Quantitative Mineralbestimmung in Sedimentgesteinen: Anwendung IR-spektroskopischer Methoden

Mit Hilfe der qualitativen und insbesondere der quantitativen Mineralanalyse von Sedimentgesteinen können lagerstättenbildende Prozesse besser rekonstruiert und damit wichtige Kenntnisse für die weitere Exploration von Rohstoffen zur Verfügung gestellt werden. Aus der genauen Kenntnis der Mineralbestandteile lassen sich zusätzlich Aussagen zu paläoklimatischen Bedingungen sowie zum Ablagerungsmilieu der untersuchten Sedimente ableiten. Durch die quantitative Erfassung von Tonmineralvergesellschaftungen ist es ferner möglich, die abdichtende Wirkung von natürlichen und künstlichen hydraulischen Barrieren im Untergrund von Deponien zu beurteilen. Zur Klärung der o.g. Fragen werden häufig Methoden wie z.B. Röntgendiffraktometrie eingesetzt, die jedoch nur halbquantitative Ergebnisse liefern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue, standardisierte Analysemethode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Mineralphasen in Sedimentgesteinen entwickelt, die auf der rechnergestützten Infrarotspektroskopie basiert. Diese Methode liefert gegenüber den klassischen Analyseverfahren wesentlich schneller bessere und insbesondere reproduzierbare Ergebnisse. Während aufwendiger Voruntersuchungen wurde eine optimale Mahldauer zur Erlangung der für die IR-Analyse erforderlichen Korngröße herausgearbeitet. Bei dem aufgestellten Analyseverfahren nimmt der gesamte Analysengang (Probenpräparation und Auswertung) etwa nur 25 Minuten je Probe in Anspruch. Durch den Einsatz der EDV wurden die IR-Spektren in digitalisierter Form aufgenommen. Dies ermöglichte es, im Gegensatz zur herkömmlichen Infrarot-Analytik, das gesamte IR-Spektrum mittels mathematisch-statistischer Verfahren für qualitative und quantitative Eigenschaftsbestimmungen zu nutzen bzw. auszuwerten. Dadurch ist es möglich, andere Merkmale von Sedimentproben (z.B. Oxidgehalte) zu ermitteln, die mit konventionellen IR-Techniken nicht bestimmt werden konnten. Mittels EDV ist es möglich, unterschiedliche Spektrenoperationen durchzuführen. Dies ist besonders erforderlich für die Identifizierung von Mineralphasen, die in Form von Spuren in den Gesamtproben enthalten sind. Zwecks qualitativer Analysen wurde eine Bibliothek mit 52 Referenzspektren von reinen Mineralphasen (20) sowie von deren Mischungen (32) erstellt, mit deren Hilfe die unbekannten Minerale einer Sedimentprobe leicht innerhalb weniger Sekunden auch durch unerfahrene Anwender identifiziert werden können. Damit steht eine automatische Spektren-interpretation von verschiedenen Mineralphasen zur Verfügung. Für quantitative Analysen wurde ein Standardsatz von über 800 synthetischen Mischproben, deren Zusammensetzung den natürlichen Vorkommen vieler Sedimentgesteine entsprechend ausgewählt wurde, hergestellt und IR-spektroskopisch aufgenommen. Aus diesem Standardsatz wurden dann verschiedene Methoden entwickelt, mit denen sowohl einzelne als auch mehrere Mineraiphasen gleichzeitig qualitativ und quantitativ (Kaolinit, Halloysit, Smektit, Illit, Chlorit, Quarz, Dolomit, Calcit, Siderit und Feldspat) sowie die Hauptelemente (SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, K2O und LOI=Glühverlust) von Gesamtproben und von fraktionierten Tonproben (<2 μ) ermittelt werden konnten. Um diese Größen (Eigenschaften) von Sedimentgesteinen zu bestimmen, sind üblicherweise mehrere Analysemethoden erforderlich. Die Genauigkeit der entwickelten IR-Methoden wurde anhand von synthetisch hergestellten Mischproben und durch natürliche Proben, deren Eigenschaften (Mineralphasen-, Hauptelemente- und LOI-Gehalte) durch andere Analysemethoden (RD, RFA+RD, SCHEIBLER) ermittelt wurden, getestet. Es wurden sehr gut übereinstimmende Ergebnisse erzielt. Die Genauigkeit der durch die IR-Analyse ermittelten Oxidgehalte reicht für geologisch-sedimentpetrologische Fragestellungen aus, somit kann die Röntgenfluoreszenzanalyse und die gesondert durchzuführende Glühverlustbestimmung ersetzt und damit diese Analysengänge eingespart werden.

The application of qualitative and especially quantitative mineral analysis of sedimentary rocks is very important for the reconstruction of processes leading to the formation of economic mineral deposits. This knowledge can be effectively used for the successful exploration of ore deposits. The accurate detection of mineral constituents facilitates the prediction of the paleoclimatic conditions and the environment of deposition in which these sediments were accumulated. Furthermore, through the quantitative assessment of clay mineral associations it is possible to evaluate the sealing effects of natural and manmade hydraulic barriers in the subsurface of dumping sites and other areas of interest. Traditional methods for mineral identification, such as X-ray diffraction, are not effective in the complete evaluation of clay minerals in sediments. Their results are only semiquantitative. In this study, a new standardised method for qualitative and quantitative mineral analysis in sedimentary rocks was developed. This method is based on computerised infrared spectroscopy. The most important advantages of this new method are: it is substantially cheaper and faster than the normally used X-ray diffraction, and it gives reproducible results. It is found that time and techniques of grinding are of prime importance to achieve optimal results. In total, some 25 minutes per sample are necessary for analysis and interpretation. All IR-spectra were digitized and qualitative and quantitative analysis was performed by means of chemometrical techniques. By using the statistical approach, additional information such as elemental analysis (e.g. concentrations of calcium oxide etc.) can be obtained. Conventional infrared techniques do not allow such analyses. Digitized spectra can also be manipulated to identify traces of minerals which might be present in sediments. 52 spectra of pure minerals and mixtures were used to build a spectral library which enables qualitative identification of minerals present in any unknown sample within a few seconds. Data handling and retrieval is simple and even inexperienced users can easily get automatic interpretation of an IR-spectrum. More than 800 synthetic mixtures were prepared as pellets according to their possible occurrences in natural sediments. Based on these mixtures various methods were developed for single or multimineral analysis of kaolinite, halloysite, smectite, illite, chlorite, quartz, dolomite, calcite, siderite and feldspar. In addition, concentrations of SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, K2O and LOI contents in whole rock samples and clay fractions (<2 μ) can be determined which otherwise would have to be analysed by other techniques. Accuracy of computerised infrared methods was tested by synthetic mixtures and natural sediments where mineral and elemental contents measured by conventional methods such as X-ray diffraction and X-ray fluorescence were known. Correlations between results of IR and conventional techniques are excellent. The accuracy level of chemical compositions as determined by computerized IR analysis is more than sufficient for geological purposes. Thus, additional analyses are not necessary.