Methoden: Weite Felder und neue Wege

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist ein modernes Standard- verfahren der analytischen Chemie und wird seit einigen Jahren auch als Handgerät im Feldeinsatz genutzt.

Bei uns kommen zwei Geräte der Firma Thermo Scientific zum Einsatz: das Niton XL3t für den robusten Feldeinsatz und das Niton XL5 plus für höhere analytische Anforderungen. Seit 2008 werden regelmäßig Schwefelgehalte zur Ausweisung von Veredlungskohlen in Braunkohlenflözen kartiert.

Ein Vorteil der RFA ist die gleichzeitige Messung einer ganzen Suite von Elementen, die von Aluminium bis Blei reicht und Konzentrationen von wenigen ppm bis in den Zehnerprozent-Bereich abdeckt. Je nach Matrix der zu messenden Proben, stehen unterschiedliche Kalibriermodi zur Verfügung, die eine Vielzahl von Anwendungsgebieten ermöglichen.

In der angewandten Feldanalytik stellt diese Methode, dank der nahezu unbegrenzten Anzahl an Messpunkten und der damit verbundenen hohen Repräsentanz, eine sinnvolle Ergänzung zur nasschemischen Analyse dar. Zudem können die Geräte auch im Labor eingesetzt werden. Durch Probenvorbehandlung (Trocknung, staubfeine Aufbereitung) und längere Messzeiten wird die Genauigkeit der Methode deutlich erhöht. Die Überprüfung der Analysengenauigkeit erfolgt dabei durch Messung zertifizierter Standards.

Das breite Elementspektrum und die Kombination aus schneller Analytik und Feldmethoden eröffnen ständig neue Anwendungsfelder, von der Laboranalytik bis hin zum Elementscreening an Gesteinsaufschlüssen oder Bohrkernen.

Kommen Sie mit Ihren analytischen Fragestellungen zu uns – wir beraten Sie gern.

Quantitative Mikrolithotypenanalysen (QMA) an Weichbraunkohlen wurden, nach der Methodik SONTAG/TZSCHOPPE/CHRISTPOPH (1965), routinemäßig seit 1968 durchgeführt und im Jahre 1980 durch SCHNEIDER zur QMAT (Quantitative Mikrolithotypenanalyse mit Bewertung des Textites) erweitert.

Mechanische Eigenschaften der Kohle können aus mikroskopisch erkennbaren Strukturmerkmalen erklärt werden. Die Eignung verschiedener Weichbraunkohlen für eine mechanische Veredlung, wie Mahlung und Agglomeration, ist demzufolge durch eine mikroskopische Bewertung von Strukturelementen bestimmbar. Mechanisch wirksamer mikroskopischer Strukturbereich ist der Mikrolithotyp.

In der Partikelanalytik beschäftigen wir uns mit der räumlichen und stofflichen Beschreibung von Körpern mit einer Größe von wenigen mm bis in den Nanometerbereich. Die Bandbreite reicht dabei von natürlichen oder künstlichen Fasern, über Ablagerung in fluidal beeinflussten Anlagen, bis hin zur Analytik von Stäuben in der Umwelt oder am Arbeitsplatz.

Der Vorteil der Partikelanalyse bei LAOP liegt in der Kombination von lichtoptischen, elektronenoptischen und mikrochemischen Analysemethoden, welche eine umfassende Probenbeschreibung ermöglichen. Andererseits kann aus unserem analytischen Spektrum auch gezielt die passende Methode für Ihre Fragestellung ausgewählt werden.

Eine Partikelanalyse ist bei LAOP sowohl qualitativ als auch quantitativ realisierbar. Parameter im Fokus sind dabei: Größe, Form, Oberfläche, chemische Zusammensetzung.

Die mineralogische Beschaffenheit von Gesteinsproben ist von entscheidender Bedeutung für zahlreiche Anwendungen in den Ingenieurwissenschaften. Diese reichen von der Abschätzung des Porenraums im Bereich der Geothermie bis hin zu Verschleißprognosen im Tunnelbau. Porenraumdaten können durch die Bildauswertung von zusammengesetzten, dichteabhängigen Graustufenaufnahmen (BSE-Kontrast) ermittelt werden. Darüber hinaus werden die Zementart und die -anteile der Sedimentgesteine charakterisiert und quantifiziert.

Zur Erstellung von Verschleißprognosen kann die mineralogische Phasenverteilung herangezogen werden. Durch die Anwendung des Cerchar-Abrasivitätsindex (CAI) auf die einzelnen Phasen lässt sich der äquivalente Quarzgehalt der Probe bestimmen. Für texturbezogene Fragestellungen werden farbkodierte Abbildungen des CAI erstellt.

Die REM/EDX-Analyse von LAOP an Probenoberflächen von mehreren Quadratzentimetern liefert ähnlich repräsentative Ergebnisse wie die klassische Dünnschliffmikroskopie. Neben der mineralogischen Phasenverteilung wird dabei auch die chemische Verteilung im Mikrometerbereich erfasst. Im Vergleich zu MLA oder QEMSCAN sind die Phasendaten nicht abstrahiert, sondern werden aus jedem einzelnen Pixel der mikrochemischen Aufnahme berechnet.

Die RasterElektronenMikroskopie ist seit mehr als 30 Jahren eine profunde Methode zur Darstellung und Analyse von Mikrostrukturen. Es liefert Daten zur Oberflächengeometrie, zum Stoffbestand oder zur Kristallographie des Probenmaterials in einem weit höheren Auflösungsspektrum als bei der Lichtmikroskopie. Zudem kann auch ein höherer Automatisierungsgrad bei der Analyse erreicht werden, welcher bei einigen Analyseverfahren zu erheblichen Genauigkeitssteigerungen und Zeitersparnis führt.

Der technische Fortschritt und eine kostengünstige Produktion von Mikroelektronik beschränkt die Anwendung der Elektronenmikroskopie nicht mehr ausschließlich auf universitäre Einrichtung oder Forschungsinstitute. So sind die Geräte heute in den Laboren von Industrie, Medizin und Materialwissenschaften zu finden.

Bei LAOP unterstützt das Zeiss EVO MA 10 mit Oxford X-max 50 EDX die Untersuchungen zur Palynologie, Schwermineralanalyse, Paläobotanik und Mikrochemie.

Das bei LAOP installierte REM arbeitet mit einer LaB6-Kathode und erreicht Auflösungen von 2 nm bei 30 KV. Es verfügt über einen druckvariablen Betriebsmodus für schlecht leitende oder „entgasungsfreudige“ Proben. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Probe, und damit zur Aufnahme von höchstauflösenden Bildern, werden Beschichtungsgeräte von Cressington eingesetzt. Diese sind als Dual-Kit konzipiert und ermöglichen sowohl eine Kohlenstoff-Beschichtung als auch die Beschichtung mit Gold oder Platin. Neben der elektronenmikroskopischen Darstellung können auch geometrische Messungen bis hin zu volumetrischen Analysen getätigt werden. Ein echtes 3D-Oberflächenbild wird mit Hilfe des 5-Segment-HD Rückstreudetektor gewonnen.

Der EDX-Detektor ermöglicht Punkt-, Linienanalysen und Elementmapping. Dies erweitert das Verständnis des vorliegenden Probenmaterials auf die mikrochemische Zusammensetzung und unterlegt somit unsere Methoden der Lichtmikroskopie. Die Klassifizierung und Darstellung von Einzelphasen sowie eine automatisierte Partikelanalyse sind optionale Erweiterungen.

Je nach Fragestellung und Anforderung an die Ergebnisse, sind bei uns verschiedene Verfahren der Schwermineralanalyse möglich. Zum einen der klassische Weg über die Polarisationsmikroskopie, zum anderen eine halbautomatische Analyse mittels REM/EDX. Auch eine Kombination der beiden Verfahren ist möglich und kann durchaus sinnvoll sein.

Zunächst werden die Sedimente chemisch aufbereitet und im Anschluss gesiebt. Sedimentgesteine werden im Vorfeld zerkleinert. In den durch Siebung gewonnenen Korngrößenspektren werden nun die leichten von den schweren Mineralen getrennt. Letztere, die Gruppe der Schwerminerale, zeichnet sich durch eine Dichte von >2,9 g/cm³ aus. Die Abtrennung erfolgt in einem Scheidetrichter mittels der Schwereflüssigkeit Natriumpolywolframat. Gegenüber anderen Schwereflüssigkeiten hat Natriumpolywolframat wesentliche Vorteile. Es ist nicht toxisch, nicht brennbar, leicht zu handhaben und wiederverwendbar.

Aus der gewonnenen Probe werden im Anschluss für die Lichtmikroskopie Körnerpräparate hergestellt und mikroskopiert. Als Einbettmittel verwenden wir Meltmount (Lichtbrechung n=1,662).  Die Auszählung und Bestimmung der Minerale am Polarisationsmikroskop erfolgt nach optischen Merkmalen wie Farbe, Spaltbarkeit, Pleochroismus, Auslöschung, Licht- und Doppelbrechung sowie konoskopischem Achsenbild. Dabei kann man transparente und opake Minerale unterscheiden. Mittels der Durchlichtmikroskopie können ausschließlich erstere bestimmt werden. Die Opakminerale werden lediglich als eine separate Mineralgruppe mitgezählt, welche mittels REM/EDX näher bestimmt werden kann. Des Weiteren besteht bei der Lichtmikroskopie die Möglichkeit, die Verwitterung/Anlösung der Oberfläche zu dokumentieren. Eine zu untersuchende Schwermineralfraktion sollte mindestens 300 transparente Körner aufweisen.

Für die Analyse mittels REM/EDX werden die Kornfraktionen in Epoxidharz eingegossen und ein Anschliff hergestellt. Bei der Analyse werden die Körner nach ihrer Chemie in die entsprechende Mineralklasse eingeteilt. Der Vorteil bei der Analyse am Rasterelektronenmikroskop ist, neben der Bestimmung der opaken Minerale, auch die viel größere Anzahl an Körnern, die untersucht werden kann. Des Weiteren sind verschiedene geochemische Analysen möglich, etwa zur Unterscheidung verschiedener Granatvarietäten oder zur Ermittlung von eingebauten Spurenelementen.

Für das letzte Anwendungsgebiet kommt, neben dem Rasterelektronenmikroskop, auch unser RFA-Gerät zum Einsatz, mit welchem wir Yttrium, Lanthan, Cer, Neodym und Praseodym vom %- bis in den mittleren ppm-Bereich bestimmen können. Somit kann die Exploration von Yttererden sowie Ceriterden an Bohrkernen und Profilen unterstützt werden. 

Als Pollenanalyse (Palynologie) versteht man eine Methode, die sowohl rezente als auch fossile Pollenkörner und Sporen qualitativ und quantitativ untersucht.

Die Analyse der Palynomorphen der miozänen Braunkohlenflöze der Lausitz wird von uns als ergänzende Methodik zur Kutikularanalyse angewandt. Die Faziesbestimmung und stratigraphische Einordnung von Flözen, Flözbänken und Begleithorizonten stehen hier im Vordergrund.

Um ein umfassenderes Bild der Pollen und Sporen im Tertiär zu erhalten und um eine seit vielen Jahrzehnten angewandte Methodik zu bewahren, findet eine Einarbeitung in die alttertiäre Pollenstratigraphie statt. Die biostratigraphische Auswertung erfolgt anhand der von W. Krutzsch für das mitteleuropäische Alttertiär publizierten stratigraphisch verwertbaren Sporen- und Pollenformen.

Die Aufbereitung der Proben findet in unserem Labor in Lauta statt. Eine Spezialisierung liegt auf Braunkohlen und kohlehaltige Proben. Mit Hilfe verschiedener Chemikalien werden zunächst organische Komponenten aufgeschlossen. Mittels Schweretrennung mit Natriumpolywolframat werden mineralische Partikel abgetrennt. Nach dem Prozess der Aufbereitung erfolgt die Anfertigung von Dauerpräparaten (Glyceringelatine). Die mikroskopische Auswertung wird bei 400- und 600- facher Vergrößerung durchgeführt. Es werden ca. 300 Pollenkörner und Sporen pro Probe ausgezählt. Nach der qualitativen und quantitativen Analyse des Polleninhaltes wird aus den ermittelten Daten ein Pollendiagramm erstellt.

Neben der hier beschriebenen Analyse der Schwerminerale werden auch für die „Leichtminerale“ verschiedene Untersuchungen angeboten. Diese werden mittels Dünnschliffanalyse genauer beschrieben, wobei das Hauptaugenmerk auf den verschiedenen Quarzbildungen und den Feldspatvarietäten liegt.

Im Streupräparat am REM kann man die Minerale einer Oberflächenanalyse unterziehen. Hierbei werden Kornform, Rundung, Rissbildung, Anlösungserscheinungen und Verwachsungen dokumentiert.  Auch die Bestimmung der Geochemie mittels REM/EDX ist möglich.

Die mobile RFA findet Einsatz in der Messung von Punktproben, an Handstücken oder zur Erstellung von Messreihen an Bohrkernen. Bei Letzteren wird beispielsweise ein Elementscreening zur geochemischen Charakterisierung sedimentärer Abfolgen durchgeführt.

Für Proben mit einer Zusammensetzung von Grobsanden bis Kiesen erfolgt die Beschreibung am Stereomikroskop. Dabei werden Kornzusammensetzung, Rundungsgrad, Oberflächenbeschaffenheit und Farbe ermittelt. Des Weiteren ist eine Auszählung der Kornzusammensetzung im Sinne der Kleingeschiebeanalyse TGL 25232 möglich.

Unabhängig von der Korngröße kann jede Probe einer Partikel- und/oder Phasenanalyse mit digitaler Bildauswertung unterzogen werden (Top-Methoden: Partikelanalyse und Phasenanalyse).

Die Porenraumanalyse von Lockersedimenten ohne starke diagenetische Überprägung oder Zementation ist herausfordernd. Dabei ist die Art der Entnahme und Präparation der ungestörten Proben entscheidend für eine Abbildung der ursprünglichen Sedimenttexturen.

Die getrockneten, ungestörten Proben werden, abhängig von der Sedimentzusammensetzung, mit verschiedenen Harzen unter variablen Druckbedingungen eingebettet. Die ausgehärteten Proben werden gesägt und zu polierten Anschliffen verarbeitet.

Mittels REM/EDX werden zum einen mehrere cm² im Dichtekontrast (BSE) untersucht. Diese hochaufgelösten BSE-Aufnahmen können dann mithilfe von Bildverarbeitungsprogrammen analysiert werden. Zudem werden großformatige Bereiche mikrochemisch und phasenanalytisch untersucht. Die Untersuchungen liefern Aussagen zu:

• dem sedimentologischen Charakter (Fazies, Provenance, Transportgeschehen)
• bodenmechanischen Fragestellungen (Porengrößenverteilung, Lagerungsdichten)
• dem strömungsmechanischen Verhalten (Auswirkung von Erosion und Suffusion)

Die metallographische Analytik bei LAOP ist elektronenmikroskopisch ausgerichtet, auflichtmikroskopische Methoden können aber ebenfalls eingesetzt werden. Typischerweise wird mit zugeschnittenene Proben oder mit polierten Anschliffen gearbeitet. Die Anschliffbearbeitung erfolgt hierbei mittels Trenn- und Schleifgeräten der Firma Buehler. Die Mikroskopietechnik stammt von Leica und Zeiss. Mikrochemische Analysen werden mit einem EDX-Detektor von Oxford Instruments durchgeführt.

Eine Anwendung ist die Analyse von Verschleiß- und Versagensbereichen von Werkstücken. Dabei können Korngefüge und Risse bis in den oberen Nanometerbereich untersucht werden. Durch SE-Bildgebung werden auch die geringsten topographischen Unebenheiten sichtbar.

Die elektronenoptische Phasenbestimmung ist bei der Korrosionsanalyse das Mittel der Wahl. Durch mikrochemische Untersuchungen originärer und geschädigter Werkstückteile kann auf Ursache und Ausmaß der meist sehr komplexen Korrosionsvorgänge in Bauteilen rückgeschlossen werden. Die Analysen mittels EDX geben zusätzlich die chemische Zusammensetzung der metallischen Phasen und der Korrosionsprodukte.

Bei der mineralischen Phasenanalyse erfolgt die Bestimmung der in der Probe enthaltenen Phasen mittels REM/EDX. Sedimente und Böden werden zunächst aufbereitet und in Teilfraktionen gesiebt. Anschließend erfolgt das Einbetten in Epoxidharz und die Herstellung eines Anschliffs.

Die Analyse der Anschliffe erfolgt im Rasterelektronenmikroskop mittels EDX. Dabei werden großformatige, hochaufgelöste Elementverteilungskarten der Anschliffe erstellt. In einem weiteren Schritt werden aus den Verteilungsdaten Phasen einheitlicher chemischer Zusammensetzung berechnet und bildanalytisch ausgewertet. Die Ergebnisse der einzelnen Fraktionen werden nachfolgend zu einem Mittelwert (gewichtetes Mittel) der Gesamtprobe berechnet. Gegebenenfalls in der Probe enthaltenen Kiesfraktionen werden unter dem Stereomikroskop gesichtet und bestimmt. Die jeweiligen Phasenanteile können so abgeschätzt und dem Ergebnis zugerechnet werden.

Die Kutikularanalyse dient der Faziesbestimmung in der Kohle und in kohlehaltigen klastischen Sedimenten. Sie benutzt die in der Kohle eingelagerten Blattfragmente, deren Kutikula in Fragmenten (Cuticulae dispersae) im Präparat vorliegen.

Die Faziesindikation ermöglicht:

• die Ermittlung der Flözfeinstratigraphie
• Aussagen über die stratigraphische Zuordnung von Flözen, Flözbänken und Begleithorizonten
• den Nachweis der Repräsentanz der makropetrographischen Ansprache der Kohle

Diese von Dr. W. Schneider weiterentwickelte Arbeitsmethode wird an den Weichbraunkohlen des Lausitzer Braunkohlereviers seit vielen Jahren bei LAOP angewandt und ist zum großen Teil auf andere Braunkohlereviere übertragbar. Projektreferenzen dazu sind sowohl aus dem niederrheinischen als auch aus dem mitteldeutschen Revier vorhanden.

Eine Kutikularanalyse ist bei LAOP sowohl qualitativ als auch quantitativ realisierbar. Eine detaillierte Beschreibung und Anwendung dieser Methode finden sie hier: 

Die Kutikularanalyse nach Dr. Wilfrid Schneider (1938-2020) in ihrer Anwendung – Mikropaläobotanische Untersuchung eines Großprofils des 2. Miozänen Flözkomplexes im Tagebau Welzow-Süd.