Petrologie & Mineralogie

Petrologie und Mineralogie beschäftigen sich hauptsächlich mit dem Studium von Gesteinen und Mineralien. Die meisten dieser Materialien weisen eine große Bandbreite an Mineralarten und sehr feine Strukturen auf. Die genaue Identifikation der individuellen Mineralien ist entscheidend für beide Disziplinen. Die Rasterelektronenmikroskopie und Mikroanalyse liefern Lösungen für diese Aufgabe. Zusätzlich zur chemischen Zusammensetzung individueller Körner liefern sie Informationen über die Morphologie.
In der geologischen Forschung ist die Untersuchung mineralogischer und petrographischer Proben mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) mittlerweile Routine. Ähnlich wie die Lichtmikroskopie, jedoch mit wesentlich höherer Auflösung, enthüllt die Elektronenmikroskopie detaillierte strukturelle Zusammenhänge zwischen Mineralkörnern. Die analytischen Fähigkeiten eines REM haben ein weit größeres Potential, da die Interaktion zwischen dem Elektronenstrahl und Feststoffen verschiedene, sehr nützliche Emissionen erzeugt. Die wichtigsten Emissionen für Petrologie und Mineralogie sind Rückstreuelektronen (RE/BSE), Sekundärelektronen (SE), charakteristische Röntgenstrahlen und Photonen.
  • Die Intensität der Rückstreuelektronen ist direkt proportional zur durchschnittlichen Kernladungszahl (Ordnungszahl) der observierten Phase. RE werden für die bildgebende Unterscheidung individueller Mineralkörner zur Identifikation einzelner Phasenzonen genutzt. Die Kontrastauflösung kann Abweichungen von ungefähr 0,1 Ordnungszahlen unterscheiden. Das RE-Signal ermöglicht es dem Anwender, Zonierungen ausfindig zu machen und optimale Punkte für die Analyse zu finden. Gleichzeitig kann das Signal zur Visualisierung spezifischer Phasen, die schwere Elemente enthalten, genutzt werden. Diese Methode ist üblich bei der Suche nach seltenen, wertvollen Mineralphasen, die Gold und Platin enthalten. Unterschiede in der RE-/BSE-Intensität können ebenfalls dabei helfen, variable Orientierungen individueller Kristalle von Gesteinskörnungen zu identifizieren.
  • Sekundärelektronen werden typischerweise zur Untersuchung der Morphologie dreidimensionaler Proben genutzt. Im Gegensatz zu Rückstreuelektronen werden sie näher an der Probenoberfläche erzeugt, haben eine höhere räumliche Auflösung, eine höhere Tiefenschärfe und sind weniger empfindlich gegenüber Unterschieden in der Kennladungszahl des Materials.
  • Charakteristische Röntgenstrahlen sind das wichtigste Ausgangssignal der Interaktion zwischen Elektronenstrahl und fester Materie. Sie dienen zur Identifikation der Phasen, basierend auf ihrer chemischen Zusammensetzung. Diese Fähigkeit kann für interaktive, qualitative Bewertung genutzt werden, am wichtigsten aber für quantitative Analyse. Dazu werden spezielle Detektoren von Drittherstellern eingesetzt, die mit allen TESCAN Mikroskopen kompatibel sind.
  • Photonen lassen sich ebenfalls als Produkt der Interaktion zwischen Elektronenstrahl und Probe nutzen. Dieses Phänomen ist als Kathodolumineszenz (CL/KL) ) bekannt und bildet unterschiedlich lumineszierende Phasen in und zwischen Mineralien ab. Viele Mineralarten unterscheiden sich in der Farbe ihrer Lichtemission. Der Colour CL-Detektor kann eingesetzt werden, um zwischen verschiedenen gesteinsbildenden Mineralien zu unterscheiden, beispielsweise Feldspat und Carbonat. Mittels Kathodolumineszenz können zudem feine Unterschiede in der Zusammensetzung von Spurenelementen und strukturellen Anordnungen einiger Minerale abgebildet werden. Tescan stellt dem Anwender dafür panchromatische (schwarz-weiß) oder Colour CL-Detektoren zur Verfügung, die als panchromatischer, Vier-Kanal-panchromatischer und Colour CL-Detektor angeboten werden. Außerdem ist eine Kombination aus BSE- und CL-Detektor erhältlich.
Petrologie & Mineralogie
Dendritic crystals of native silver

Applikationssbeispiele (in Englisch)

Cathodoluminescence Analysis of Zircons
Zircons (ZrSiO4) are ubiquitous in the crust of Earth and are a common accessory to trace mineral constituent of most granite and felsic igneous rocks. Zircons have low solubility in most melt and fluid compositions and can survive geological processes such as erosion, transport, or high-grade metamorphism. This makes zircon one of the most important minerals for geochronology. Different types of zircon domains are identified by CL imaging and U-Pb dating is then used to determine ages of different zones within the crystal. This helps to recognize various geological processes recorded during the history of the grain.
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Cathodoluminescence Imaging of Mineralogical Samples
Cathodoluminescence (CL) - light emission produced by electron beam - reveals information about material composition and structure that often cannot be obtained by other methods. In geosciences, optical cathodoluminescence became a standard technique. With the development of scanning electron microscopes, SEM-CL is gaining in popularity. In comparison with optical CL microscopes, where the sample is irradiated with stationary unfocussed electron beam, SEM-based CL imaging achieves much better resolution and it can be combined in situ with other analytical methods.
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Characterization of Platinum Group Minerals
The platinum-group metals (PGM) consists of six elements – platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium and osmium. Chemical inertness, oxidation-resistance, biocompatibility, high melting temperature, good conductivity and electronic and catalytic properties are unique properties that make PGM irreplaceable starting material in many specific applications. The deposits in the Norilsk-Talnakh region of Northern Russia are the largest nickel-copper-palladium deposits in the world and, the intensive mining activity in this region, positions Russia as the world’s second global PGM supplier. In addition to PGM output, a by-product of this mining is nickel and copper extraction. In this application example the effectiveness of the separation process (gravity separation and hydro-separation) by comparison of PGM mineral content, both in concentrate and in tailings, is studied.
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Exoscopy of Quartz Grains in SEM
Exoscopy (surface micromorphology) of quartz grains is one of the geomorphological methods used to determine the predominant type of sediment transport. Sediments can contain several genetically diverse types of quartz grains, for example with glacial, fluvial or aeolian features of transport. Grains of glacial origin usually show sharp edges. There are no signs of roundness or smoothing. Their surface can be either matt or glossy. Fluvial transport makes surface of the grain round. Typical is the presence of V-shaped pits. Grains of aeolian origin are more rounded to oval and usually have a matt surface. The genesis of sediments can be influenced by more than one factor; therefore grains can carry on theirsurface complex structural features. The most frequently, exoscopic research it is performed by means of scanning electron microscopy methods, because they allow users to identify any surface irregularities of clasts.
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