln, wogegen sich in hyperalkalinen und hypoaluminen Magmen die (101) Flächen der Pyramide zeigen. Also ist das Aluminium-Alkali-Verhältnis des betreffenden Magmas für den Index A seiner Zirkonpopulation im Diagramm nach PUPIN (1980) verantwortlich.
Für das Wachstum der Prismenflächen hingegen wird die Temperatur des jeweiligen Magmas zur Zeit der Kristallisation als ursächlich angesehen. Daher wird Zirkon auch von PUPIN & TURCO (1972) sowie von PUPIN (1980) als Geothermometer vorgeschlagen.
Ferner soll auch der Wassergehalt des Magmas eine Rolle bei dem Wachstum der Zirkonflächen spielen. So wird bei wasserarmen Magmen die Zirkonkristallisation in einer frühen Phase angesiedelt, wogegen in wasserreichen Magmen die Kristallisation zwar früh beginnt, aber über einen längeren Zeitraum anhält. Unter diesen Bedingungen werden in den Zirkonen Spurenelemente wie Uran, Thorium und Yttrium angereichert. VAVRA (1990) fand heraus, das die Prismenflächen (110) äußerst sensibel auf die Übersättigung des Magmas mit Zirkonium reagieren. Dagegen werden die (211) Pyramidenflächen durch den Einbau von Fremdatomen in ihrem Wachstum gestört. VAVRA (1994) unterstreicht noch einmal die Bedeutung einer Zirkoniumübersättigung des Magmas für die Entwicklung der (110)- Flächen.
Für die (110) Prismen nimm er an, daß die Adsorption von H2O zu einer Unterdrückung des Flächenwachstums führt, hält diese Vermutung aber ohne entsprechende Experimente für noch unbestätigt. Wie verschieden Faktoren nach VAVRA (1994) das Wachstum von Zirkonkristallen von einer theoretischen Form ausgehend beeinflussen, ist in Abb. 1.3. schematisch dargestellt.


Theoretische Morphologie und Abweichungen

Abb.:1.3.: Abweichungen von der theoretischen Morphologie von Zirkon durch verschiedene Kristallisationsbedingungen. Nach VAVRA (1994).

Eine scharfe morphologische Diskontinuität im Wachstum von Zirkonkristallen während eines späten Stadiums ihrer Kristallisation zusammen mit dem verstärkten Einbau von Fremdatomen wie U, Th, Y, P und REE wird von VAVRA (1994) auf das Auftreten von Clustern im Magma zurückgeführt.
BENISEK & FINGER (1993) bestreiten, daß die Ausbildung der Prismenflächen von der Temperatur des Magmas gesteuert wird und sehen die (100) und (110) Flächen der Zirkonkristalle hauptsächlich durch chemische Bedingungen beeinflußt. So soll ein relativ zu Zirkonium erhöhter Urangehalt das Wachstum in Richtung (110) zugunsten (100) verhindern. Dadurch werden Kristalle mit einer Vorherrschaft der (110)-Prismenflächen gebildet. Aufgrund seiner Ähnlichkeit zu Uran wird auch Thorium als Faktor des Prismenflächenwachstums genannt. Da ein Zusammenhang der Prismenflächen von akzessorischem Zirkon und der Temperatur der Schmelze nicht gefunden werden konnte, stellen BENISEK & FINGER (1993) die Prismenmorphologie von Zirkonkristallen als Geothermometer in Frage.

Zirkone aus einem Streupräparat

ZirkonZirkonpyrmideZirkonZirkon

Literatur

ALE, O. (1871): Aus der Natur - Essays. Verlag von Paul Frohberg, Leipzig. 371 s.

BENISEK, A., FINGER, F. (1993): Factors controlliung the development of prism faces in granite zircons: a microprobe study. Contrib. Mineral. Petrol. (1993) 114: p. 441-451.

BLACKBURN, W.H., DENNEN, W.H. (1997): Enzyklopedia of Mineral Names. Can. Min. Spec. Publ. 1, p. 352.

DEER, W.A., HOWIE, R.A., ZUSSMAN, J. (1992): An Introduction to the Rock Forming Minerals. Longman, Burnt Mill, Harlow, UK, 2. Auflage, pp. 22- 26.

KÖHLER, H. (1970): Die Änderung der Zirkonmorphologie mit dem Differentiationsgrad eines Granits. N. Jb. Miner. Mh. 9, pp. 405 - 420.

LARSEN, L.H., POLDERVAART, A. (1957): Measurement and distribution of zircons in some granitic rocks of magmatic origin. Min. Mag. Vol 31, pp.232-243.

PUPIN, J.P.(1980): Zircon and Granite petrology. Contrib. Mineral. Petrol. 73 (1980) pp. 207-220.

PUPIN, J.P., TURCO, G. (1972): Une typologie originale du zircon accessoire. Bull. Soc. fr. Minéral. Cristallogr. 95 (1972) pp. 348-359.

RAMDOHR, P., STRUNZ, H. (1967):Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie. Stuttgart, S. 239.

TONDAR, P. (1991): Zirkonmorphologie als Charakteristikum eines Gesteins. Dissertation Ludwig-Maximilian Universität München, 87 p.

VAVRA, G. (1990): On the kinematics of zircon growth and ist petrogenetic significance: a cathodoluminescence study. Contrib. Mineral. Petrol. (1990) 106: p. 90-99.

VAVRA, G. (1994): Systematics of internal zircon morphology in major Variscan granitoid types. Contrib. Mineral. Petrol. (1994) 117: p. 331-344.

WOPENKA, B., JOLLIFF, B.L., ZINNER, E., KREMSER, D.T. (1996): Trace element zoning and incipient metamictization in a lunar zircon: Application of three microprobe techniques. Am. Min. 81 (1996): 902-912.

© 1999 Gunnar Ries No copying and commercial use of the pictures without my permission!
Erschienen in: Aufschluss 52, November/Dezember, p.381-383, Heidelberg 2001

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