Bildgebende Verfahren (Mikroanalytische 2D-Methoden)

Der Übergangsbereich vom Makroskopischen zum Mikroskopischen steht besonders im Fokus, da hier Zusammenhänge sichtbar gemacht werden können, die im Makroskopischen nicht erkannt und im Mikroskopischen zu isoliert hervortreten. Durch moderne ortsauflösende spektroskopische Verfahren lässt sich diese Lücke schließen, da über verschiedene Skalenebenen hinweg dieselben Methoden angewandt und dadurch Informationen in die angrenzenden Skalenebenen eingespeist werden können.

Die BGR verfügt im Bereich der mineralischen Rohstoffe über verschiedenste Möglichkeiten der Gewinnung spektraler ortsaufgelöster Informationen, die sich gegenseitig ergänzen und miteinander verknüpft das Informationsspektrum signifikant erweitern und so neue Interpretationsmöglichkeiten eröffnen.

Für die Erfassung optischer hyperspektraler Information steht ein Hyperspektralscanner von SPECIM zur Verfügung, der anhand dreier Linienkameras die Spektralbereiche von sichtbar/nahes Infrarot über kurzwelliges bis hin zu langwelligem Infrarot übersichtsmäßig für ganze Kernkisten (65 cm X 120 cm) bis hin zu Details mit 25µm Ortsauflösung erfassen kann, um mineralogische und mineralchemische Information zu gewinnen. Die identischen Spektrometer werden im Gelände für Boden als auch Luft gestützte Messungen von der Fernerkundung eingesetzt.

Ergänzend steht ein von der BGR gemeinsam mit der Lasertechnik Berlin (LTB) entwickelter LIBS-Scanner sowie ein LIBS-Mikroskop zur Verfügung, die an ganzen Kernmetern in 200 µm bzw. an Schliffen in 60 µm Schritten mittels Laser induzierter Plasmaspektroskopie die Verteilung nahezu aller Elemente des Periodensystems aufzeigen können. Besonders hervorzuheben sind dabei leichte Elemente wie Li, Na, jedoch auch schwere, wie Seltenerdelemente, die mittels anderer Methoden nur schlecht oder gar nicht erfasst werden können.

Höhere Detailtreue wird durch Energie dispersive Röntgenfluoreszenzanalyse am µ-EDXRF Mikroskop M4 Tornado, dem Arbeitspferd des Bereichs, relativ großflächig als Übersichtsinformationen von Handstücken und Bohrkernen erzielt (bis zu 20 cm x 16 cm, bei Bedarf bis zu 5 µm Ortsauflösung). Diese Daten lassen sich als Elementverteilungsmuster visualisieren und hyperspektral verknüpft als Mineralphasenverteilung darstellen, um eine gezielte Auswahl diagnostischer Bereiche für weiterführende Analytik zu treffen. Datenakquisition sowie Datenauswertung sind mittels der von BGR und ExelisVis entwickelten Auswertesoftware Petrographic Analyst (PA) teils automatisiert.

Höchste ortstreue Information bis < 1 µm Ortsauflösung sowohl in 2D als auch in 3D wird durch das Ramanmikroskop Invia Qontor von Renishaw erzielt. Die Verknüpfung mineralogischer, kristallographischer teils mineralchemischer und mikrotektonischer Information wird durch die erstmalige simultane Fokussierung und Messung des Ramansignals auch an rauen Proben großflächig ermöglicht. Ergänzend hierzu ist das IR-Mikroskop aus dem Bereich der Mineralogie zu erwähnen, welches ggf. die Identifikation Raman inaktiver Phasen erlaubt.

Durch den Einsatz der Rasterelektronenmikroskopie kombiniert mit der Auswertesoftware „Mineral Liberation Analyzer“ (REM-MLA) auf der Basis von BSE (Back scatted electrons) und EDX-Signalen lassen sich Korngrenzen noch deutlicher darstellen und zur Überprüfung anderer Methoden geringerer Ortsauflösung nutzen.

Auf mikroskopischer Ebene steht für polierte Dünnschliffe noch die Kathodolumineszenz als bildgebendes Verfahren zur Verfügung.

Moderne 2D-Scanmethoden wie µ-EDXRF, LIBS, SEM-MLA, Raman, Kathodolumineszenz und Hyperspektral liefern hoch ortsaufgelöst chemisch /mineralogische Übersichts- und Detaildaten, relevant für viele geologische Fragestellungen in Bezug zur Lagerstättenerkundung. Anhand dieser Information kann eine optimierte Beprobung aussagekräftiger Bereiche für die wesentlich aufwendigeren und hochpräzisen mikronalytischen Methoden wie die Mikrosonde, die LA-ICP-MS oder die Verfahren zur Isotopengeochemie erfolgen. So lassen sich Fragen zur Mineralogie, Mineralchemie, Ultraspurenelementchemie, Isotopenverteilung klären, die Aussagen zu Metall-Potential, Genese, Herkunft und Alter erlauben.

Die Einsatzmöglichkeiten für die verschiedenen Scanverfahren sind äußerst vielfältig und nicht nur für lagerstättenkundliche sondern nahezu für alle geowissenschaftliche Fragestellungen nutzbar. Sie reichen von der Erkundung von Lagerstätten und mineralischen Reststoffen mit Fokus auf die Genese und Verteilung von Wert-/Schadstoffen, von Mineral- bis Gesteinsansprache, von der Untersuchung laminierter/gewarvter Sedimente, Hochwasser- oder Tsunamilagen, Identifikation von vulkanischen Zwischenlagen, Schwerminerallagen für stratigrafische oder Klima relevante Fragestellungen, Charakterisierung von Gesteinen wie Granit, Salz, Ton, zur Visualisierung von Stoffwanderungen im Zuge der Metasomatose bis zu Verwitterung- oder Bodenstrukturen. Die Untersuchungen können je nach Methode an Bohrkernen, Gesteinsplatten, Handstücken, Lackabzügen und Streupräparaten sowie an polierten Dünn- und Anschliffen durchgeführt werden.