Analytische Methoden in Petrologie und Geologie. XRF - X-ray fluorescence spectroscopy RFA - Röntgenfluoreszenzanalyse

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1 Analytische Methoden in Petrologie und Geologie XRF - X-ray fluorescence spectroscopy RFA - Röntgenfluoreszenzanalyse Jonas Maria Amrein Oktober 2009

2 Methode: Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine relative Methode aus der Materialanalytik um die elementare Zusammensetzung einer Probe zu bestimmen. Durch internationale Standards können die gemessenen Brutto-Intensitäten in Netto- Intensitäten umgerechnet werden um quantitative Resultate zu erhalten. Es können alle Elemente ab Fluor (Ordnungszahl 9) bestimmt werden. Für die Messung wird ca. 1.5 g Pulver benötigt welches das Gesamtgestein repräsentieren sollte. Bei der Analyse wird die Probe durch Primär-Röntgenstrahlung angeregt. Die Strahlung dringt dabei in das Probenmaterial ein und wird absorbiert. Dabei werden kernnahe Elektronen aus den inneren Schalen herausgeschlagen. Diese leeren Plätze werden durch Elektronen aus höheren Energieniveaus aufgefüllt. Die dabei entstehende Fluoreszenzstrahlung ist elementspezifisch und kann vom Detektor ausgewertet werden. Interaktionsprinzip mit Materie Probleme: Ein Hauptproblem ist die Überlappung der Energien unterschiedlicher Elemente, was die Analyse schwieriger macht. Da es sich um eine relative Methode handelt ist die Standardisierung ein muss, um quantitative Ergebnisse zu erhalten. Die Standardisierung mit internationalem Gesteinspulver und normierter Elemente ist ein Arbeitsaufwand, welcher periodisch erfolgen muss. Es müssen auch Maschinendrifts wie z.b. Materialermüdung und Materialverschleiss sowie externe Faktoren beachtet werden. Probenaufbereitung: Die Probenaufbereitung erfolgt in mehreren Schritten: - Pulverherstellung (in unserem Fall Gesteinspulver) Für die Gesteinspulverherstellung ist es wichtig eine repräsentative Menge der zu bestimmenden Einheit zu wählen. Das Gestein wird dabei zuerst einmal mechanisch zerstört und dann in einer Schleudermühle zu feinem Pulver verarbeitet. Hier ist darauf zu achten, dass das Pulver nicht mit anderen Materialien in Kontakt kommt. Sorgfältiges Arbeiten und auf einen sauberen Arbeitsplatz sollte in allen Schritten geachtet werden. (Kennzeichnen des Probenpulvers nicht vergessen) - Trocknungsvorgang Um den Wassergehalt des Pulvers auf ein Minimum zu reduzieren wird das Pulver in einem Ofen über mehrere Stunden bei 110 C getrocknet.

3 - Glühen Nach dem Trocknen wird eine geringere Menge des Pulvers (~ 3 g) genau abgewogen und anschliessend bei 1050 C während 2 Stunden geglüht. Dieser Vorgang soll flüchtige Bestandteile aus der Probe entfernen. So entweichen Carbonate als CO 2 aus der Probe. Auch wird das Eisen vollständig zu Fe +III oxidiert. Nach dem Glühen wird das Pulver nochmals gemessen um die Gewichtsveränderung zu bestimmen. Die Verflüchtigten Bestandteile werden als LOI (Lost of ignition) bezeichnet und bei der Analyseberechnung miteinbezogen. (LOI ist etwas irritierend, da das Gewicht der Probe während dem Glühen auch zunehmen kann. Dies ist z.b. der Fall, wenn keine oder wenig Carbonate vorhanden sind, jedoch viel Hämatit. Beim Glühen wird zusätzlicher Sauerstoff aus der Luft gebunden um das Eisen zu oxidieren, resultierend in einer Gewichtszunahme) - LTB Nun werden vom geglühten Pulver exakt 1.52 g in einen Glasbehälter gegeben und genau im Verhältnis 1:5 mit Lithiumtetraborat (Li 2 B 4 O 7 ) gemischt (± g). LTB verringert den Schmelzpunkt und verkleinert die Matrixeffekte. - Homogenisierung Als Homogenisierungsprozess wird das gute Vermischen des Gesteinspulvers mit dem LTB verstanden. Dazu wird das Gemisch in einem Mörser gegeben und bis zur Homogenisierung gemischt. Der Vorgang dient auch dazu allfällige Aggregate welche durch die diversen Vorgänge entstanden sein können zu zerreiben. - Schmelzen / Giessen Nun wird das homogenisierte Pulver in einen Platin-Gold Tiegel gegeben und in einem speziellen Verfahren verflüssigt und als Glas (amorph) in Form einer Tablette vergossen. Diese Tablette kann nun in einen dafür vorgesehenen Halter des XRF-Geräts eingebracht werden. (Bei Gesteinen über 5 % Schwefel darf das Glühen nicht im Platin-Gold Tiegel erfolgen, da dieses miteinander chemisch reagiert)

4 Resultate Folgende Resultate sind eine zusammenfassende Tabelle der Messergebnisse für die Haupt -und Spurenelemente. Die Werte sind LOI-korrigiert. Recalculated Analyses Sample SE-3 Gruppe1 SE-2 Gruppe1 SE-1 Gruppe1 Measuring Date Major elements SiO2 wt.% TiO2 wt.% Al2O3 wt.% Fe2O3 wt.% FeO wt.% MnO wt.% MgO wt.% CaO wt.% Na2O wt.% K2O wt.% P2O5 wt.% Cr2O3 wt.% NiO wt.% H2O wt.% CO2 wt.% LOI wt.% Total Trace elements Rb ppm Ba ppm Sr ppm Nb ppm Zr ppm Hf ppm Y ppm Ga ppm Zn ppm Cu ppm Ni ppm Co ppm Cr ppm V ppm Sc ppm La ppm Ce ppm Nd ppm Pb ppm Th ppm U ppm Messergebnisse XRF für drei Messungen des gleichen Gesteinspulfers

5 CIPW - Berechnung Minerals Weight Norm (Kurt Hollocher) Volume Norm (Kurt Hollocher) Quartz 0 0 Zircon 0 0 K2SiO3 0 0 Weight Norm (Geologie Info) Anorthite Na2SiO3 0 0 Acmite 0 0 Diopside 0 0 Sphene 0 0 Hypersthene Albite Orthoclase Wollastonite 0 0 Olivine Perovskite 0 0 Nepheline 0 0 Leucite 0 0 Larnite 0 0 Kalsilite 0 0 Apatite Halite 0 0 Fluorite 0 0 Anhydrite 0 0 Thenardite 0 0 Pyrite 0 0 Magnesiochromite 0 0 Chromite Ilmenite Calcite 0 0 Na2CO3 0 0 Corundum Rutile Magnetite Hematite Die CIPW - Berechnung erfolgte mit einem Program von Kurt Hollocher, Geology Department, Union College, Schenectady, NY, 12308, hollochk@union.edu. Eine zweite Berechnung wurde mit der Online Software von Geologie Info ipw-normberechnung.html getätigt. Die Berechnung der Mineralien in Gewichtsprozent variiert bei den Mineralien kleiner als 10 wt% maximal um wt% bei Chromit, wobei dieser bei der CIPW- Berechnung von Geologie Info gar nicht angegeben wurde. Die grösste Differenz in beiden berechneten Varianten beläuft sich auf wt% bei Albit. Bei den Mineralien mit grösseren Gewichtprozentanteilen als 10 wt% ist die grösste Differenz bei Hypersthene zu beobachten und beläuft sich auf wt%. Entscheidend für die Gesteinsbestimmung sind der hohe Olivingehalt von ~ 65 wt%, und der Gehalt an Hypersthen (Orthopyroxen aus der Mischreihe von Enstatit und Ferrosilit) von ~ 15 wt%. Durch das Glühen wurde das Eisen zu Fe +III oxidiert. Aus diesem Grund ist der hohe Gehalt an Hematit mit Vorsicht zu geniessen. Einen mit einer Oxidationszahl von 2 wäre z.b. in Magnetit erforderlich. Total Rock density 3.44 CIPW-Berechnung mit zwei Programmen

6 Gesteinsklassifikation mit Streckeisen Das Gestein wurde mit dem Streckeisendiagram für die ultramafischen Gesteine bestimmt. Die mafischen Mineralien im analysierten Gestein sind Olivin und Pyroxen (Opx Hypersthene). Der Gehalt an Plagioklase mit ~ 3 vol% liegt unter dem minimum von 10 vol% für die mafischen Plutonite. Es handelt sich somit um einen ultramafischen Plutonit. Die Normalisierung auf 100 vol% erfolgt wie folgt: Volume Volume Norm Hypersthene (Opx) Olivin vol% Faktor Normalisierung der Streckeisenmineralien Streckeisendiagram für Ultramafite Mit einem Gehalt von 81 vol% von Olivin handelt es sich bereits um einen Peridotit. Da wir kein Clinopyroxen messen konnten fällt das Gestein auf die Linie Orthopyroxen - Olivin. Es handelt sich somit um einen Harzburgit.