[Rammlmair] Spectroscopic mineral - chemical analysis of drill cores: Development of fast 2D LIBS, EDXRF and hyperspectral scanning with application to outstanding problems of the Bushveld Complex layered intrusion

German Title: Spectroscopic mineral - chemical analysis of drill cores: Development of fast 2D LIBS, EDXRF and hyperspectral scanning with application to outstanding problems of the Bushveld Complex layered intrusion

Abbreviation: 417

Current Status: approved


Main Applicant:Dr. Dieter Rammlmair


Resources Recipient

Dr. Malte Junge
Dr. Jeannette Meima
Prof. Dr. Francois Holtz


Other Persons


Conveyor Begin: 1 March, 2021
Conveyor End:
Conveyor Duration: 36
Year: 2021


Description

High-spatial-resolution imaging methods of laser-induced plasma spectroscopy (LIBS), hyperspectral image analysis (HIS) and energy-dispersive micro-X-ray fluorescence analysis (μEDXRF) opens new possibilities for rapid, automated analysis of mineral-chemical variations in drill cores that can be key for interpretation of genetic models. The aims of this project are to develop, optimise and validate the combination of these methods for continuous analysis of drill cores, to apply them for mineralogical, chemical and textural analysis of mono-mineralic layers of economic signficance in the Bushveld Complex (magnetite layers in the Upper Zone, chromite layers in the Critical Zone). The results will provide tests for alternative genetic models. A second focus of investigation is the influence of late- and postmagmatic aqueous melts and fluids on the formation and modification of these layers.
Methods development will involve creation of a spectral database of relevant minerals and mineral solid-solution end-members as the basis for visualization of the modal mineralogy including accessory phases. The combination of LIBS and μEDXRF data enables mineral mapping at high spatial resolution (200 vs. 25m resp.) over the entire examined core section and in addition, chemical variation of minerals of interest (magnetite, chromite, orthopyroxene) can be shown. The LIBS-based distribution of light elements such as Li, Be, B is important as an indicator of hydrothermal influence, and many hydrous phases can also be identified by hyperspectral examinations using VNIR, SWIR and LWIR. Calibration and validation of the LIBS, HIS and μEDXRF results will be done using well-characterized rocks of similar composition from existing data, augmented if needed by additional analyses using optical microscope, electron beam microprobe, Raman spectroscopy or laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry. Data assimilation and artificial intelligence based monitored classification and evaluation tools will be developed and validated to provide the combined information gained from different methods in a largely automated manner. The outcome of this investigation will contribute new insights on formation of monomineral layers in Bushveld and other layered intrusions and on the impact of late hydrous phases. More broadly, the work will demonstrate the usefulness and the potential power of continuous, quasi non-destructive scanning methods LIBS, HSI, μEDXRF for drill core analyses in general.

 

Der Einsatz flächendeckender, hoch-ortsauflösender, bildgebender Verfahren wie laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), hyperspektrale Bildanalyse (HIS) und energiedispersive Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (μEDXRF) bei der Untersuchung von Bohrkernen eröffnet neue Möglichkeiten der quasi zerstörungsfreien Informationsbereitstellung zur Interpretation von magmatischen lagigen Intrusionen. Die Kombination aus diesen Analysemethoden soll zur kontinuierlichen mineralogischen, chemischen, mineralchemischen und texturellen Charakterisierung mono-mineralischer Lagen aus Magnetit der “Upper Zone” und Chromit der “Critical Zone” des Bushveld Komplexes angewandt werden. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Untersuchung ist der Einfluss von Restschmelzen und Fluiden auf die Bildung von spätmagmatischen und sekundären Mineralen im Intrusionskörper.
Durch den Aufbau einer spektralen Datenbank wird die Grundlage für eine objektive Auswertung langer Bohrkernstrecken bereitgestellt. Die Visualisierung des Modalbestandes mit Akzessorien, von Gefüge bis hin zu mineralchemischen Änderungen in Mischkristallen auf LIBS bzw. μEDXRF Basis ermöglicht eine Mustererkennung auf der Mesoskalenebene im Vorfeld mikroskopischer bzw. submikroskopischer Untersuchungen. Zudem lässt sich die chemische Variation der Magnetite, Chromite und der Begleitphasen über die gesamte untersuchte Bohrkernstrecke aufzeigen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die LIBS-basierte Information zur Verteilung leichter Spurenelemente wie Li, Be, B etc. im Bohrkern als möglicher Indikator hydrothermaler Beeinflussung, um ggf. dessen Auswirkung auf mineralogische und chemische Veränderungen zu definieren. Durch hyperspektrale Untersuchungen mittels VNIR, SWIR und LWIR können viele Phasen identifiziert werden. Es ist ein zentrales Ziel den Informationsgewinn bis zu diesem Punkte weitgehend automatisiert über künstliche Intelligenz basierte überwachte Klassifikation und Auswertung bereitzustellen.
Mittels optischem Mikroskop, Elektronenstrahl-Mikrosonde, Rasterelektronenmikroskopie, Raman Spektroskopie werden chemische Eigenschaften detailliert untersucht und zur Validierung von LIBS, HIS und μEDXRF herangezogen. Über Spurenelementverteilungsmuster, texturelle Besonderheiten und Nachbarschaftsbeziehungen werden bekannte Genesemodelle für die Entstehung von mono-mineralischen Lagen überprüft und ggf. verworfen bzw. modifiziert. Der Einfluss hydrothermaler Überprägung auf die Genese mono-mineralischer Lagen wird hier gesondert betrachtet. Hier steht die Abschätzung der Auswirkungen der hydrothermalen Überprägung auf Pauschal- und Mineralchemie mit besonderem Fokus auf den Spurenelementbereich im Blickfeld. Am Beispiel dieser Untersuchung an Bohrkernabschnitten soll die Einsatzfähigkeit und das Potential der quasi nicht destruktiven Scanverfahren LIBS, HSI, μEDXRF, etc. für die bereits vorliegenden Bohrungen insbesondere aber auch für die geplante Durchteufung des Bushveld Komplexes aufgezeigt werden.