1.3.2 Mineralogische und geochemische Analyse

Die Probenaufbereitung erfolgte mit einer konstanten Mahldauer von 4 Minuten in einer Scheibenschwingmühle mit Widia-Einsatz. Analysiert wurde fast ausschließlich das Gesamtgestein, da sich viele Proben infolge diagenetischer Prozesse (Silifizierung, Resilifizierung) als nicht dispergierbar erwiesen.

Insgesamt wurden mehr als 400 Proben röntgendiffraktometrisch untersucht. Die qualitative mineralogische Bestimmung erfolgte mit Hilfe eines PHILIPS-Röntgendiffraktometers (PW 1729 / Programm: APD 1700) mit Cu-Ka-Strahlung (50 kV, 30 mA) und Monochromator im Messbereich zwischen 3° und 73° bei einer Goniometergeschwindigkeit von 1,2° (2Theta?) / Minute. Grundlage für die Auswertung bildete die JCPDS-Datei (INTERNATIONAL CENTRE FOR DIFFRACTION DATA 1986 a,b).

Für die Bestimmung der Kaolinit-Kristallinit wurde vorzugsweise die Hinckley-Methode (HINCKLEY 1963) gewählt, da diese ein weit verbreitetes und praktikables Verfahren darstellt und einen Vergleich mit anderen Kaoliniten gewährleistet.

Durch Röntgenfluoreszenzanalysen (RFA) an 350 Proben konnten 12 Haupt- und 24 Spurenelemente quantitativ bestimmt werden. Als Schmelzmittel diente Lithiumtetraborat (Spectromelt), das im Verhältnis 6 : 1 mit der Probe vermischt wurde. Die Kalibrierung des RFA-Gerätes (Philips PW 1404/10 - Programm: Oxiquant) erfolgte mit international zertifizierten Gesteinsstandards. Der Fehler für die Hauptelemente liegt bei ca. ± 3% und für die Spurenelemente bei ca. ± 10%. Eine zusätzliche Kontrolle der Messergebnisse konnte durch Parallelmessungen von mehreren internationalen Standards (GSR-1, BCS-CRM 348, JA-3) erreicht werden. In der Tab. 1 sind die zertifizierten Analyseergebnisse der genannten Standards im Vergleich zu den eigenen Messungen dargestellt, wobei insgesamt eine gute Reproduzierbarkeit gegeben ist. Lediglich für Na2O und SO3 sowie für die Spurenelementen As, Cu, La, und Pr wurden größere Abweichungen festgestellt.

Die Sulfatgehalte der alunithaltigen Proben wurden mit dem LECO-Analysegerät sowie durch spezielle RF-Analysen (Presslinge) bestimmt, da sich der als Sulfat gebundene Schwefel beim Herstellen der Schmelztabletten für die RFA verflüchtigte.

Für die Ermittlung des Glühverlusts wurden die bei 105 °C vorgetrockneten Proben im Muffelofen 1 Stunde bei 1050 °C geglüht. Bei den alunithaltigen Proben (Alunit > 1%, n=54) wird das Sulfat während des Glühens mitverdampft, so dass hier hohe Glühverluste auftreten. Um zu einer Gesamtsumme von ca. 100% zu gelangen, dürfen jedoch nur die OH-Anteile des Alunits in die Summe mit eingehen, da Sulfat separat bestimmt wurde. Für den Alunit konnte durch Mikrosondenanalysen ein Durchschnittswert von 14,96% GV (OH-Anteil) ermittelt werden, der zusammen mit den theoretischen GV für Kaolinit und Goyazit den berechneten GV ergibt (GV-ber., vgl. Anhang).

Die quantitative Mineralbestimmung erfolgte durch stöchiometrische Umrechnung der RFA-Daten. Die errechneten Gehalte basieren auf der theoretischen Zusammensetzung der jeweiligen Mineralphase, meist ohne Berücksichtigung eventueller Diadochien. Im Gegensatz zu normativen Methoden, wie z.B. die CIPW-Norm, wurden nur tatsächlich vorhandene Mineralphasen berechnet, die mit Hilfe der Röntgendiffraktometrie analysiert wurden. Mineralgehalte, die röntgenanalytisch unterhalb der Nachweisgrenze lagen, deren Existenz jedoch in der gleichen Probenpopulation nachweisbar waren, wurden ebenfalls berechnet. In der Tabelle 2 wird der Umrechnungsmodus beispielhaft für mehrere Mineralphasen dargestellt.

Da beispielsweise die Minerale Böhmit, Kaolinit und Crandallit jeweils Aluminium enthalten, erfolgte die Berechnung in Form einer Stapelordnung. So wurde zunächst über den SiO₂-Gehalt der Al₂O₃-Anteil für Kaolinit berechnet. Der verbleibende Aluminiumgehalt wurde den Mineralen Böhmit und Crandallit zugeordnet, wobei wiederum über den Phosphorgehalt der theoretische Aluminiumgehalt des Crandallits ermittelt wurde. Der verbleibende Rest entspricht dem Al₂O₃-Anteil für Böhmit.

Tab. 2: Beispiel einer stöchiometrischen Mineralberechnung für quarzfreie, böhmitführende Laterite vom Jebel Tawiga mit dem Programm SPSS/PC+, 5.0.

Eine Erfolgskontrolle der Mineralberechnung ist durch den Vergleich zwischen RFA-Summe und Mineralsumme bzw. durch deren Differenz gegeben. Für insgesamt 302 Proben beträgt diese Differenz im Durchschnitt weniger als 0,5%. Eine solche Genauigkeit lässt sich vergleichsweise mit halbquantitativen Methoden der Röntgenanalytik nicht erreichen.

Energiedispersive (Mikrosonde) und wellenlängendispersive Analysen (KEVEX) einzelner Mineralphasen wurden an der Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie (ZELMI) der TUB durchgeführt. Die Messungen erfolgten bei 20 kV. Bei der Analyse der Alunite trat die Schwierigkeit auf, dass bei höherer Energie (20 kV) und kleinflächigem Bestrahlungsfeld das Mineral nach wenigen Sekunden verdampfte. Für akzeptable Messungen von Al₂O₃, Fe₂O₃ sowie BaO und P₂O₅ ist jedoch diese Energie notwendig. Kalium und Natrium hingegen zeigen bei 20 kV zu geringe Gehalte, was auf Verdampfung zurückzuführen ist (STOFFREGEN & ALPERS 1987). Um die Hauptelemente des Alunits korrekt zu erfassen, wurde deshalb bei 15 kV und einem breiteren Elektrodenstrahl gemessen.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) und transmissionselektronische (TEM) Untersuchungen an Kaolinen erfolgten mit verschiedenen Geräten der TU (ZELMI) und der Ernst-Moritz-Arndt-Universität in Greifswald.

Polarisationsmikroskopische Untersuchungen an Dünnschliffen waren, bedingt durch die Teilchengröße des überwiegend tonigen Materials, nur an ausgewählten Proben sinnvoll.

Infrarotspektroskopische Phasenanalysen wurden mit Hilfe eines Perkin-Elmer Gitter-Spektrophotometer unter Anwendung der Kaliumbromid-Preßtechnik durchgeführt. Dazu wurden nach der Methode von BOWITZ (1988) 1 mg der < 10 m feinen Probe mit 200 mg KBr eingewogen, homogenisiert, bei 105 °C getrocknet und zu einer Tablette gepresst. Die Spektren wurden u.a. mit Hilfe eines IR-Atlases (VAN DER MAREL & BEUTELSPACHER 1976) überprüft.

Die isotopenanalytischen Untersuchungen an Alunitkonzentraten wurden an der Bergakademie Freiberg nach der Methode von WASSERMAN et al. (1992) durchgeführt, wobei d18O und d34S ermittelt wurden. Radiometrische Altersbestimmungen an Aluniten und an Vulkaniten (K-Ar) erfolgten im Laboratorium für Geochronologie in Heidelberg.