Ædelstene,Mineraler & Mineralogi

Zirkon – egenskaber, oprindelse og anvendelse

Udgivet den af Martin Egeskov Pedersen
Rødbrun tetragonal zirkonkrystal med diamantglans i lys granitisk pegmatit
06
okt

Forestil dig et sandkorn, der er ældre end alle bjergarter på Jorden. Det lyder som science fiction, men det findes. I Jack Hills i det vestlige Australien har geologer fundet små krystaller af zirkon, der blev dannet for omkring 4,4 milliarder år siden. Planeten var da kun godt 150 millioner år gammel.

Zirkon er derfor meget mere end en smykkesten med flot glans. Mineralet er geologiens mest pålidelige ur, et vindue til Jordens barndom og samtidig en vigtig industriråvare. I denne artikel ser vi på, hvad zirkon er, hvordan det dannes, hvordan man kender det fra efterligninger, og hvorfor forskere verden over elsker de små krystaller.

Hvad er zirkon?

Zirkon er et silikatmineral med den kemiske formel ZrSiO4, altså zirkoniumsilikat. Det hører til gruppen af nesosilikater, hvor hver SiO4-tetraeder står alene og bindes sammen af metalioner. Du kan læse mere om, hvordan mineraler grupperes, i vores artikel om mineralklasser.

Krystallerne er tetragonale. De vokser typisk som korte, firkantede prismer med en spids pyramide i hver ende, lidt som en blyant, der er spidset i begge sider. Navnet stammer sandsynligvis fra det persiske zargun, der betyder guldfarvet. Det passer godt, for de mest almindelige naturlige farver er netop gyldne, brune og rødbrune.

Zirkon er ikke det samme som cubic zirconia

Her opstår den største misforståelse. Cubic zirconia (ofte forkortet CZ) er en syntetisk krystal af zirkoniumdioxid, ZrO2, som fremstilles i laboratorier og bruges som billig diamantimitation. Zirkon er et naturligt mineral med en helt anden kemi og krystalstruktur. De to deler kun grundstoffet zirkonium. Det er lidt som at forveksle kridt med marmor, fordi begge indeholder calcium.

Fysiske og optiske egenskaber

Zirkon har en række egenskaber, der gør den let at genkende for en gemmolog med de rigtige redskaber.

Egenskab Værdi
Kemisk formel ZrSiO4
Krystalsystem Tetragonalt
Hårdhed (Mohs) Ca. 7,5 (lavere i strålingsskadet zirkon, ned mod 6)
Massefylde Ca. 4,6–4,7 g/cm³ (lavere i strålingsskadet zirkon)
Brydningsindeks Ca. 1,92–1,98
Dobbeltbrydning Op til ca. 0,059
Dispersion Ca. 0,039 (diamant: 0,044)
Glans Diamantglans til glasglans

Den høje massefylde mærker man med det samme. En zirkon vejer markant mere end en kvarts af samme størrelse. Det er også grunden til, at zirkon ophobes sammen med andre tunge mineraler i flodsand og strandsand.

Ildspil og dobbeltbrydning

Dispersion er stenens evne til at splitte hvidt lys op i spektralfarver. Det er det, smykkebranchen kalder ild. Zirkon har en dispersion, der ligger tæt på diamantens, og derfor blev farveløs zirkon i mange år brugt som diamanterstatning. Den srilankanske betegnelse “Matara-diamant” for farveløs zirkon stammer fra den tid. Vil du vide mere om diamantens egne egenskaber, så læs vores guide til diamanten.

Der er dog en enkel måde at skelne de to fra hinanden. Zirkon er stærkt dobbeltbrydende, mens diamant er enkeltbrydende. Ser du ned gennem en slebet zirkon med en lup, vil kanterne på bagsidens facetter ofte se dobbelte ud. Fænomenet er det samme, som man kan se i klar calcit, bare i mindre målestok. Vi har beskrevet det nærmere i artiklen om calcit og dobbeltbrydning.

Hård, men skrøbelig

Med en hårdhed på omkring 7,5 ligger zirkon over kvarts på Mohs’ hårdhedsskala. Den modstår derfor ridser fra almindeligt støv. Til gengæld er stenen sprød. Facetkanterne kan slides og få små afslag, når stenen ligger sammen med andre smykker i en skuffe. Juvelerer kalder det “papirslid”, fordi slebne zirkoner traditionelt blev opbevaret i papirsbreve, hvor de gned mod hinanden.

Sådan dannes zirkon

Zirkon krystalliserer først og fremmest i magma. Når en granitisk smelte afkøles, er zirkon et af de første mineraler, der dannes. Krystallerne er typisk mikroskopiske, ofte kun en tiendedel millimeter lange, og de sidder spredt mellem kvarts, feldspat og glimmer. Næsten alle granitter indeholder zirkon. Læs mere om netop den bjergart i vores artikel om granit.

Større krystaller af smykkekvalitet dannes især i pegmatitter, syenitter og visse metamorfe bjergarter. Zirkon kan også vokse under metamorfose, når eksisterende bjergarter udsættes for høj temperatur og tryk. Mange zirkonkorn har derfor en kerne fra én begivenhed og en eller flere ydre skaller fra senere begivenheder, lidt som årringe i et træ.

Et mineral, der næsten ikke kan ødelægges

Zirkon er ekstremt modstandsdygtig over for både kemisk forvitring og mekanisk slid. Når en granit nedbrydes til grus og sand, overlever zirkonkornene. De bliver transporteret med floder til havet, aflejret som sandsten, begravet, foldet ind i bjergkæder og måske eroderet igen. Et enkelt zirkonkorn kan gennemgå flere sådanne kredsløb og stadig bevare sin indre kemi.

Det er netop derfor, de ældste zirkoner fra Jack Hills findes i en sandsten. Selve moderbjergarten, som krystallerne oprindeligt blev dannet i, er for længst forsvundet. Kun de hårdføre zirkonkorn er tilbage som vidner. Har du lyst til at dykke mere ned i mineralers dannelse generelt, kan du læse sådan dannes mineraler.

Geologiens præcisionsur: uran-bly-datering

Her bliver zirkon for alvor interessant for geologer. Når zirkon krystalliserer, optager den gerne små mængder uran i sit krystalgitter, fordi uranionen kan tage zirkoniumionens plads. Bly passer derimod dårligt ind og holdes stort set ude. En nydannet zirkon indeholder altså uran, men næsten intet bly.

Uran er radioaktivt og henfalder langsomt til bly. Det sker via to uafhængige kæder: uran-238 bliver til bly-206 med en halveringstid på ca. 4,47 milliarder år, og uran-235 bliver til bly-207 med en halveringstid på ca. 704 millioner år. Ved at måle forholdet mellem uran og bly i krystallen kan man beregne, hvor lang tid der er gået, siden den blev dannet.

Tænk på det som et timeglas, hvor sandet i den øverste halvdel er uran, og sandet i den nederste er bly. Zirkon starter med et tomt bund-kammer. Det smarte er, at zirkon rummer to timeglas, der løber med forskellig hastighed. Giver de to samme alder, ved geologen, at uret ikke har været forstyrret. Giver de forskellige svar, afslører det, at krystallen har mistet bly ved en senere opvarmning. Den indbyggede kontrol gør U-Pb-datering af zirkon til en af de mest præcise dateringsmetoder, vi kender. Moderne laboratorier kan datere enkelte vækstzoner i et korn, der er tyndere end et menneskehår.

Jack Hills og den kølige unge Jord

I 2001 offentliggjorde en forskergruppe i tidsskriftet Nature en zirkon fra Jack Hills med en alder på ca. 4,404 milliarder år. I 2014 bekræftede en anden gruppe alderen med atomprobe-tomografi, hvor man kortlægger krystallens atomer enkeltvis. Resultatet viste, at blyet sad, hvor det skulle, og at alderen var troværdig.

Alderen er kun halvdelen af historien. Iltisotoperne i de ældste zirkoner tyder på, at de blev dannet af materiale, der havde været i kontakt med flydende vand ved Jordens overflade. Det peger på, at der kan have været en fast skorpe og måske oceaner allerede få hundrede millioner år efter planetens dannelse. Det strider mod det gamle billede af en glødende helvedesplanet i hele Jordens første halve milliard år. Geologer kalder idéen “den kølige unge Jord”.

Tættere på Danmark findes nogle af verdens ældste kendte bjergarter i Grønland, omkring Nuuk og Isua, hvor zirkoner har været afgørende for at fastslå alderen på omkring 3,8 milliarder år. Læs om en af stenene derfra i artiklen om grønlandit.

Strålingsskader: når krystallen ødelægger sig selv

Uranindholdet har en bagside. Hver gang et uranatom henfalder, udsendes en alfapartikel, og atomkernen får et rekyl, der skubber naboatomer ud af deres pladser. Over hundreder af millioner år kan krystalgitteret blive så skadet, at det næsten bliver amorft, ligesom glas. Den tilstand kaldes metamikt.

Metamikte zirkoner har lavere brydningsindeks, lavere massefylde og lavere hårdhed end krystallinske zirkoner. Gemmologer har traditionelt inddelt zirkon i “høj”, “mellem” og “lav” type efter graden af strålingsskade. Lav-type zirkoner er ofte grønlige og uklare. De fleste smykkezirkoner er høj-type, og strålingen i slebne sten er så svag, at den ikke er et praktisk problem for den, der bærer dem.

Farver og varmebehandling

Ren zirkon er farveløs. Farverne skyldes sporstoffer og strålingsskader. Naturligt finder man zirkon i brun, gul, orange, rød, grøn og mere sjældent blå. Den rødorange variant blev tidligere kaldt hyacint eller jacint.

Den klare himmelblå zirkon, som de fleste forbinder med stenen i dag, er næsten altid varmebehandlet. Brune zirkoner, især fra Ratanakiri-provinsen i Cambodja, opvarmes til omkring 900–1000 °C. Afhængigt af om opvarmningen sker med eller uden ilt, bliver stenen blå eller farveløs. Behandlingen har været almindelig i omkring hundrede år og er stabil, men enkelte sten kan få deres farve tilbage efter langvarig eksponering for stærkt sollys. En seriøs forhandler bør altid oplyse om behandlingen.

Blå zirkon er en af de officielle fødselssten for december på den amerikanske liste. Se hele oversigten i vores guide til fødselssten efter måned.

Hvor findes zirkon?

Zirkon er udbredt over hele kloden, men de fleste korn er små. Kommercielt udvindes zirkon næsten udelukkende fra såkaldte tungmineralsand, hvor naturen allerede har sorteret de tunge mineraler fra de lette. Australien og Sydafrika er blandt de største producenter. De amerikanske geologiske undersøgelser (USGS) offentliggør årlige tal for produktionen.

Zirkon i smykkekvalitet kommer især fra Cambodja, Sri Lanka, Myanmar, Thailand, Tanzania og Australien. I Sri Lanka findes zirkon i de samme ædelstensgrus som safir og spinel.

Zirkon i Danmark

Du kan godt finde zirkon i Danmark, men du skal have mikroskop med. På de jyske vestkyststrande ser man ofte mørke striber i sandet. De består af tunge mineraler som magnetit, ilmenit og granat, som bølgerne har koncentreret, og zirkon optræder typisk som en mindre del af denne tungmineralfraktion. Kornene er bittesmå og ses bedst under forstørrelse. Bornholms grundfjeld af granit og gnejs indeholder også zirkon som mikroskopiske korn. Læs mere om danske fund i mineraler i Danmark.

Anvendelse: fra keramik til atomreaktorer

Kun en lille del af verdens zirkon ender i smykker. Langt det meste går til industrien.

Den største anvendelse er i keramik. Finmalet zirkon gør glasurer hvide og uigennemsigtige og bruges i fliser, sanitet og porcelæn. Næste store anvendelse er som støbesand og ildfast materiale i støberier, fordi zirkon tåler meget høje temperaturer uden at reagere med smeltet metal.

Zirkon er desuden den vigtigste kilde til grundstoffet zirkonium. Zirkoniumlegeringer bruges som kapsling om brændselsstave i atomreaktorer, fordi metallet næsten ikke opfanger neutroner og samtidig modstår korrosion. Zirkon indeholder også et par procent af grundstoffet hafnium, der kemisk ligner zirkonium til forveksling. Hafnium skal separeres fra, fordi det modsat zirkonium opfanger neutroner effektivt, og netop den egenskab udnyttes til kontrolstave. To næsten identiske grundstoffer fra samme mineral ender altså med modsatte roller i den samme reaktor.

Zirkon som smykkesten

Som smykkesten er zirkon undervurderet. Den har glans og ild, der kan måle sig med langt dyrere sten, og prisen er moderat. Blå og farveløse sten er mest populære, men gyldne og rødbrune naturfarvede zirkoner har også mange fans blandt samlere.

Stenen egner sig godt til øreringe og vedhæng, hvor den ikke udsættes for slag. I ringe til daglig brug bør den sidde i en beskyttende fatning. Opbevar zirkon separat, så facetkanterne ikke slides mod andre sten. Undgå ultralydsrens og damprens, og vask i stedet med lunkent vand, mild sæbe og en blød børste. Vores guide til smykker med natursten giver flere råd om holdbarhed, og artiklen om de 4 C’er forklarer, hvordan kvalitet vurderes.

Sådan genkender du ægte zirkon

Kig efter dobbelte facetkanter gennem bordet med en 10x lup. Det er det hurtigste tegn. Mærk vægten, da zirkon føles tung i hånden. Kig også efter slid på facetkanterne på ældre sten. Er du i tvivl, kan en gemmolog bekræfte stenen med refraktometer og måling af massefylde. Cubic zirconia er enkeltbrydende og viser ingen dobbelte kanter.

Fun facts om zirkon

  • De ældste kendte stykker af Jorden er zirkonkorn på størrelse med et sandkorn fra Jack Hills, Australien.
  • Zirkon er fundet i månesten fra Apollo-missionerne og i meteoritter, hvor de bruges til at datere begivenheder i solsystemets historie.
  • Indholdet af titan i zirkon kan bruges som termometer, der fortæller, hvor varm magmaen var, da krystallen voksede.
  • Et enkelt zirkonkorn kan have overlevet flere bjergkædedannelser og stadig bære sin oprindelige fødselsattest i kernen.

Opsummering

Zirkon er et mineral med to liv. I smykkeskrinet er den en strålende sten med næsten diamantlignende ild og en dobbeltbrydning, der afslører dens identitet. I laboratoriet er den et ur, der har givet os Jordens ældste dato og indikationer på, at der var vand på planeten for over 4,3 milliarder år siden. Næste gang du går en tur på en vestjysk strand og ser de mørke striber i sandet, kan du tænke på, at nogle af kornene måske er ældre end selve Danmark.

Kilder og videre læsning