Zircon

Le zircon est un minéral du groupe des silicates, sous-groupe des nésosilicates. De composition ZrSiO4, c'est un silicate de zirconium naturel. Ses cristaux font partie des pierres fines de la joaillerie.

Pour les articles homonymes, voir Hyacinte.

Cet article possède un paronyme, voir Zircone.

Zircon
Catégorie IX : silicates[1]

cristal de zircon
Général
Nom IUPAC orthosilicate de zirconium
Numéro CAS 10101-52-7 silicate de zirconium[2]
14940-68-2 zirconite[3],[4]
Classe de Strunz
9.AD.30
Classe de Dana
51.5.2.1
Formule chimique O4SiZr ZrSiO4
Identification
Masse formulaire[5] 183,307 ± 0,004 uma
O 34,91 %, Si 15,32 %, Zr 49,77 %,
Couleur vert, marron, jaunâtre ;
peut être rendu transparent, doré
ou bleu par traitement thermique
Classe cristalline et groupe d'espace ditétragonal-pyramidal
Système cristallin tétragonal
Clivage imparfait selon {0001}
Cassure conchoïdale
Habitus souvent prismatiques
très différencié
Faciès isométrique
Jumelage selon {131}
Échelle de Mohs 6,5-7,5
Trait gris clair, blanc
Éclat adamantin, chatoyant ou saccharoïde
Propriétés optiques
Indice de réfraction no=(1,848-1,911) - 1,926
ne=(1,855-1,943) - 1,985
Pléochroïsme non
Biréfringence δ=(0,007-0,032) - 0,059 ; biaxe positif
Dispersion 2 vz ~ 10°
Transparence translucide à opaque
Propriétés chimiques
Densité 3,9-4,8
Température de fusion selon la concentration en impuretés Hf, Th, U, Ti, H, etc., décomposition vers 2 550 °C
Fusibilité infusible
Solubilité insoluble
Comportement chimique faiblement soluble dans
l'acide fluorhydrique chauffé
Propriétés physiques
Coefficient de couplage électromécanique k=0 %
Magnétisme aucun
Radioactivité radioactivité naturelle
Précautions
Directive 67/548/EEC
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le mot zircon proviendrait, soit de l'arabe zarqun (« cinabre »), soit du persan zargun (« doré »)[6],[7]. On retrouve cette étymologie dans l'anglais jargoon, qui désigne des zircons de couleur claire. Les zircons jaunes à grenat sont appelés hyacinthes (du grec signifiant « jacinthe »). Les spécimens transparents sont utilisés en joaillerie pour des utilisations similaires à celles du diamant.

Le terme de zircon est parfois utilisé à tort pour désigner la zircone, l'oxyde de zirconium de composition ZrO2. La zircone à l'état naturel (minéral baddeleyite (en)) est extraite industriellement pour servir de substitut peu onéreux au diamant.

Système cristallin et formation
Image MEB - CL d'un grain détritique de Zircon.

Le zircon cristallise dans le système cristallin tétragonal (classe cristalline 4/m 2/m 2/m) et présente une dureté relative de 6,5 à 7,5 sur l'échelle de Mohs. Parfois incolores, les zircons ont une couleur naturelle qui varie de doré à rouge et brun, mais ils peuvent aussi être verts, bleus ou noirs. La poussière de zircon est blanche. Le zircon peut être chatoyant, c'est-à-dire montrer un effet « œil de chat » sur les pierres taillées en cabochon. Les spécimens, qui par leur taille et leur pureté sont considérés comme des pierres précieuses, sont appréciés comme substitut des diamants, avec lesquels on les confond souvent.

Des cristaux de zircon, sous forme de grains inclus dans des roches plus récentes, sont les plus anciens témoins minéraux terrestres connus. Les plus vieux remontent à 4,3 ou 4,4 Ga, soit 150 Ma après la formation de la planète. Le minéral zircon se forme pendant la genèse de roches plutoniques communes, principaux constituants « granitoïdes » de l'écorce terrestre, en particulier les granites et les roches alcalines telles la pegmatite ou la syénite. Il apparaît avec les produits précoces de la cristallisation primaire des roches magmatiques. Ces minéraux sont le quartz, les feldspaths plagioclases et potassiques, la hornblende, la biotite, la chlorite, la muscovite, le rutile, l'apatite, la pyrite et la monazite.

C’est un minéral rare dans les basaltes mais relativement fréquent dans les granites, les gneiss, les syénites et les pegmatites, souvent en inclusions dans la biotite contenue dans ces roches.

Dans les roches métamorphiques, le zircon se présente sous forme recristallisée ou épitactique. On trouve dans les sédiments des zircons détritiques, c'est-à-dire des grains transportés et charriés par l'érosion. Les zircons ont en général une taille moyenne comprise entre 100 et 300 µm, par ex. dans les roches granitiques. Toutefois ils atteignent occasionnellement la taille de plusieurs centimètres, surtout dans les pegmatites, ou après transport, dans des alluvions (placers).

L'analyse de la forme et de l'édifice cristallin des zircons renseigne sur leurs conditions de formation et leur croissance future.

Chimie

Le zircon contient fréquemment des impuretés et divers corps ou minéraux sous forme d'inclusions. La forme oxyde théorique du zircon est composée de 67,1 % ZrO2 et de 32,9 % de SiO2. D'après Rösler (1991) elle peut, dans certains cas extrêmes, contenir jusqu'à 30 % d'oxyde d'hafnium (HfO2), 12 % d'oxyde de thorium (ThO2) ou 1,5 % d'oxyde d'uranium (UO2). La densité monte corrélativement à 4,3–4,8 g·cm-3.

Les zircons des granites contiennent presque toujours U et Th en remplacement isomorphique de Zr et la détermination des rapports Th/U ou Pb/U sert à déterminer l’âge des granites, ce groupe est donc très important en géologie.

La thorite et l’uranothorite sont facilement hydratées sans que cela détruise la structure, on a :

  • la thorogummite : (Th, U) (Si, H4)O4 ;
  • la coffinite : U(Si, H4)O4.

Structure

De formule générale XSiO4 où X4+ peut être Zr4+ de diamètre 0,79 Å ou Th4+ de diamètre 1,02 Åou encore U4+ de diamètre 0,97 Å.

Quadratique, une maille contient quatre molécules.

L'édifice cristallin de nombreux zircons est localement détruit par l'action de rayons de haute énergie (état dit « métamicte ») : ces cristaux exhibent généralement une couleur brun sombre. À l'état métamicte, de l'eau peut être absorbée par la matrice, avec pour conséquence un effondrement caractéristique de la densité et de la dureté de la roche.

Datation isotopique
Un zircon dans une matrice de biotite : Des particules alpha émises par désintégration radioactive bombardent et détruisent la matrice de biotite ; il se forme ce qu'on appelle un halo pléochroïque.

Méthodes

Les zircons sont (avec les apatites) les minéraux les plus utilisés en thermochronologie, et géochronologie.

La datation isotopique d'un minéral repose sur la mesure de la quantité d'un élément fils, produit de la désintégration d'un élément père, présent lors de la cristallisation du minéral. Or ces éléments fils se diffusent dans l'environnement quand le grain étudié est à une température élevée. Ce qui est ainsi daté par géochronologie est le temps que le minéral a passé depuis qu'il a franchi sa température de fermeture c'est-à-dire, depuis qu'il est suffisamment « froid » pour que les éléments fils ne puissent diffuser hors du grain.

Dans le cas du zircon, la substitution dans la maille cristalline d'atomes de zirconium (Zr) par des atomes d'uranium (U) de dimensions similaires est fréquente, ce qui n'est pas le cas avec la plupart des autres éléments. Le zircon est donc un minéral de choix pour la datation par les méthodes radiochronologiques basées sur l'uranium. Trois différentes méthodes sont utilisées dans le cas du zircon, chacune reposant sur des températures de fermeture différentes[8] :

  • la datation par l'uranium-plomb ou U-Pb renseigne sur la date de cristallisation du minéral (température de fermeture de 760 à 900 °C) ;
  • la datation par les traces de fission indique le franchissement de la température de fermeture 200 à 260 °C, au-delà de cette température, les traces sont effacées ;
  • la datation par l'uranium-thorium ou U-Th/He, indique le franchissement de la limite de diffusion de l'Hélium soit une température de fermeture de 130 à 180 °C.

Applications

Le zircon est particulièrement résistant à l'altération[9] et au métamorphisme. Il est donc facilement recyclé, c'est-à-dire érodé de sa roche mère, déposé dans un bassin sédimentaire et potentiellement ré-érodé sans être détruit pendant l'opération. La teneur en zircon d'une roche sédimentaire peut ainsi être un proxy de son taux de recyclage lors d'analyses de minéraux lourds en provenance et Source to Sink.

Sa résistance en fait le seul minéral susceptible de survivre sur de très longues échelles de temps (plusieurs milliards d'années) et ainsi un minéral très utile dans la datation de la Terre. Les plus anciens zircons terrestres ont été trouvés dans la formation des Gneiss de Narryer dans le Craton de Yilgarn en Australie occidentale, avec un âge estimé à 4,4 milliards d'années. Cet âge est interprété comme celui de la formation de ces zircons qui ont été séparés de leur matrice de cristallisation par érosion puis incorporés dans un sédiment qui fut métamorphisé en un Gneiss. Ils sont les fragments de roches les plus âgés de la Terre trouvées en 2014[10].

Utilisation
Carte des principaux pays producteurs de zircons dans le monde.

Le zircon est le principal minerai de zirconium et de hafnium, tous deux utilisés dans les réacteurs nucléaires mais pour des raisons opposées : le premier est transparent aux neutrons, le deuxième les absorbe.

On rencontre les zircons le plus souvent dans les alluvions métallifères, où l'on trouve occasionnellement les gemmes libres de toute gangue. Les alluvions les plus riches en zircons se trouvent en Inde, aux États-Unis, en Australie, à Ceylan ou en Afrique du Sud.

Par leur indice optique élevé (indice optique de 1,95, comparé au diamant : 2,4, à la zircone : 2,2 et au quartz : 1,5) les spécimens les plus gros sont taillés en cabochon. Par traitement thermique, la couleur de zircons bruns ou troubles peut être modifiée, et passer selon le degré de chauffage à translucide, bleue ou dorée.

Le verre de zircon est employé comme sarcophage de déchets radioactifs (par ex. du plutonium) pour le stockage de déchets, sarcophage qui, selon les recherches actuelles, contient la radioactivité au moins 2 000 ans.

Notes et références
  1. La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
  2. (en) « Zircon », sur ChemIDplus
  3. (en) « Zircon », sur ChemIDplus
  4. ces 2 n° CAS renvoient à Hyacinth; Zirconite; Zircon sur PubChem
  5. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  6. Hyacenthus, TLFi.
  7. Jargon, CNRTL (consulter l'onglet JARGON2 !).
  8. (en) James K.W. Lee, « Pb, U and Th diffusion in natural zircon », nature,‎ (lire en ligne).
  9. Dictionnaire de géologie, Foucault et Raoult, 6e édition, Dunod, 2005.
  10. AFP, « Le plus ancien matériau terrestre a 4,4 milliards d'années », Le Monde,‎ (lire en ligne).

Voir aussi

Bibliographie
  • (en) Hanchar & Hoskin, Zircon, Rev. Mineral. Geochem., 53, 2003, Mineralogical Society of America, 500 p..
  • (en) D. J. Cherniak et E. B. Watson, Pb diffusion in zircon, Chemical Geology 172, p. 5-24, 2000.
  • (en) A. N. Halliday, In the beginning..., Nature 409, p. 144-145, 1999.
  • (en) K. Mezger und E. J. Krogstad, Interpretation of discordant U-Pb zircon ages: An evaluation, Journal of metamorphic Geology, 15, p. 127-140, 1997.
  • (en) J. P. Pupin, Zircon and Granite petrology, Contrib. Mineral. Petrol., 73, p. 207-220, 1980.
  • (de) H.J. Rösler, Lehrbuch der Mineralogie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 5e éd., (ISBN 3-342-00288-3), 1991.
  • (en) G. Vavra, On the kinematics of zircon growth and its petrogenetic significance: a cathodoluminescence study, Contrib. Mineral. Petrol., 106, p. 90-99, 1990.
  • (en) G. Vavra, Systematics of internal zircon morphology in major Variscan granitoid types, Contrib. Mineral. Petrol., 117, p. 331-344, 1994.
  • Barbarin B., « Le zircon dans les roches magmatiques - mieux qu'un chronomètre », Géochronique, BRGM SGF « Les granites, constituants majeurs de la croute continentale », no 120,‎ , p. 11-13 (ISSN 0292-8477)

Liens externes
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