With a surface area of about 10,000 km², the Salar de Uyuni is the largest salt flat in the world. It is located at an altitude of 3,653 m on the Altiplano, a high plateau in the south of the Bolivian Andes. The Salar de Uyuni consists of an alternating sequence of highly porous salt layers (mainly composed of halite) and lacustrine clay sediments. The pore volume of the uppermost salt layer which has a thickness of up to 11 m is filled by brine. The brine contains high amounts of Mg, K, Li and B. The element lithium is an especially important raw material for the production of batteries. Thus, it plays an important role for the development of the electric mobility. With this background, extensive hydrogeological exploration activities were carried out at the Salar de Uyuni in the context of this dissertation. The hydraulic properties of the uppermost salt crust and the physical properties (density and viscosity) of the brine must be characterized. In order to do this, several core drillings were made, observation wells were installed, brine samples were taken and pumping tests were conducted between 2009 and 2012. The stratigraphic documentation of the obtained sediment cores provided insights about the deposit structure and the upper salt layer thickness. The determination of the salt core porosity was carried out by three different methods: (a) by using X-ray computed tomography, (b) gravimetrically by saturation with 2-octanol and (c) by completion of the core volume with plasticine and calculation of the porosity under consideration of the particle density of the salt. The laboratory investigations showed a depth-dependent porosity distribution in the upper salt layer. The uppermost 2 m were characterized by very high porosity values between 30 and 39%. However at greater depth, the total porosity decreases on average to 13.5%. Geochemical analyses of brine samples confirmed the general spatial distribution of the lithium concentrations as already published by previous studies. On the basis of the lithium distribution in the brine, the thickness of the upper salt layer and the depth-dependent porosity distribution, the total lithium deposit in the Salar de Uyuni was calculated to be about 7 million tons. The evaluation of the pumping tests under consideration of the density and viscosity of the pumped brine showed that the salt has a very high permeability in the horizontal direction. In contrast, flow-through experiments on drill cores indicated a clear vertical anisotropy of the permeability. This is caused by the inhomogeneous sediment stratification for instance by interbedded fine gypsum or clay lamina. Thus, horizontal brine movements are possible, but a deep vertical flow component can hardly be expected. This assumption is confirmed by radiocarbon dating the brine samples from different salt depths. The influence of annual floods during the rainy season could be observed by long-term brine level measurements. Throughout the time-series analysis, distinct periodic brine fluctuations of a few centimeters per day could be identified during the dry season. These daily fluctuations indicated an impermeable crust probably formed by the evaporation of near-surface brine and subsequent crystallization of salts in the pore volume. Thus, daily temperature and atmospheric pressure changes could directly affect the brine level. Due to the extensive hydrogeological investigations, this dissertation contributes to the essential understanding of the hydraulic conditions in the Salar de Uyuni. / Mit einer Fläche von rund 10.000 km² ist der Salar de Uyuni die größte Salz-Ton-Ebene der Welt. Er befindet sich in einer Höhe von 3653 m NN im Altiplano, einer Hochebene im Süden der bolivianischen Anden. Der Salar de Uyuni besteht aus einer Wechsellagerung von hochporösen Salzschichten (überwiegend aus Halit bestehend) und lakustrinen Tonsedimenten. Die Porenräume der obersten bis zu 11 m mächtigen Salzschicht sind mit einer Sole gefüllt, die hohe Gehalte an Mg, K, Li und B aufweist. Insbesondere das Element Lithium ist ein wichtiger Rohstoff u.a. für die Herstellung von Batterien und spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Elektromobilität. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation umfassende hydrogeologische Erkundungsarbeiten am Salar de Uyuni durchgeführt, um die hydraulischen Eigenschaften der obersten Salzkruste sowie die physikalischen Eigenschaften (Dichte und Viskosität) der Sole zu charakterisieren. Dazu wurden zwischen 2009 und 2012 zahlreiche Kernbohrungen abgeteuft, Beobachtungsbrunnen installiert, Soleproben entnommen und Pumpversuche durchgeführt. Die stratigraphische Dokumentation der gewonnenen Bohrkerne lieferte Erkenntnisse zur Ablagerungsstruktur und zur Mächtigkeitsverteilung der obersten Salzschicht. Die Bestimmung der Porosität der Salzkerne erfolgte mit drei verschiedenen Methoden: (a) mittels Computertomographie, (b) gravimetrisch durch Aufsättigung mit 2-Oktanol und (c) durch Volumenergänzung der Kernproben mit Plastilin und Berechnung der Porosität unter Einbeziehung der Reindichte des Salzes. Die Laboruntersuchungen zeigten eine tiefenabhängige Porositätsverteilung in der obersten Salzschicht. Während die obersten 2 m durch sehr hohe Porositäten zwischen 30 und 39% gekennzeichnet sind, nimmt die Gesamtporosität in größerer Tiefe auf durchschnittlich 13.5% ab. Geochemische Analysen von Soleproben bestätigten die grundsätzliche räumliche Verteilung der Lithium-Konzentrationen, wie sie bereits durch frühere Studien veröffentlicht wurde. Auf Basis der Lithium-Verteilung in der Sole, der Mächtigkeit der oberen Salzschicht sowie der tiefenabhängigen Porositätsverteilung wurde ein Lithium-Vorkommen im Salar de Uyuni von rund 7 Millionen Tonnen berechnet. Die Auswertung der Pumpversuche unter Berücksichtigung der Dichte und Viskosität der geförderten Sole zeigte, dass das Salz eine sehr hohe Permeabilität in horizontaler Richtung aufweist. Allerdings zeigten Durchströmungsversuche an Bohrkernen eine deutliche vertikale Anisotropie der Permeabilität, was auf die inhomogene Sedimentschichtung durch z.B. eingeschaltete feine Gips- oder Tonschichten zurückzuführen ist. Somit sind zwar horizontale Solebewegungen möglich, jedoch ist kaum mit einer tiefgreifenden vertikalen Strömungskomponente in der Salzschicht zu rechnen. Diese Vermutung wird durch 14C-Altersdatierungen von Soleproben aus unterschiedlichen Tiefen des Salzes bestätigt. Der Einfluss der jährlichen Überschwemmungen während der Regenzeit konnte anhand von Langzeitmessungen des Solespiegels beobachtet werden. Im Zuge der Zeitreihen-Analyse zeigten sich zudem ausgeprägte periodische Tageschwankungen von einigen Zentimetern während der Trockenzeit. Diese deuten darauf hin, dass durch Verdunstung oberflächennaher Sole und damit einhergehender Kristallisation von Salzen im Porenraum eine undurchlässige Kruste entsteht. Dadurch haben tägliche Temperatur- und Luftdruckschwankungen direkten Einfluss auf den Solespiegel. Die vorliegende Dissertation trägt aufgrund der umfangreichen hydrogeologischen Untersuchungen wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Verhältnisse im Salar de Uyuni bei. / Con una superficie de aproximadamente 10.000 kilómetros cuadrados el Salar de Uyuni es el mayor lago de sal en el mundo. Se encuentra a una altura de 3.653 m sobre el nivel del mar en el altiplano en el sur de los Andes bolivianos. El Salar de Uyuni consiste en una alternancia de capas de sal altamente porosa (que consiste predominantemente de halita) y lacustre sedimentos de arcilla. La capa superior de sal tiene un espesor de hasta 11 metros. Los espacios de poros del sal se llenan con una salmuera que contiene altos contenidos de Mg, K, Li y B. En particular, el elemento litio constituye una importante materia prima para la producción de baterías que son utilizadas en la construcción de vehículos eléctricos. Bajo estos antecedentes y en el contexto de la presente tesis, se han desarrollado extensas actividades de exploración hidrogeológica en el Salar de Uyuni. Las propiedades hidráulicas de la corteza de sal superior y las propiedades físicas (densidad y viscosidad) de la salmuera debían caracterizadas. Para ello, entre 2009 y 2012 se realizaron varios perforaciones con la finalidad de obtener muestras de núcleos, se instalaron pozos de supervisión, se realizaron pruebas de bombeo y se tomaron muestras de salmuera. La documentación estratigráfica de los núcleos de perforacíon proporciona conocimientos para la estructura de los depósitos y para el espesor del superior capa de sal. La porosidad de los núcleos de sal fue determinada por medio de tres métodos diferentes: (a) por tomografía computarizada (TC), (b) gravimétricamente mediante la saturación con 2-octanol y (c) mediante de compleción del volumen del núcleo con plastilina y computacíon de la porosidad en atención a la densidad real del sal. Las investigaciones de laboratorio demostraron una distribución de la porosidad dependiente de la profundidad en la capa superior de sal. Mientras que la parte superior 2 m se caracterizan por altas porosidades entre el 30 y 39%, la porosidad total decrese en una profundidad mayor a un promedio de 13,5%. Los análisis geoquímicos de muestras de salmuera confirmaron la distribución espacial fundamental de las concentraciones de litio, como ya se ha publicado por estudios anteriores. A base de la distribución de litio en la salmuera, el espesor de la capa superior de sal, y la porosidad dependiente de la profundidad determinaron que todos los recursos minerales de litio en el salar de Uyuni son alrededor de 7 millones de toneladas. La evaluación de las pruebas de bombeo en consideración de la densidad y la viscosidad de la salmuera transmitido mostró que la sal generalmente tiene una permeabilidad muy alta. Pero, las pruebas de flujo en muestras de núcleo mostró una anisotropía significativa de la permeabilidad con la profundidad, que se debe a una estratificación de sedimentos no homogénea debido las láminas finas de yeso o arcilla intercaladas. Por lo tanto, es correcto que los movimientos de salmuera horizontales son posibles, pero es poco probable que movimientos verticales de salmuera ocurran. Esta hipótesis se ve confirmada por la datación por radiocarbono de muestras de salmuera de diferentes profundidades de la sal. El impacto de las inundaciones anuales durante la estación lluviosa se puede observar a partir de las mediciones a largo plazo del nivel de salmuera. En el curso del análisis de series de tiempo también mostraron pronunciadas variaciones diarias periódicas de unos pocos centímetros en la estación seca. Esto sugiere que hay una corteza impermeable que se forma por evaporación de salmuera cerca de la superficie y la cristalización de sales en el espacio de los poros. En esta manera, las fluctuaciones diarias de temperatura y de preción de aire influyen directamente el nivel de salmuera. Gracias a las extensas investigaciones hidrogeológicas realizadas, la presente tesis contribuye significativamente a la comprensión de las condiciones hidráulicas en el Salar de Uyuni.

With a size of ~10,000 km² the Salar de Uyuni is the largest salt lake in the world. It is located at a height of 3,653 m a.s.l. in the southern part of the Bolivian Altiplano, an endorheic high plateau separating the Eastern and Western cordillera of the Andes. The salt flat is characterized by an alternating sequence of evaporate layers mainly consisting of halite and lacustrine mud layers up to a depth of at least 220 m, whereby the stratification is ascribed to the alternation of dry and humid climatic phases during the Quaternary. With estimated 7 Mio tonnes in brine, the salt lake is considered the world’s largest Li deposit. Knowledge About genesis and distribution of Li is essential for the possible extraction of Li and other valuable elements from the brine in a commercial scale, which is the driving force for the Investigation of hydrochemical properties of the Salar de Uyuni. Practical work comprised the sampling of brines from drilled wells and along transects, salts from the surface, sampling of streams, rocks and sediments in the catchment, as well as chemical and isotopical analyses. The surface catchment, delineated with ArcGIS, has a size of 63,000 km² and is mainly characterized by volcanic deposits as ignimbrites, and unconsolidated sediments, salt deposits and lacustrine material in widespread flood plains. The pores of the upper salt crust, which shows a varying thickness of 2-11 m, are filled with a saturated NaCl brine rich in Mg, K, Li and B. The distribution of Li along the salt lake is inhomogeneous, with two regions of significantly higher concentrations up to 1.5 g/L in the southern part near the delta of the main inflow Río Grande and in the northern part, compared to an average of 0.3-0.4 g/L in brine. The age of brines from the upper salt crust was determined to 6,200 - 13,340 years, corresponding in age to the surrounding evaporates and showing a stable stratification with depth. However, a local mixing of the brine with freshwater feeding from groundwater Aquifers especially near the shore of the salar was observed by the analysis of δ2H and δ18O in the brines. The distribution of stable isotopes also shows the strong influence of evaporation, even smaller tributaries feeding the Río Grande are enriched in heavy isotopes of H and O. Element to bromine ratios in the brine showed that Li, K and Mg are not removed from solution by the formation of precipitates, but are rather released from clay minerals by ion exchange leading to their enrichment in the pore brine. Analyzed rocks, mostly of rhyolitic and dacitic type, show moderate lithium concentrations in the range of 4 to 37 mg/kg. Different types of digestion revealed that rock types occurring in the Salar de Uyuni catchment are a substantial supplier of lithium by the intensive physical and chemical weathering due to the specific environmental conditions. Increased Lithium concentrations in rock and sediment samples from the volcano flanks south of the salar indicate, that the southern catchment is the main supplier of lithium to the salt lake. The enrichment of lithium could also be observed by the analysis of superficial salts from the upper crust. Salt efflorescences are significantly enriched regarding Li, K, Mg and other Ions compared to the surface within the polygons. The enrichment of Li in brine occurs all-Season along shrinkage cracks at polygon borders, where brine rises up, water evaporates and NaCl precipitates, leaving a solution even more concentrated in Li and other solutes as Br, B, K and Mg. In conclusion, the accumulation of lithium in the brine of the Salar de Uyuni results from the combination of various site-specific circumstances, which are analyzed and discussed in the present thesis. / Mit einer Größe von ~10.000 km² ist der Salar de Uyuni der größte Salzsee der Welt. Er befindet sich auf einer Höhe von 3.653 m im Süden des bolivianischen Altiplano, einer abflusslosen Hochebene zwischen der Ost- und Westkordillere der Anden. Der Salzsee besteht bis zu einer Tiefe von mind. 220 m aus einer Wechselfolge evaporitischer Schichten (hauptsächlich halitisch) und lakustrinen Tonschichten, wobei die Schichtung auf den Wechsel von trockenen und feuchten klimatischen Phasen während des Quartärs zurückzuführen ist. Mit einer geschätzten Menge von 7 Mio. t gilt der Salzsee als die gegenwärtig größte Li-Ressource der Welt. Das Wissen über Genese und Verteilung von Li ist grundlegend für eine mögliche Gewinnung von Li und anderen Elementen in kommerziellem Maßstab, worin sich die Motivitation für die Untersuchung hydrochemischer Eigenschaften des Salar de Uyuni begründet. Praktische Tätigkeiten umfassten die Probenahme von Solen aus eigens gebohrten Brunnen und entlang von Transekten, die Entnahme von Oberflächensalzen, die Beprobung von Zuflüssen, Gesteinen und Sedimenten im Einzugsgebiet, sowie deren chemische und isotopische Analytik. Das oberflächliche, mittels ArcGIS ermittelte Einzugsgebiet, weist eine Größe von 63.000 km² auf und besteht hauptsächlich aus vulkanischen Gesteinen wie Ignimbriten und unverfestigten Ablagerungen, Salzausblühungen und lakustrinen Sedimenten in ausgeprägten Überschwemmungsebenen. Die Poren der obersten, zwischen 2 und 11 m mächtigen Salzschicht, sind mit einer an NaCl gesättigten Salzlösung, die reich an Mg, K, Li und B ist, gefüllt. Die inhomogene Verteilung von Li im Salzsee weist zwei Bereiche signifikant erhöhter Konzentrationen von bis zu 1,5 g/L auf, und zwar im südlichen Einmündungsbereich des Hauptzuflusses Río Grande und im Nordosten etwa 20 km von der Küste entfernt, verglichen mit einem durchschnittlichen Gehalt von 0,3-0,4 g/L in der Sole. Das Alter der Solen der obersten Salzkruste wurde auf 6.200 – 13.340 Jahre bestimmt, was dem Alter der umgebenden Evaporite entspricht und eine stabile Schichtung aufweist. Allerdings weist die Analytik von δ2H und δ18O auch auf eine lokale Vermischung der Sole mit Frischwasser aus ufernahen Aquiferen hin. Die Verteilung der stabilen Isotope δ²H und δ18O deutet auf einen signifikanten Einfluss der Verdunstung auf die Entwicklung der Porenlösung hin, denn auch kleinere Zuflüsse zum Salar sind angereichert an 2H und 18O. Das Verhältnis verschiedener Elemente zu Brom zeigt, dass Li, K und Mg weniger durch die Ausfällung von Salzen aus der Lösung entfernt, sondern eher durch Ionenaustausch aus Tonmineralen freigesetzt und folglich in der Sole angereichert werden. Die analysierten Gesteine, hauptsächlich rhyolitischen und dazitischen Typs, weisen moderate Lithiumkonzentrationen von 4 – 37 mg/kg auf. Die Anwendung verschiedener Aufschlüsse zeigte, dass die im Einzugsgebiet des Salar de Uyuni vorkommenden Gesteinstypen aufgrund der intensiven physikalischen und chemischen Verwitterung unter den spezifischen Umweltbedingungen eine wesentliche Quelle des Lithiums im Salzsee sind. Erhöhte Li-Konzentrationen in Gesteinen und Sedimenten der vulkanischen Flanken südlich des Salars deuten auf das südliche Einzugsgebiet als hauptsächlichen Zulieferer für Li hin. Die Anreicherung von Li wurde auch mittels der Untersuchung der Salze der obersten Kruste bestätigt. Im Vergleich zur Oberfläche innerhalb der Polygone sind die Salzausblühungen entlang der Polygonränder signifikant an Li, K, Mg und anderen Ionen angereichert. Die Anreicherung von Li geschieht ganzjährig entlang der Schrumpfungsrisse an Polygonrändern, indem die Sole durch kapillare Kräfte aufsteigt, Wasser verdunstet und NaCl ausfällt. Schließlich bleibt eine an Li und anderen Ionen wie Br, B, K und Mg noch stärker aufkonzentrierte Lösung zurück. Schlussfolgernd resultiert die Akkumulation von Lithium in der Porenlösung aus der Kombination zahlreicher standortspezifischer Faktoren, welche innerhalb der vorliegenden Arbeit untersucht und bewertet wurden.

The underlying research that resulted in this doctoral dissertation was performed at the Division of Economic Geology and Petrology of the Department of Mineralogy, TU Bergakademie Freiberg between 2011 and 2014. It was the primary aim of this thesis to develop and test novel applications for the technology of ‘Automated Mineralogy’ in the field of economic geology and geometallurgy. A “Mineral Liberation Analyser” (MLA) instrument of FEI Company was used to conduct most analytical studies. This automated system is an image analysis system based on scanning electron microscopy (SEM) image acquisition and energy dispersive X-ray spectrometry which can be used to determine both quantitative mineralogical data and mineral processing-relevant parameters. The analyses can be conducted with unconsolidated and solid rocks but also with ores and products of the mineral processing and recycling industry. In consequence of a first-time broadly-based and comprehensive literature review of more than 1,700 publications related to all types of automated SEM-based image analysis systems several trends in the publication chronicle were observed. Publications related to mineral processing lead the field of automated mineralogy-related publications. However, this is with a somewhat smaller proportion than expected and with a significant decrease in share between around 2000 and 2014. The latter is caused by a gradual but continuous introduction of new areas of application for automated mineralogical analysis such as the petroleum industry, petrology or environmental sciences. Furthermore, the quantity of automated mineralogy systems over time was carefully assessed. It is shown that the market developed from many individual developments in the 1970s and 1980s, often conducted from research institutes, e.g., CSIRO and JKMRC, or universities, to a duopoly - Intellection Pty Ltd and JKTech MLA - in the 1990s and 2000s and finally to a monopoly by FEI Company since 2009. However, the number of FEI’s competitors, such as Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments, and Robertson CGG, and their competing systems are increasing since 2011. Particular focus of this study, published in three research articles in peer-reviewed international journals, was the development of suitable methodological approaches to deploy MLA to new materials and in new contexts. Data generated are then compared with data obtained by established analytical techniques to enable critical assessment and validation of the methods developed. These include both quantitative mineralogical analysis as well as methods of particle characterisation. The first scientific paper “Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas” deals with the field of mineral processing and describes the characterisation of lithium-bearing zinnwaldite mica - as potential natural resource for lithium - by MLA as well as the achievement of mineralogical association data for zinnwaldite and associated minerals. Two different approaches were studied to comminute the samples for this work, conventional comminution by crusher as well as high-voltage pulse selective fragmentation. By this study it is shown that the MLA can provide mineral data of high quality from silicate mineral resources and results very comparable to established analytical methods. Furthermore, MLA yields additional relevant information - such as particle and grain sizes as well as liberation and grade-recovery data. This combination of quantitative data cannot be attained with any other single analytical method. The second article “Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis” is also located in the field of mineral processing. This research article is the first published contribution on the characterisation of graphite, an important industrial mineral, by MLA respectively an automated mineralogy-related analytical method. During this study graphite feeds and concentrates were analysed. By this study it is shown that it is possible to gather statistically relevant data of graphite samples by MLA. Furthermore, the MLA results are validated by quantitative X-ray powder diffraction as well as particle size determinations by laser diffraction and sieve analysis. The third research paper “Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany” deals with the scientific field of geoscience. In this study it is shown that it is possible to obtain a significant body of novel mineralogical information by applying MLA analysis in a region previously regarded as being well-studied. The complex nature and relatively large distribution of the occurring platinum group minerals (PGM) is well illustrated by this contribution. During previous light microscopic studies and infrequent electron microprobe measurements only a handful isolated PGM grains were identified and characterised. In this investigation, using the samples of previous studies, 7 groups of PGM and 6 groups of associated tellurides as well as in total more than 1,300 mineral grains of both mineral groups were identified. Based on the data obtained, important insight regarding mineral associations, mineral paragenesis and the potential genesis of the PGM is obtained. Within this context, the value of MLA studies for petrological research focused on trace minerals is documented. MLA yields results that are both comprehensive and unbiased, thus permitting novel insight into the distribution and characteristics of trace minerals. This, in turn, is immensely useful when developing new concepts on the genesis of trace minerals, but may also give rise to the development of a novel generation of exploration tools, i.e., mineralogical vectors towards exploration akin to currently used geochemical vectors. The present dissertation shows that automated mineralogy by using a Mineral Liberation Analyser is able to deliver a unique combination of quantitative data on mineralogy and several physical attributes that are relevant for ore geology and mineral processing alike. It is in particular the automation and unbiasedness of data, as well as the availability of textural data, size and shape information for particles and mineral grains, as well as mineral association and mineral liberation data that define major advantages of MLA analyses - compared to other analytical methods. Despite the fact that results are obtained only on 2-D polished surfaces, quantitative results obtained compare well/very well to results obtained by other analytical methods. This is attributed mainly due to the fact that a very large and statistically sound number of mineral grains/particles are analysed. Similar advantages are documented when using the MLA as an efficient tool to search for and characterise trace minerals of petrological or economic significance. / Die Forschung die der vorliegenden kumulativen Dissertation (‚Publikationsdissertation‘) zugrunde liegt wurde im Zeitraum 2011-2014 am Lehrstuhl für Lagerstättenlehre und Petrologie des Institutes für Mineralogie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Das primäre Ziel dieser Arbeit war es neue Einsatzmöglichkeiten für die Technik der Automatisierten Mineralogie im Gebiet der Lagerstättenkunde und Geometallurgie zu entwickeln und zu testen. Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Studien stand die analytische Nutzung des Großgerätes „Mineral Liberation Analyser“ (MLA) der Firma FEI Company. Dieses automatisierte System ist ein Bildanalysesystem und basiert auf der Erfassung von Rasterelektronenmikroskopiebildern und energiedispersiver Röntgen-spektroskopie. Mit Hilfe der MLA-Analysetechnik lassen sich sowohl statistisch gesichert quantitative mineralogisch relevante als auch Aufbereitungsprozess-relevante Parameter ermitteln. Die Analysen können sowohl an Locker- und Festgesteinen als auch an Erzen und Produkten der Aufbereitungs- und Recyclingindustrie durchgeführt werden. Infolge einer erstmaligen, breit angelegten und umfassenden Literaturrecherche von mehr als 1.700 Publikationen im Zusammenhang mit allen Arten von automatisierten REM-basierten Bildanalysesystemen konnten verschiedene Trends in der Publikations¬historie beobachtet werden. Publikationen mit Bezug auf die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe führen das Gebiet der Automatisierte Mineralogie-bezogenen Publikationen an. Der Anteil der Aufbereitungs-bezogenen Publikationen an der Gesamtheit der relevanten Publikationen ist jedoch geringer als erwartet und zeigt eine signifikante Abnahme des prozentualen Anteils zwischen den Jahren 2000 und 2014. Letzteres wird durch eine kontinuierliche Einführung neuer Anwendungsbereiche für die automatisierte mineralogische Analyse, wie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie, der Petrologie sowie den Umweltwissenschaften verursacht. Weiterhin wurde die Anzahl der Systeme der Automatisierten Mineralogie über die Zeit sorgfältig bewertet. Es wird gezeigt, dass sich der Markt von vielen einzelnen Entwicklungen in den 1970er und 1980er Jahren, die oft von Forschungsinstituten, wie z. B. CSIRO und JKMRC, oder Universitäten ausgeführt wurden, zu einem Duopol - Intellection Pty Ltd und JKTech MLA - in den 1990er und 2000er Jahren und schließlich seit 2009 zu einem Monopol der FEI Company entwickelte. Allerdings steigt die Anzahl der FEI-Konkurrenten, wie Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments und Robertson CGG, und deren Konkurrenzsysteme seit 2011. Ein Schwerpunkt der drei von Experten begutachteten und in internationalen Fachzeitschriften publizierten Artikel dieser Studie war die Entwicklung eines geeigneten methodischen Ansatzes um die MLA-Technik für neue Materialien und in neuem Kontext zu verwenden. Die erzeugten Daten wurden mit Daten die von etablierten analytischen Techniken gewonnen wurden verglichen, um eine kritische Bewertung und Validierung der entwickelten Methoden zu ermöglichen. Dazu gehören sowohl quantitative mineralogische Analysen als auch Methoden der Partikelcharakterisierung. Der Schwerpunkt der Studie zum ersten Fachartikel „Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas“ liegt im Gebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Er beschreibt die Charakterisierung von Zinnwaldit-Glimmer - einem potentiellen Lithium-Rohstoff - durch die MLA-Technik sowie das Erringen von Mineralverwachsungsdaten für Zinnwaldit und assoziierter Minerale. Dabei wurden zwei unterschiedliche Wege der Probenzerkleinerung des Rohstoffes untersucht. Zum einen erfolgte eine konventionelle Zerkleinerung der Proben mittels Brecher und Mühle, zum anderen eine selektive Zerkleinerung durch Hoch¬spannungsimpulse. Es konnte aufgezeigt werden, dass die automatisierte Rasterelektronen¬mikroskopie-basierte Bildanalyse mittels MLA von silikatischen Rohstoffen Mineral¬informationen von hoher Güte zur Verfügung stellen kann und die Ergebnisse gut vergleichbar mit etablierten analytischen Methoden sind. Zusätzlich liefert die MLA weitere wertvolle Informationen wie zum Beispiel Partikel-/Mineralkorngrößen, Aussagen zum Mineralfreisetzungsgrad sowie Gehalt-Ausbring-Kurven des Wertstoffes. Diese Kombination von quantitativen Daten kann mit keiner anderen analytischen Einzelmethode erreicht werden. Der zweite Fachartikel „Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis“ ist ebenfalls im Fachgebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe angesiedelt. Während dieser Studie wurden Edukte und Produkte der Aufbereitung von Graphit-Erzen untersucht. Der vorliegende Artikel ist der erste in einer internationalen Fachzeitschrift publizierte Beitrag zur Charakterisierung des Industrieminerals Graphit mittels MLA-Technik bzw. einer Analysenmethode der Automatisierten Mineralogie. Mit der Studie konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, auch mit der MLA statistisch relevante Daten von Graphitproben zu erfassen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der MLA-Analysen durch quantitative Röntgenpulverdiffraktometrie sowie Partikelgrößen-bestimmungen durch Laserbeugung und Siebanalyse validiert. Der dritte Fachartikel „Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany“ ist im Gegensatz zu den ersten beiden Artikeln im Gebiet der Geowissenschaften angesiedelt. In dieser Studie wird gezeigt, dass es möglich ist mittels MLA-Analyse eine signifikante Anzahl neuer Daten von einem eigentlich schon gut untersuchten Arbeitsgebiet zu gewinnen. So konnte erst mit der MLA die komplexe Natur und relativ große Verbreitung der auftretenden Platingruppenelement-führenden Minerale (PGM) geklärt werden. Während früherer lichtmikroskopischer Analysen und einzelner Elektronenstrahlmikrosonden-Messungen konnten nur eine Handvoll weniger, isolierter PGM-Körner nachgewiesen und halbquantitativ charakterisiert werden. In der vorliegenden Studie konnten nun, an den von früheren Studien übernommenen Proben, 7 PGM-Gruppen und 6 assoziierte Telluridmineral-Gruppen mit insgesamt mehr als 1.300 Mineralkörnern beider Mineralgruppen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten wurden wichtige Erkenntnisse in Bezug auf Mineralassoziationen, Mineralparagenese und zur möglichen Genese der PGM erreicht. In diesem Zusammenhang wurde der Wert der MLA-Studien für petrologische Forschung mit dem Fokus auf Spurenminerale dokumentiert. Die MLA liefert Ergebnisse, die sowohl umfassend und unvoreingenommen sind, wodurch neue Einblicke in die Verteilung und Charakteristika der Spurenminerale erlaubt werden. Dies wiederum ist ungemein nützlich für die Entwicklung neuer Konzepte zur Genese von Spurenmineralen, kann aber auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Explorationswerkzeugen führen, wie zum Beispiel mineralogische Vektoren zur Rohstofferkundung ähnlich wie derzeit verwendete geochemische Vektoren. Mit der vorliegenden Dissertationsschrift wird aufgezeigt, dass Automatisierte Mineralogie mittels Mineral Liberation Analyser eine einzigartige Kombination an quantitativen Daten zur Mineralogie und verschiedene physikalische Attribute, relevant sowohl für die Lagerstättenforschung als auch für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, liefern kann. Im Vergleich zu anderen etablierten analytischen Methoden sind es insbesondere die Automatisierung und Unvoreingenommenheit der Daten sowie die Verfügbarkeit von Gefügedaten, Größen- und Forminformationen für Partikel und Mineralkörner, Daten zu Mineralassoziationen und Mineralfreisetzungen welche die großen Vorteile der MLA-Analysen definieren. Trotz der Tatsache, dass die Ergebnisse nur von polierten 2-D Oberflächen erhalten werden, lassen sich die quantitativen Ergebnisse gut/sehr gut mit Ergebnissen anderer Analysemethoden vergleichen. Dies kann vor allem der Tatsache zugeschrieben werden, dass eine sehr große und statistisch solide Anzahl von Mineralkörnern/Partikeln analysiert wird. Ähnliche Vorteile sind bei der Verwendung der MLA als effizientes Werkzeug für die Suche und Charakterisierung von Spurenmineralen von petrologischer oder wirtschaftlicher Bedeutung dokumentiert.

With a surface area of about 10,000 km², the Salar de Uyuni is the largest salt flat in the world. It is located at an altitude of 3,653 m on the Altiplano, a high plateau in the south of the Bolivian Andes. The Salar de Uyuni consists of an alternating sequence of highly porous salt layers (mainly composed of halite) and lacustrine clay sediments. The pore volume of the uppermost salt layer which has a thickness of up to 11 m is filled by brine. The brine contains high amounts of Mg, K, Li and B. The element lithium is an especially important raw material for the production of batteries. Thus, it plays an important role for the development of the electric mobility. With this background, extensive hydrogeological exploration activities were carried out at the Salar de Uyuni in the context of this dissertation. The hydraulic properties of the uppermost salt crust and the physical properties (density and viscosity) of the brine must be characterized. In order to do this, several core drillings were made, observation wells were installed, brine samples were taken and pumping tests were conducted between 2009 and 2012. The stratigraphic documentation of the obtained sediment cores provided insights about the deposit structure and the upper salt layer thickness. The determination of the salt core porosity was carried out by three different methods: (a) by using X-ray computed tomography, (b) gravimetrically by saturation with 2-octanol and (c) by completion of the core volume with plasticine and calculation of the porosity under consideration of the particle density of the salt. The laboratory investigations showed a depth-dependent porosity distribution in the upper salt layer. The uppermost 2 m were characterized by very high porosity values between 30 and 39%. However at greater depth, the total porosity decreases on average to 13.5%. Geochemical analyses of brine samples confirmed the general spatial distribution of the lithium concentrations as already published by previous studies. On the basis of the lithium distribution in the brine, the thickness of the upper salt layer and the depth-dependent porosity distribution, the total lithium deposit in the Salar de Uyuni was calculated to be about 7 million tons. The evaluation of the pumping tests under consideration of the density and viscosity of the pumped brine showed that the salt has a very high permeability in the horizontal direction. In contrast, flow-through experiments on drill cores indicated a clear vertical anisotropy of the permeability. This is caused by the inhomogeneous sediment stratification for instance by interbedded fine gypsum or clay lamina. Thus, horizontal brine movements are possible, but a deep vertical flow component can hardly be expected. This assumption is confirmed by radiocarbon dating the brine samples from different salt depths. The influence of annual floods during the rainy season could be observed by long-term brine level measurements. Throughout the time-series analysis, distinct periodic brine fluctuations of a few centimeters per day could be identified during the dry season. These daily fluctuations indicated an impermeable crust probably formed by the evaporation of near-surface brine and subsequent crystallization of salts in the pore volume. Thus, daily temperature and atmospheric pressure changes could directly affect the brine level. Due to the extensive hydrogeological investigations, this dissertation contributes to the essential understanding of the hydraulic conditions in the Salar de Uyuni. / Mit einer Fläche von rund 10.000 km² ist der Salar de Uyuni die größte Salz-Ton-Ebene der Welt. Er befindet sich in einer Höhe von 3653 m NN im Altiplano, einer Hochebene im Süden der bolivianischen Anden. Der Salar de Uyuni besteht aus einer Wechsellagerung von hochporösen Salzschichten (überwiegend aus Halit bestehend) und lakustrinen Tonsedimenten. Die Porenräume der obersten bis zu 11 m mächtigen Salzschicht sind mit einer Sole gefüllt, die hohe Gehalte an Mg, K, Li und B aufweist. Insbesondere das Element Lithium ist ein wichtiger Rohstoff u.a. für die Herstellung von Batterien und spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Elektromobilität. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation umfassende hydrogeologische Erkundungsarbeiten am Salar de Uyuni durchgeführt, um die hydraulischen Eigenschaften der obersten Salzkruste sowie die physikalischen Eigenschaften (Dichte und Viskosität) der Sole zu charakterisieren. Dazu wurden zwischen 2009 und 2012 zahlreiche Kernbohrungen abgeteuft, Beobachtungsbrunnen installiert, Soleproben entnommen und Pumpversuche durchgeführt. Die stratigraphische Dokumentation der gewonnenen Bohrkerne lieferte Erkenntnisse zur Ablagerungsstruktur und zur Mächtigkeitsverteilung der obersten Salzschicht. Die Bestimmung der Porosität der Salzkerne erfolgte mit drei verschiedenen Methoden: (a) mittels Computertomographie, (b) gravimetrisch durch Aufsättigung mit 2-Oktanol und (c) durch Volumenergänzung der Kernproben mit Plastilin und Berechnung der Porosität unter Einbeziehung der Reindichte des Salzes. Die Laboruntersuchungen zeigten eine tiefenabhängige Porositätsverteilung in der obersten Salzschicht. Während die obersten 2 m durch sehr hohe Porositäten zwischen 30 und 39% gekennzeichnet sind, nimmt die Gesamtporosität in größerer Tiefe auf durchschnittlich 13.5% ab. Geochemische Analysen von Soleproben bestätigten die grundsätzliche räumliche Verteilung der Lithium-Konzentrationen, wie sie bereits durch frühere Studien veröffentlicht wurde. Auf Basis der Lithium-Verteilung in der Sole, der Mächtigkeit der oberen Salzschicht sowie der tiefenabhängigen Porositätsverteilung wurde ein Lithium-Vorkommen im Salar de Uyuni von rund 7 Millionen Tonnen berechnet. Die Auswertung der Pumpversuche unter Berücksichtigung der Dichte und Viskosität der geförderten Sole zeigte, dass das Salz eine sehr hohe Permeabilität in horizontaler Richtung aufweist. Allerdings zeigten Durchströmungsversuche an Bohrkernen eine deutliche vertikale Anisotropie der Permeabilität, was auf die inhomogene Sedimentschichtung durch z.B. eingeschaltete feine Gips- oder Tonschichten zurückzuführen ist. Somit sind zwar horizontale Solebewegungen möglich, jedoch ist kaum mit einer tiefgreifenden vertikalen Strömungskomponente in der Salzschicht zu rechnen. Diese Vermutung wird durch 14C-Altersdatierungen von Soleproben aus unterschiedlichen Tiefen des Salzes bestätigt. Der Einfluss der jährlichen Überschwemmungen während der Regenzeit konnte anhand von Langzeitmessungen des Solespiegels beobachtet werden. Im Zuge der Zeitreihen-Analyse zeigten sich zudem ausgeprägte periodische Tageschwankungen von einigen Zentimetern während der Trockenzeit. Diese deuten darauf hin, dass durch Verdunstung oberflächennaher Sole und damit einhergehender Kristallisation von Salzen im Porenraum eine undurchlässige Kruste entsteht. Dadurch haben tägliche Temperatur- und Luftdruckschwankungen direkten Einfluss auf den Solespiegel. Die vorliegende Dissertation trägt aufgrund der umfangreichen hydrogeologischen Untersuchungen wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Verhältnisse im Salar de Uyuni bei. / Con una superficie de aproximadamente 10.000 kilómetros cuadrados el Salar de Uyuni es el mayor lago de sal en el mundo. Se encuentra a una altura de 3.653 m sobre el nivel del mar en el altiplano en el sur de los Andes bolivianos. El Salar de Uyuni consiste en una alternancia de capas de sal altamente porosa (que consiste predominantemente de halita) y lacustre sedimentos de arcilla. La capa superior de sal tiene un espesor de hasta 11 metros. Los espacios de poros del sal se llenan con una salmuera que contiene altos contenidos de Mg, K, Li y B. En particular, el elemento litio constituye una importante materia prima para la producción de baterías que son utilizadas en la construcción de vehículos eléctricos. Bajo estos antecedentes y en el contexto de la presente tesis, se han desarrollado extensas actividades de exploración hidrogeológica en el Salar de Uyuni. Las propiedades hidráulicas de la corteza de sal superior y las propiedades físicas (densidad y viscosidad) de la salmuera debían caracterizadas. Para ello, entre 2009 y 2012 se realizaron varios perforaciones con la finalidad de obtener muestras de núcleos, se instalaron pozos de supervisión, se realizaron pruebas de bombeo y se tomaron muestras de salmuera. La documentación estratigráfica de los núcleos de perforacíon proporciona conocimientos para la estructura de los depósitos y para el espesor del superior capa de sal. La porosidad de los núcleos de sal fue determinada por medio de tres métodos diferentes: (a) por tomografía computarizada (TC), (b) gravimétricamente mediante la saturación con 2-octanol y (c) mediante de compleción del volumen del núcleo con plastilina y computacíon de la porosidad en atención a la densidad real del sal. Las investigaciones de laboratorio demostraron una distribución de la porosidad dependiente de la profundidad en la capa superior de sal. Mientras que la parte superior 2 m se caracterizan por altas porosidades entre el 30 y 39%, la porosidad total decrese en una profundidad mayor a un promedio de 13,5%. Los análisis geoquímicos de muestras de salmuera confirmaron la distribución espacial fundamental de las concentraciones de litio, como ya se ha publicado por estudios anteriores. A base de la distribución de litio en la salmuera, el espesor de la capa superior de sal, y la porosidad dependiente de la profundidad determinaron que todos los recursos minerales de litio en el salar de Uyuni son alrededor de 7 millones de toneladas. La evaluación de las pruebas de bombeo en consideración de la densidad y la viscosidad de la salmuera transmitido mostró que la sal generalmente tiene una permeabilidad muy alta. Pero, las pruebas de flujo en muestras de núcleo mostró una anisotropía significativa de la permeabilidad con la profundidad, que se debe a una estratificación de sedimentos no homogénea debido las láminas finas de yeso o arcilla intercaladas. Por lo tanto, es correcto que los movimientos de salmuera horizontales son posibles, pero es poco probable que movimientos verticales de salmuera ocurran. Esta hipótesis se ve confirmada por la datación por radiocarbono de muestras de salmuera de diferentes profundidades de la sal. El impacto de las inundaciones anuales durante la estación lluviosa se puede observar a partir de las mediciones a largo plazo del nivel de salmuera. En el curso del análisis de series de tiempo también mostraron pronunciadas variaciones diarias periódicas de unos pocos centímetros en la estación seca. Esto sugiere que hay una corteza impermeable que se forma por evaporación de salmuera cerca de la superficie y la cristalización de sales en el espacio de los poros. En esta manera, las fluctuaciones diarias de temperatura y de preción de aire influyen directamente el nivel de salmuera. Gracias a las extensas investigaciones hidrogeológicas realizadas, la presente tesis contribuye significativamente a la comprensión de las condiciones hidráulicas en el Salar de Uyuni.

The underlying research that resulted in this doctoral dissertation was performed at the Division of Economic Geology and Petrology of the Department of Mineralogy, TU Bergakademie Freiberg between 2011 and 2014. It was the primary aim of this thesis to develop and test novel applications for the technology of ‘Automated Mineralogy’ in the field of economic geology and geometallurgy. A “Mineral Liberation Analyser” (MLA) instrument of FEI Company was used to conduct most analytical studies. This automated system is an image analysis system based on scanning electron microscopy (SEM) image acquisition and energy dispersive X-ray spectrometry which can be used to determine both quantitative mineralogical data and mineral processing-relevant parameters. The analyses can be conducted with unconsolidated and solid rocks but also with ores and products of the mineral processing and recycling industry. In consequence of a first-time broadly-based and comprehensive literature review of more than 1,700 publications related to all types of automated SEM-based image analysis systems several trends in the publication chronicle were observed. Publications related to mineral processing lead the field of automated mineralogy-related publications. However, this is with a somewhat smaller proportion than expected and with a significant decrease in share between around 2000 and 2014. The latter is caused by a gradual but continuous introduction of new areas of application for automated mineralogical analysis such as the petroleum industry, petrology or environmental sciences. Furthermore, the quantity of automated mineralogy systems over time was carefully assessed. It is shown that the market developed from many individual developments in the 1970s and 1980s, often conducted from research institutes, e.g., CSIRO and JKMRC, or universities, to a duopoly - Intellection Pty Ltd and JKTech MLA - in the 1990s and 2000s and finally to a monopoly by FEI Company since 2009. However, the number of FEI’s competitors, such as Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments, and Robertson CGG, and their competing systems are increasing since 2011. Particular focus of this study, published in three research articles in peer-reviewed international journals, was the development of suitable methodological approaches to deploy MLA to new materials and in new contexts. Data generated are then compared with data obtained by established analytical techniques to enable critical assessment and validation of the methods developed. These include both quantitative mineralogical analysis as well as methods of particle characterisation. The first scientific paper “Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas” deals with the field of mineral processing and describes the characterisation of lithium-bearing zinnwaldite mica - as potential natural resource for lithium - by MLA as well as the achievement of mineralogical association data for zinnwaldite and associated minerals. Two different approaches were studied to comminute the samples for this work, conventional comminution by crusher as well as high-voltage pulse selective fragmentation. By this study it is shown that the MLA can provide mineral data of high quality from silicate mineral resources and results very comparable to established analytical methods. Furthermore, MLA yields additional relevant information - such as particle and grain sizes as well as liberation and grade-recovery data. This combination of quantitative data cannot be attained with any other single analytical method. The second article “Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis” is also located in the field of mineral processing. This research article is the first published contribution on the characterisation of graphite, an important industrial mineral, by MLA respectively an automated mineralogy-related analytical method. During this study graphite feeds and concentrates were analysed. By this study it is shown that it is possible to gather statistically relevant data of graphite samples by MLA. Furthermore, the MLA results are validated by quantitative X-ray powder diffraction as well as particle size determinations by laser diffraction and sieve analysis. The third research paper “Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany” deals with the scientific field of geoscience. In this study it is shown that it is possible to obtain a significant body of novel mineralogical information by applying MLA analysis in a region previously regarded as being well-studied. The complex nature and relatively large distribution of the occurring platinum group minerals (PGM) is well illustrated by this contribution. During previous light microscopic studies and infrequent electron microprobe measurements only a handful isolated PGM grains were identified and characterised. In this investigation, using the samples of previous studies, 7 groups of PGM and 6 groups of associated tellurides as well as in total more than 1,300 mineral grains of both mineral groups were identified. Based on the data obtained, important insight regarding mineral associations, mineral paragenesis and the potential genesis of the PGM is obtained. Within this context, the value of MLA studies for petrological research focused on trace minerals is documented. MLA yields results that are both comprehensive and unbiased, thus permitting novel insight into the distribution and characteristics of trace minerals. This, in turn, is immensely useful when developing new concepts on the genesis of trace minerals, but may also give rise to the development of a novel generation of exploration tools, i.e., mineralogical vectors towards exploration akin to currently used geochemical vectors. The present dissertation shows that automated mineralogy by using a Mineral Liberation Analyser is able to deliver a unique combination of quantitative data on mineralogy and several physical attributes that are relevant for ore geology and mineral processing alike. It is in particular the automation and unbiasedness of data, as well as the availability of textural data, size and shape information for particles and mineral grains, as well as mineral association and mineral liberation data that define major advantages of MLA analyses - compared to other analytical methods. Despite the fact that results are obtained only on 2-D polished surfaces, quantitative results obtained compare well/very well to results obtained by other analytical methods. This is attributed mainly due to the fact that a very large and statistically sound number of mineral grains/particles are analysed. Similar advantages are documented when using the MLA as an efficient tool to search for and characterise trace minerals of petrological or economic significance. / Die Forschung die der vorliegenden kumulativen Dissertation (‚Publikationsdissertation‘) zugrunde liegt wurde im Zeitraum 2011-2014 am Lehrstuhl für Lagerstättenlehre und Petrologie des Institutes für Mineralogie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt. Das primäre Ziel dieser Arbeit war es neue Einsatzmöglichkeiten für die Technik der Automatisierten Mineralogie im Gebiet der Lagerstättenkunde und Geometallurgie zu entwickeln und zu testen. Im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Studien stand die analytische Nutzung des Großgerätes „Mineral Liberation Analyser“ (MLA) der Firma FEI Company. Dieses automatisierte System ist ein Bildanalysesystem und basiert auf der Erfassung von Rasterelektronenmikroskopiebildern und energiedispersiver Röntgen-spektroskopie. Mit Hilfe der MLA-Analysetechnik lassen sich sowohl statistisch gesichert quantitative mineralogisch relevante als auch Aufbereitungsprozess-relevante Parameter ermitteln. Die Analysen können sowohl an Locker- und Festgesteinen als auch an Erzen und Produkten der Aufbereitungs- und Recyclingindustrie durchgeführt werden. Infolge einer erstmaligen, breit angelegten und umfassenden Literaturrecherche von mehr als 1.700 Publikationen im Zusammenhang mit allen Arten von automatisierten REM-basierten Bildanalysesystemen konnten verschiedene Trends in der Publikations¬historie beobachtet werden. Publikationen mit Bezug auf die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe führen das Gebiet der Automatisierte Mineralogie-bezogenen Publikationen an. Der Anteil der Aufbereitungs-bezogenen Publikationen an der Gesamtheit der relevanten Publikationen ist jedoch geringer als erwartet und zeigt eine signifikante Abnahme des prozentualen Anteils zwischen den Jahren 2000 und 2014. Letzteres wird durch eine kontinuierliche Einführung neuer Anwendungsbereiche für die automatisierte mineralogische Analyse, wie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie, der Petrologie sowie den Umweltwissenschaften verursacht. Weiterhin wurde die Anzahl der Systeme der Automatisierten Mineralogie über die Zeit sorgfältig bewertet. Es wird gezeigt, dass sich der Markt von vielen einzelnen Entwicklungen in den 1970er und 1980er Jahren, die oft von Forschungsinstituten, wie z. B. CSIRO und JKMRC, oder Universitäten ausgeführt wurden, zu einem Duopol - Intellection Pty Ltd und JKTech MLA - in den 1990er und 2000er Jahren und schließlich seit 2009 zu einem Monopol der FEI Company entwickelte. Allerdings steigt die Anzahl der FEI-Konkurrenten, wie Zeiss, TESCAN, Oxford Instruments und Robertson CGG, und deren Konkurrenzsysteme seit 2011. Ein Schwerpunkt der drei von Experten begutachteten und in internationalen Fachzeitschriften publizierten Artikel dieser Studie war die Entwicklung eines geeigneten methodischen Ansatzes um die MLA-Technik für neue Materialien und in neuem Kontext zu verwenden. Die erzeugten Daten wurden mit Daten die von etablierten analytischen Techniken gewonnen wurden verglichen, um eine kritische Bewertung und Validierung der entwickelten Methoden zu ermöglichen. Dazu gehören sowohl quantitative mineralogische Analysen als auch Methoden der Partikelcharakterisierung. Der Schwerpunkt der Studie zum ersten Fachartikel „Use of Mineral Liberation Analysis (MLA) in the Characterization of Lithium-Bearing Micas“ liegt im Gebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe. Er beschreibt die Charakterisierung von Zinnwaldit-Glimmer - einem potentiellen Lithium-Rohstoff - durch die MLA-Technik sowie das Erringen von Mineralverwachsungsdaten für Zinnwaldit und assoziierter Minerale. Dabei wurden zwei unterschiedliche Wege der Probenzerkleinerung des Rohstoffes untersucht. Zum einen erfolgte eine konventionelle Zerkleinerung der Proben mittels Brecher und Mühle, zum anderen eine selektive Zerkleinerung durch Hoch¬spannungsimpulse. Es konnte aufgezeigt werden, dass die automatisierte Rasterelektronen¬mikroskopie-basierte Bildanalyse mittels MLA von silikatischen Rohstoffen Mineral¬informationen von hoher Güte zur Verfügung stellen kann und die Ergebnisse gut vergleichbar mit etablierten analytischen Methoden sind. Zusätzlich liefert die MLA weitere wertvolle Informationen wie zum Beispiel Partikel-/Mineralkorngrößen, Aussagen zum Mineralfreisetzungsgrad sowie Gehalt-Ausbring-Kurven des Wertstoffes. Diese Kombination von quantitativen Daten kann mit keiner anderen analytischen Einzelmethode erreicht werden. Der zweite Fachartikel „Characterisation of graphite by automated mineral liberation analysis“ ist ebenfalls im Fachgebiet der Aufbereitung mineralischer Rohstoffe angesiedelt. Während dieser Studie wurden Edukte und Produkte der Aufbereitung von Graphit-Erzen untersucht. Der vorliegende Artikel ist der erste in einer internationalen Fachzeitschrift publizierte Beitrag zur Charakterisierung des Industrieminerals Graphit mittels MLA-Technik bzw. einer Analysenmethode der Automatisierten Mineralogie. Mit der Studie konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, auch mit der MLA statistisch relevante Daten von Graphitproben zu erfassen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der MLA-Analysen durch quantitative Röntgenpulverdiffraktometrie sowie Partikelgrößen-bestimmungen durch Laserbeugung und Siebanalyse validiert. Der dritte Fachartikel „Nature and distribution of PGE mineralisation in gabbroic rocks of the Lusatian Block, Saxony, Germany“ ist im Gegensatz zu den ersten beiden Artikeln im Gebiet der Geowissenschaften angesiedelt. In dieser Studie wird gezeigt, dass es möglich ist mittels MLA-Analyse eine signifikante Anzahl neuer Daten von einem eigentlich schon gut untersuchten Arbeitsgebiet zu gewinnen. So konnte erst mit der MLA die komplexe Natur und relativ große Verbreitung der auftretenden Platingruppenelement-führenden Minerale (PGM) geklärt werden. Während früherer lichtmikroskopischer Analysen und einzelner Elektronenstrahlmikrosonden-Messungen konnten nur eine Handvoll weniger, isolierter PGM-Körner nachgewiesen und halbquantitativ charakterisiert werden. In der vorliegenden Studie konnten nun, an den von früheren Studien übernommenen Proben, 7 PGM-Gruppen und 6 assoziierte Telluridmineral-Gruppen mit insgesamt mehr als 1.300 Mineralkörnern beider Mineralgruppen nachgewiesen werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten wurden wichtige Erkenntnisse in Bezug auf Mineralassoziationen, Mineralparagenese und zur möglichen Genese der PGM erreicht. In diesem Zusammenhang wurde der Wert der MLA-Studien für petrologische Forschung mit dem Fokus auf Spurenminerale dokumentiert. Die MLA liefert Ergebnisse, die sowohl umfassend und unvoreingenommen sind, wodurch neue Einblicke in die Verteilung und Charakteristika der Spurenminerale erlaubt werden. Dies wiederum ist ungemein nützlich für die Entwicklung neuer Konzepte zur Genese von Spurenmineralen, kann aber auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Explorationswerkzeugen führen, wie zum Beispiel mineralogische Vektoren zur Rohstofferkundung ähnlich wie derzeit verwendete geochemische Vektoren. Mit der vorliegenden Dissertationsschrift wird aufgezeigt, dass Automatisierte Mineralogie mittels Mineral Liberation Analyser eine einzigartige Kombination an quantitativen Daten zur Mineralogie und verschiedene physikalische Attribute, relevant sowohl für die Lagerstättenforschung als auch für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe, liefern kann. Im Vergleich zu anderen etablierten analytischen Methoden sind es insbesondere die Automatisierung und Unvoreingenommenheit der Daten sowie die Verfügbarkeit von Gefügedaten, Größen- und Forminformationen für Partikel und Mineralkörner, Daten zu Mineralassoziationen und Mineralfreisetzungen welche die großen Vorteile der MLA-Analysen definieren. Trotz der Tatsache, dass die Ergebnisse nur von polierten 2-D Oberflächen erhalten werden, lassen sich die quantitativen Ergebnisse gut/sehr gut mit Ergebnissen anderer Analysemethoden vergleichen. Dies kann vor allem der Tatsache zugeschrieben werden, dass eine sehr große und statistisch solide Anzahl von Mineralkörnern/Partikeln analysiert wird. Ähnliche Vorteile sind bei der Verwendung der MLA als effizientes Werkzeug für die Suche und Charakterisierung von Spurenmineralen von petrologischer oder wirtschaftlicher Bedeutung dokumentiert.

Lithium Cesium Tantalum (LCT) pegmatites are important resources for rare metals like Cesium, Lithium or Tantalum, whose demand increased markedly during the past decade. At present, Cs is known to occur in economic quantities only from the two LCT pegmatite deposits at Bikita located in Zimbabwe and Tanco in Canada. Host for this Cs mineralisation is the extreme rare zeolite group mineral pollucite. However, at Bikita and Tanco, pollucite forms huge massive, lensoid shaped and almost monomineralic pollucite mineralisations that occur within the upper portions of the pegmatite. In addition, both pegmatite deposits have a comparable regional geological background as they are hosted within greenstone belts and yield a Neoarchean age of about 2,600 Ma. Furthermore, at present the genesis of these massive pollucite mineralisations was not yet investigated in detail. Major portions of Western Australia consist of Meso- to Neoarchean crustal units (e.g., Yilgarn Craton, Pilbara Craton) that are known to host a large number of LCT pegmatite systems. Among them are the LCT pegmatite deposits Greenbushes (Li, Ta) and Wodgina (Ta, Sn). In addition, small amounts of pollucite were recovered from one single diamond drill core at the Londonderry pegmatite field. Despite that, no systematic investigations and/or exploration studies were conducted for the mode of occurrence of Cs and especially that of pollucite in Western Australia. In the course of the present study nineteen individual pegmatites and pegmatite fields located on the Yilgarn Craton, Pilbara Craton and Kimberley province have been visited and inspected for the occurrence of the Cs mineral pollucite. However, no pollucite could be detected in any of the investigated pegmatites. Four of the inspected LCT-pegmatite systems, namely the Londonderry pegmatite field, the Mount Deans pegmatite field, the Cattlin Creek LCT pegmatite deposit (Yilgarn Craton) and the Wodgina LCT pegmatite deposit (Pilbara Craton) was sampled and investigated in detail. In addition, samples from the Bikita pegmatite field (Zimbabwe Craton) were included into the present study in order to compare the Western Australian pegmatites with a massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatite system. This thesis presents new petrographical, mineralogical, mineralchemical, geochemical, geochronological, fluid inclusion and stable and radiogenic isotope data. The careful interpretation of this data enhances the understanding of the LCT pegmatite systems in Western Australia and Zimbabwe. All of the four investigated LCT pegmatite systems in Western Australia, crop out in similar geological settings, exhibit comparable internal structures, geochemistry and mineralogy to that of the Bikita pegmatite field in Zimbabwe. Furthermore, in all LCT pegmatite systems evidences for late stage hydrothermal processes (e.g., replacement of feldspars) and associated Cs enrichment (e.g., Cs enriched rims on mica, beryl and tourmaline) is documented. With the exception of the Wodgina LCT pegmatite deposit, that yield a Mesoarchean crystallisation age (approx. 2,850 Ma), all other LCT pegmatite systems gave comparable Neoarchean ages of 2,630 Ma to 2,600 Ma. The almost identical ages of the LCT pegmatite systems of the Yilgarn and Zimbabwe cratons suggests, that the process of LCT pegmatite formation at the end of the Neoarchean was active worldwide. Nevertheless, essential distinguishing feature of the Bikita pegmatite field is the presence of massive pollucite mineralisations that resulted from a process that is not part of the general development of LCT pegmatites and is associated with the extreme enrichment of Cs. The new findings of the present study obtained from the Bikita pegmatite field and the Western Australian LCT pegmatite systems significantly improve the knowledge of Cs behaviour in LCT pegmatite systems. Therefore, it is now possible to suggest a genetical model for the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. LCT pegmatites are generally granitic in composition and are interpreted to represent highly fractionated and geochemically specialised derivates from granitic melts. Massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatites evolve from large and voluminous pegmatite melts that intrude as single body along structures within an extensional tectonic setting. After emplacement, initial crystallisation will develop the border and wall zone of the pegmatites, while due to fractionated crystallisation immobile elements (i.e., Cs, Rb) become enriched within the remaining melt and associated hydrothermal fluids. Following this initial crystallisation, a relatively small portion (0.5–1 vol.%) of immiscible melt or fluid will separate during cooling. This immiscible partial melt/fluid is enriched in Al2O3 and Na2O, as well as depleted in SiO2 and will crystallise as analcime. In addition, this melt might allready contains up to 1–2 wt.% Cs2O. However, due to the effects of fluxing components (e.g., H2O, F, B) this analcime melt becomes undercooled which prevents crystallisation of the analcime as intergranular grains. Since this analcime melt exhibits a lower relative gravity when compared to the remaining pegmatite melt the less dense analcime melt will start to ascent gravitationally and accumulate within the upper portion of the pegmatite sheet. At the same time, the remaining melt will start to crystallise separately and form the inner portions of the pegmatite. This crystallisation is characterised by still ongoing fractionation and enrichment of incompatible elements (i.e., Cs, Rb) within the last crystallising minerals (e.g., lepidolite) or concentration of these incompatible elements within exsolving hydrothermal fluids. As analcime and pollucite form a continuous solid solution series, the analcime melt is able to incorporate any available Cs from the melt and/or associated hydrothermal fluids and crystallise as Cs-analcime in the upper portion of the pegmatite sheet. Continuing hydrothermal activity and ongoing substitution of Cs will then start to shift the composition from Cs-analcime composition towards Na-pollucite composition. In addition, if analcime is cooled below 400 °C it is subjected to a negative thermal expansion of about 1 vol.%. This contraction results in the formation of a prominent network of cracks that is filled by late stage minerals (e.g., lepidolite, quartz, feldspar and petalite). Certainly, prior to filling, this network of cracks enhances the available conduits for late stage hydrothermal fluids and the Cs substitution mechanism within the massive pollucite mineralisation. Furthermore, during cooling of the pegmatite, prominent late stage mineral replacement reactions (e.g., replacement of K-feldspar by lepidolite, cleavelandite, and quartz) as well as subsolidus self organisation processes in feldspars take place. These processes are suggested to release additional incompatible elements (e.g., Cs, Rb) into late stage hydrothermal fluids. As feldspar forms large portions of pegmatite a considerable amount of Cs is released and transported via the hydrothermal fluids towards the massive pollucite mineralisation in the upper portion of the pegmatite. Consequently, the initial analcime can accumulate enough Cs in order to shift its composition from the Cs-analcime member (>2 wt.% Cs2O) towards the Na-pollucite member (23–43 wt.% Cs2O) of the solid solution series. The timing of this late stage Cs enrichment is interpreted to be quasi contemporaneous or immediately after the complete crystallisation of the pegmatite melt. However, much younger hydrothermal events that overprint the pegmatite are also interpreted to cause similar results. Hence, it has been demonstrated that the combination of this magmatic and hydrothermal processes is capable to generate an extreme enrichment in Cs in order to explain the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. This genetic model can now be applied to evaluate the potential for occurrences of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems in Western Australia and worldwide. / Lithium-Caesium-Tantal-(LCT) Pegmatite repräsentieren eine bedeutende Quelle für seltene Metalle, deren Bedarf im letzten Jahrzehnt beträchtlich angestiegen ist. Im Falle von Caesium sind zurzeit weltweit nur zwei LCT-Pegmatitlagerstätten bekannt, die abbauwürdige Vorräte an Cs enthalten. Dies sind die LCT-Pegmatitlagerstätten Bikita in Simbabwe und Tanco in Kanada. Das Wirtsmineral für diese Cs-Mineralisation ist das extrem selten auftretende Zeolith-Gruppen-Mineral Pollucit. In den Lagerstätten Bikita und Tanco bildet Pollucit dagegen massive, linsenförmige und fast monomineralische Pollucitmineralisationen, die in den oberen Bereichen der Pegmatitkörper anstehen. Zusätzlich befinden sich beide Lagerstätten in geologisch vergleichbaren Einheiten. Die Nebengesteine sind Grünsteingürtel die ein neoarchaisches Alter von ca. 2,600 Ma aufweisen. Die Bildung derartiger massiver Pollucitmineralisationen ist bis jetzt noch nicht detailliert untersucht worden. Große Bereiche von Westaustralien werden von meso- bis neoarchaischen Krusteneinheiten (z.B. Yilgarn Kraton, Pilbara Kraton) aufgebaut, von denen auch eine große Anzahl an LCT-Pegmatitsystemen bekannt sind. Darunter befinden sich unter anderem die LCT-Pegmatitlagerstätten Greenbushes (Li, Ta) und Wodgina (Ta, Sn). Zusätzlich wurden kleine Mengen an Pollucit in einer einzigen Kernbohrung im Londonderry Pegmatitfeld angetroffen. Ungeachtet dessen, wurden in Westaustralien bis jetzt keine systematischen Untersuchungen und/oder Explorationskampagnen auf Vorkommen von Cs und speziell der von Pollucit durchgeführt. Im Verlauf dieser Studie wurden insgesamt neunzehn verschiedene Pegmatitvorkommen und Pegmatitfelder des Yilgarn Kratons, Pilbara Kratons und der Kimberley Provinz auf das Vorkommen des Minerals Pollucit untersucht. Allerdings konnte in keinem der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen Pollucit nachgewiesen werden. Von vier der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen, dem Londonderry Pegmatitfeld, dem Mount Deans Pegmatitfeld, der Cattlin Creek LCT-Pegmatitlagerstätte (Yilgarn Kraton) und der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte (Pilbara Kraton) wurden detailliert Proben entnommen und weitergehend untersucht. Zusätzlich wurden die massiven Pollucitmineralisationen im Bikita Pegmatitfeld beprobt und in die detailierten Untersuchungen einbezogen. Der Probensatz aus dem Bikita Pegmatitfeld dient als Referenzmaterial mit dem die Pegmatitproben aus Westaustralien verglichen werden. Die vorliegende Arbeit fasst die wesentlichen Ergebnisse der petrographischen, mineralogischen, mineralchemischen, geochemischen und geochronologischen Untersuchungen sowie der Flüssigkeitseinschlussuntersuchungen und stabilen und radiogenen Isotopenzusammensetzungen zusammen. Alle vier der in Westaustralien untersuchten LCT-Pegmatitsysteme kommen in geologisch ähnlichen Rahmengesteinen vor, weisen einen vergleichbaren internen Aufbau, geochemische Zusammensetzung und Mineralogie zu dem des Bikita Pegmatitfeldes in Simbabwe auf. Weiterhin konnten in allen LCT-Pegmatitsystemen Hinweise für späte hydrothermale Prozesse (z.B. Verdrängung von Feldspat) nachgewiesen werden, die einhergehend mit einer Anreicherung von Cs verbunden sind (z.B. Cs-angereicherte Säume um Glimmer, Beryll und Turmalin). Mit der Ausnahme der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte, in der ein mesoarchaisches Kristallisationsalter (ca. 2,850 Ma) nachgewiesen wurde, lieferten die Altersdatierungen in den anderen LCT-Pegmatitsystemen übereinstimmende neoarchaische Alter von 2,630 Ma bis 2,600 Ma. Diese fast identischen Alter der LCT-Pegmatitsysteme des Yilgarn und Zimbabwe Kratons suggerieren, dass die Prozesse, die zur LCT-Pegmatitbildung am Ende des Neoarchaikums führten, weltweit aktiv waren. Ungeachtet dessen stellt das Vorhandensein von massiver Pollucitmineralisation das Alleinstellungsmerkmal des Bikita Pegmatitfeldes dar, welche sich infolge eines Prozesses gebildet haben der nicht Bestandteil der üblichen LCT-Pegmatitentwicklung ist und sich durch eine extreme Anreicherung an Cs unterscheidet. Die neuen Ergebnisse die in dieser Studie von den Bikita Pegmatitfeld und den Westaustralischen LCT-Pegmatitsystemen gewonnen wurden, verbessern das Verständnis des Verhaltens von Cs in LCT-Pegmatitsystemen deutlich. Somit ist es nun möglich, ein genetisches Modell für die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen vorzustellen. LCT-Pegmatite weisen im Allgemeinen eine granitische Zusammensetzung auf und werden als Kristallisat von hoch fraktionierten und geochemisch spezialisierten granitischen Restschmelzen interpretiert. Die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen ist nur aus großen und voluminösen Pegmatitschmelzen, die als einzelner Körper entlang von Störungen in extensionalen Stressregimen intrudieren möglich. Nach Platznahme der Schmelze bildet die beginnende Kristallisation zunächst die Kontakt- und Randzone des Pegmatits, wobei infolge von fraktionierter Kristallisation die immobilen Elemente (v.a. Cs, Rb) in der verbleibenden Restschmelze angereichert werden. Im Anschluss an diese erste Kristallisation entmischt sich nach Abkühlung eine sehr kleine Menge (0.5–1 vol.%) Schmelze und/oder Fluid von der Restschmelze. Diese nicht mischbare Teilschmelze/-fluid ist angereichert an Al2O3 und Na2O sowie verarmt an SiO2 und kristallisiert als Analcim. Zusätzlich kann diese Schmelze bereits mit 1–2 wt.% Cs2O angereichert sein. Aufgrund der Auswirkung von Flussmitteln (z.B. H2O, F, B) wird allerdings der Schmelzpunkt dieser Analcimschmelze herabgesetzt und so die Kristallisation des Analcims als intergranulare Körner verhindert. Da diese Analcimschmelze im Vergleich zu der restlichen Schmelze eine geringere relative Dichte besitzt, beginnt sie gravitativ aufzusteigen und sich in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers zu akkumulieren. Währenddessen beginnt die restliche Schmelze separat zu kristallisieren und die inneren Bereiche des Pegmatits zu bilden. Diese Kristallisation ist einhergehend mit fortschreitender Fraktionierung und der Anreicherung von inkompatiblen Elementen (v.a. Cs, Rb) in den sich als letztes bildenden Mineralphasen (z.B. Lepidolit) oder der Konzentration der inkompatiblen Element in die sich entmischenden hydrothermalen Fluiden. Da Analcim und Pollucit eine lückenlose Mischungsreihe bilden, ist die Analcimschmelze in der Lage, alles verfügbare Cs von der Restschmelze und/oder assoziierten hydrothermalen Fluiden an sich zu binden und als Cs-Analcim im oberen Bereich des Pegmatitkörpers zu kristallisieren. Fortschreitende hydrothermale Aktivität und Substitution von Cs verschiebt dann die Zusammensetzung des Analcims von der Cs-Analcim- zu Na-Pollucitzusammensetzung. Zusätzlich erfährt der Analcim bei Abkühlung unter 400 °C eine negative thermische Expansion von ca. 1 vol.%. Diese Kontraktion führt zu der Bildung des markanten Rissnetzwerkes das durch späte Mineralphasen (z.B. Lepidolit, Quarz, Feldspat und Petalit) gefüllt wird. Vor der Mineralisation allerdings, erhöht dieses Netzwerk an Rissen die verfügbaren Wegsamkeiten für die späten hydrothermalen Fluide und begünstigt somit den Cs-Substitutionsmechanismus in der massiven Pollucitmineralisation. Weiterhin kommt es bei der Abkühlung des Pegmatits zu späten Mineralverdrängungsreaktionen (z.B. Verdrängung von K-Feldspat durch Lepidolit, Cleavelandit und Quarz), sowie zu Subsolidus-Selbstordnungsprozessen in Feldspäten. Diese Prozesse werden weiterhin interpretiert inkompatible Elemente (z.B. Cs, Rb) in die späten hydrothermalen Fluide freizusetzen. Da Feldspäte große Teile der Pegmatite bilden, kann somit eine beträchtliche Menge an Cs freigeben werden und durch die späten hydrothermalen Fluide in die massive Pollucitmineralisation in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers transportiert werden. Infolgedessen ist es möglich, dass genügend Cs frei gesetzt werden kann, um die Zusammensetzung innerhalb der Mischkristallreihe von Cs-Analcim (>2 wt.% Cs2O) zu Na-Pollucit (23–43 wt.% Cs2O) zu verschieben. Die zeitliche Einordnung dieser späten Cs-Anreicherung wird als quasi zeitgleich oder im direkten Anschluss an die vollständige Kristallisation der Pegmatitschmelze interpretiert. Es kann allerdings nicht vernachlässigt werden, dass auch jüngere hydrothermale Ereignisse, die den Pegmatitkörper nachträglich überprägen, ähnliche hydrothermale Prozesse hervorrufen können. Somit konnte gezeigt werden, dass es durch Kombination dieser magmatischen und hydrothermalen Prozessen möglich ist, genügend Cs anzureichern, um die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen zu ermöglichen. Dieses genetische Modell kann nun dazu genutzt werden, um das Potential von Vorkommen von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen in Westaustralien und weltweit besser einzuschätzen.

Lithium Cesium Tantalum (LCT) pegmatites are important resources for rare metals like Cesium, Lithium or Tantalum, whose demand increased markedly during the past decade. At present, Cs is known to occur in economic quantities only from the two LCT pegmatite deposits at Bikita located in Zimbabwe and Tanco in Canada. Host for this Cs mineralisation is the extreme rare zeolite group mineral pollucite. However, at Bikita and Tanco, pollucite forms huge massive, lensoid shaped and almost monomineralic pollucite mineralisations that occur within the upper portions of the pegmatite. In addition, both pegmatite deposits have a comparable regional geological background as they are hosted within greenstone belts and yield a Neoarchean age of about 2,600 Ma. Furthermore, at present the genesis of these massive pollucite mineralisations was not yet investigated in detail. Major portions of Western Australia consist of Meso- to Neoarchean crustal units (e.g., Yilgarn Craton, Pilbara Craton) that are known to host a large number of LCT pegmatite systems. Among them are the LCT pegmatite deposits Greenbushes (Li, Ta) and Wodgina (Ta, Sn). In addition, small amounts of pollucite were recovered from one single diamond drill core at the Londonderry pegmatite field. Despite that, no systematic investigations and/or exploration studies were conducted for the mode of occurrence of Cs and especially that of pollucite in Western Australia. In the course of the present study nineteen individual pegmatites and pegmatite fields located on the Yilgarn Craton, Pilbara Craton and Kimberley province have been visited and inspected for the occurrence of the Cs mineral pollucite. However, no pollucite could be detected in any of the investigated pegmatites. Four of the inspected LCT-pegmatite systems, namely the Londonderry pegmatite field, the Mount Deans pegmatite field, the Cattlin Creek LCT pegmatite deposit (Yilgarn Craton) and the Wodgina LCT pegmatite deposit (Pilbara Craton) was sampled and investigated in detail. In addition, samples from the Bikita pegmatite field (Zimbabwe Craton) were included into the present study in order to compare the Western Australian pegmatites with a massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatite system. This thesis presents new petrographical, mineralogical, mineralchemical, geochemical, geochronological, fluid inclusion and stable and radiogenic isotope data. The careful interpretation of this data enhances the understanding of the LCT pegmatite systems in Western Australia and Zimbabwe. All of the four investigated LCT pegmatite systems in Western Australia, crop out in similar geological settings, exhibit comparable internal structures, geochemistry and mineralogy to that of the Bikita pegmatite field in Zimbabwe. Furthermore, in all LCT pegmatite systems evidences for late stage hydrothermal processes (e.g., replacement of feldspars) and associated Cs enrichment (e.g., Cs enriched rims on mica, beryl and tourmaline) is documented. With the exception of the Wodgina LCT pegmatite deposit, that yield a Mesoarchean crystallisation age (approx. 2,850 Ma), all other LCT pegmatite systems gave comparable Neoarchean ages of 2,630 Ma to 2,600 Ma. The almost identical ages of the LCT pegmatite systems of the Yilgarn and Zimbabwe cratons suggests, that the process of LCT pegmatite formation at the end of the Neoarchean was active worldwide. Nevertheless, essential distinguishing feature of the Bikita pegmatite field is the presence of massive pollucite mineralisations that resulted from a process that is not part of the general development of LCT pegmatites and is associated with the extreme enrichment of Cs. The new findings of the present study obtained from the Bikita pegmatite field and the Western Australian LCT pegmatite systems significantly improve the knowledge of Cs behaviour in LCT pegmatite systems. Therefore, it is now possible to suggest a genetical model for the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. LCT pegmatites are generally granitic in composition and are interpreted to represent highly fractionated and geochemically specialised derivates from granitic melts. Massive pollucite mineralisation bearing LCT pegmatites evolve from large and voluminous pegmatite melts that intrude as single body along structures within an extensional tectonic setting. After emplacement, initial crystallisation will develop the border and wall zone of the pegmatites, while due to fractionated crystallisation immobile elements (i.e., Cs, Rb) become enriched within the remaining melt and associated hydrothermal fluids. Following this initial crystallisation, a relatively small portion (0.5–1 vol.%) of immiscible melt or fluid will separate during cooling. This immiscible partial melt/fluid is enriched in Al2O3 and Na2O, as well as depleted in SiO2 and will crystallise as analcime. In addition, this melt might allready contains up to 1–2 wt.% Cs2O. However, due to the effects of fluxing components (e.g., H2O, F, B) this analcime melt becomes undercooled which prevents crystallisation of the analcime as intergranular grains. Since this analcime melt exhibits a lower relative gravity when compared to the remaining pegmatite melt the less dense analcime melt will start to ascent gravitationally and accumulate within the upper portion of the pegmatite sheet. At the same time, the remaining melt will start to crystallise separately and form the inner portions of the pegmatite. This crystallisation is characterised by still ongoing fractionation and enrichment of incompatible elements (i.e., Cs, Rb) within the last crystallising minerals (e.g., lepidolite) or concentration of these incompatible elements within exsolving hydrothermal fluids. As analcime and pollucite form a continuous solid solution series, the analcime melt is able to incorporate any available Cs from the melt and/or associated hydrothermal fluids and crystallise as Cs-analcime in the upper portion of the pegmatite sheet. Continuing hydrothermal activity and ongoing substitution of Cs will then start to shift the composition from Cs-analcime composition towards Na-pollucite composition. In addition, if analcime is cooled below 400 °C it is subjected to a negative thermal expansion of about 1 vol.%. This contraction results in the formation of a prominent network of cracks that is filled by late stage minerals (e.g., lepidolite, quartz, feldspar and petalite). Certainly, prior to filling, this network of cracks enhances the available conduits for late stage hydrothermal fluids and the Cs substitution mechanism within the massive pollucite mineralisation. Furthermore, during cooling of the pegmatite, prominent late stage mineral replacement reactions (e.g., replacement of K-feldspar by lepidolite, cleavelandite, and quartz) as well as subsolidus self organisation processes in feldspars take place. These processes are suggested to release additional incompatible elements (e.g., Cs, Rb) into late stage hydrothermal fluids. As feldspar forms large portions of pegmatite a considerable amount of Cs is released and transported via the hydrothermal fluids towards the massive pollucite mineralisation in the upper portion of the pegmatite. Consequently, the initial analcime can accumulate enough Cs in order to shift its composition from the Cs-analcime member (>2 wt.% Cs2O) towards the Na-pollucite member (23–43 wt.% Cs2O) of the solid solution series. The timing of this late stage Cs enrichment is interpreted to be quasi contemporaneous or immediately after the complete crystallisation of the pegmatite melt. However, much younger hydrothermal events that overprint the pegmatite are also interpreted to cause similar results. Hence, it has been demonstrated that the combination of this magmatic and hydrothermal processes is capable to generate an extreme enrichment in Cs in order to explain the formation of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems. This genetic model can now be applied to evaluate the potential for occurrences of massive pollucite mineralisations within LCT pegmatite systems in Western Australia and worldwide.:Contents Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Versicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 1. Introduction 1 1.1. Motivation and Scope of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Fundamentals 7 2.1. The Alkali Metal Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1. Distribution of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2. Mineralogy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3. Geochemical Behaviour of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4. Economy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Pollucite – (Cs,Na)2Al2Si4O12×H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2. Analcime–Pollucite–Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Formation of Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.4. Pollucite Occurences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3. Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. General Characteristics of Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2. Controls on Pegmatite Formation and Evolution . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.3. Pegmatite Age Distribution and Continental Crust Formation . . . . . . 43 3. Geological Settings of Archean Cratons 47 3.1. Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1. Tectonostratigraphic Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2. Tectonometamorphic Evolution of the Northern Limpopo Thrust Zone . 49 3.1.3. Pegmatites within the Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.4. Masvingo Greenstone Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.5. Geological Setting of the Bikita Pegmatite District . . . . . . . . . . . . 58 3.2. Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 62 3.2.2. Tectonic Models for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3. Pegmatites within the Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2.4. Geological setting of the Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . 76 3.2.5. Geological Setting of the Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . 85 3.2.6. Geological Setting of the Cattlin Creek Pegmatite Deposit . . . . . . . . 91 3.3. Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 99 3.3.2. Tectonic Model for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.3. Pegmatites within the Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3.4. Geological Setting of the Wodgina Pegmatite District . . . . . . . . . . 106 4. Fieldwork and Sampling of Selected Pegmatites and Pegmatite Fields 115 4.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.1. Londonderry Feldspar Quarry Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.2. Lepidolite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.3. Tantalite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.1. Type I – Flat Lying Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.2. Type II – Steeply Dipping Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5. Wodgina LCT-Pegmatite Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.5.1. Mount Tinstone Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.5.2. Mount Cassiterite Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5. Petrography and Mineralogy 139 5.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 141 5.2. Mineralogical and Petrographical Characteristics of Individual Mineral Groups . 141 5.2.1. Feldspar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.2. Quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2.3. Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.4. Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2.5. Petalite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.6. Spodumene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.7. Beryl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.2.8. Tourmaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.2.9. Apatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.2.10. Ta-, Nb- and Sn-oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3. Reconstruction of the General Crystallisation Sequence . . . . . . . . . . . . . 162 6. Geochemistry 165 6.1. Major Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.2. Selected Minor and Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3. Fractionation Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.4. Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7. Geochronology 193 7.1. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1.2. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.3. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.2.1. Monazite Ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.3. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 203 7.3.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8. Fluid Inclusion Study 211 8.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.3. Carbon Isotope Analysis on Fluid Inclusion Gas of Selected Mineral Phases . . 212 9. Stable and Radiogenic Isotopes 217 9.1. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1.1. New Whole Rock Sm/Nd Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.2. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 220 9.2.1. New Lithium Isotope Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.Discussion 227 10.1. Regional Geological and Tectonomagmatic Development . . . . . . . . . . . . 227 10.1.1. Constraints from Field Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.1.2. Petrographical and Mineralogical Constraints . . . . . . . . . . . . . . 229 10.1.3. Geochemical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.1.4. Isotopic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 10.1.5. Constraints from Fluid Inclusion Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.1.6. Geochronological Constrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.2. Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 10.2.1. Unique Characteristics of Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . 243 10.2.2. New Concepts for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations . . 252 10.3. Genetic Model for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations within LCT Pegmatite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 11.Summary and Conclusions 267 References 273 Lists of Abbreviations 309 General Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Mineral Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 List of Figures 311 List of Tables 315 Appendix 317 A. Legend for Topographic Maps 319 B. Sample List 323 C. Methodology 331 C.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 331 C.2. Geochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 C.3. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.4. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.5. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 336 C.6. Fluid Inclusion Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 C.7. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 C.8. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 338 D. Data – Mineral Liberation Analysis 341 E. Data – Geochemistry 345 F. Data – Geochronology 349 G. Data – Stable and Radiogenic Isotopes 353 / Lithium-Caesium-Tantal-(LCT) Pegmatite repräsentieren eine bedeutende Quelle für seltene Metalle, deren Bedarf im letzten Jahrzehnt beträchtlich angestiegen ist. Im Falle von Caesium sind zurzeit weltweit nur zwei LCT-Pegmatitlagerstätten bekannt, die abbauwürdige Vorräte an Cs enthalten. Dies sind die LCT-Pegmatitlagerstätten Bikita in Simbabwe und Tanco in Kanada. Das Wirtsmineral für diese Cs-Mineralisation ist das extrem selten auftretende Zeolith-Gruppen-Mineral Pollucit. In den Lagerstätten Bikita und Tanco bildet Pollucit dagegen massive, linsenförmige und fast monomineralische Pollucitmineralisationen, die in den oberen Bereichen der Pegmatitkörper anstehen. Zusätzlich befinden sich beide Lagerstätten in geologisch vergleichbaren Einheiten. Die Nebengesteine sind Grünsteingürtel die ein neoarchaisches Alter von ca. 2,600 Ma aufweisen. Die Bildung derartiger massiver Pollucitmineralisationen ist bis jetzt noch nicht detailliert untersucht worden. Große Bereiche von Westaustralien werden von meso- bis neoarchaischen Krusteneinheiten (z.B. Yilgarn Kraton, Pilbara Kraton) aufgebaut, von denen auch eine große Anzahl an LCT-Pegmatitsystemen bekannt sind. Darunter befinden sich unter anderem die LCT-Pegmatitlagerstätten Greenbushes (Li, Ta) und Wodgina (Ta, Sn). Zusätzlich wurden kleine Mengen an Pollucit in einer einzigen Kernbohrung im Londonderry Pegmatitfeld angetroffen. Ungeachtet dessen, wurden in Westaustralien bis jetzt keine systematischen Untersuchungen und/oder Explorationskampagnen auf Vorkommen von Cs und speziell der von Pollucit durchgeführt. Im Verlauf dieser Studie wurden insgesamt neunzehn verschiedene Pegmatitvorkommen und Pegmatitfelder des Yilgarn Kratons, Pilbara Kratons und der Kimberley Provinz auf das Vorkommen des Minerals Pollucit untersucht. Allerdings konnte in keinem der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen Pollucit nachgewiesen werden. Von vier der untersuchten LCT-Pegmatitsystemen, dem Londonderry Pegmatitfeld, dem Mount Deans Pegmatitfeld, der Cattlin Creek LCT-Pegmatitlagerstätte (Yilgarn Kraton) und der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte (Pilbara Kraton) wurden detailliert Proben entnommen und weitergehend untersucht. Zusätzlich wurden die massiven Pollucitmineralisationen im Bikita Pegmatitfeld beprobt und in die detailierten Untersuchungen einbezogen. Der Probensatz aus dem Bikita Pegmatitfeld dient als Referenzmaterial mit dem die Pegmatitproben aus Westaustralien verglichen werden. Die vorliegende Arbeit fasst die wesentlichen Ergebnisse der petrographischen, mineralogischen, mineralchemischen, geochemischen und geochronologischen Untersuchungen sowie der Flüssigkeitseinschlussuntersuchungen und stabilen und radiogenen Isotopenzusammensetzungen zusammen. Alle vier der in Westaustralien untersuchten LCT-Pegmatitsysteme kommen in geologisch ähnlichen Rahmengesteinen vor, weisen einen vergleichbaren internen Aufbau, geochemische Zusammensetzung und Mineralogie zu dem des Bikita Pegmatitfeldes in Simbabwe auf. Weiterhin konnten in allen LCT-Pegmatitsystemen Hinweise für späte hydrothermale Prozesse (z.B. Verdrängung von Feldspat) nachgewiesen werden, die einhergehend mit einer Anreicherung von Cs verbunden sind (z.B. Cs-angereicherte Säume um Glimmer, Beryll und Turmalin). Mit der Ausnahme der Wodgina LCT-Pegmatitlagerstätte, in der ein mesoarchaisches Kristallisationsalter (ca. 2,850 Ma) nachgewiesen wurde, lieferten die Altersdatierungen in den anderen LCT-Pegmatitsystemen übereinstimmende neoarchaische Alter von 2,630 Ma bis 2,600 Ma. Diese fast identischen Alter der LCT-Pegmatitsysteme des Yilgarn und Zimbabwe Kratons suggerieren, dass die Prozesse, die zur LCT-Pegmatitbildung am Ende des Neoarchaikums führten, weltweit aktiv waren. Ungeachtet dessen stellt das Vorhandensein von massiver Pollucitmineralisation das Alleinstellungsmerkmal des Bikita Pegmatitfeldes dar, welche sich infolge eines Prozesses gebildet haben der nicht Bestandteil der üblichen LCT-Pegmatitentwicklung ist und sich durch eine extreme Anreicherung an Cs unterscheidet. Die neuen Ergebnisse die in dieser Studie von den Bikita Pegmatitfeld und den Westaustralischen LCT-Pegmatitsystemen gewonnen wurden, verbessern das Verständnis des Verhaltens von Cs in LCT-Pegmatitsystemen deutlich. Somit ist es nun möglich, ein genetisches Modell für die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen vorzustellen. LCT-Pegmatite weisen im Allgemeinen eine granitische Zusammensetzung auf und werden als Kristallisat von hoch fraktionierten und geochemisch spezialisierten granitischen Restschmelzen interpretiert. Die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen ist nur aus großen und voluminösen Pegmatitschmelzen, die als einzelner Körper entlang von Störungen in extensionalen Stressregimen intrudieren möglich. Nach Platznahme der Schmelze bildet die beginnende Kristallisation zunächst die Kontakt- und Randzone des Pegmatits, wobei infolge von fraktionierter Kristallisation die immobilen Elemente (v.a. Cs, Rb) in der verbleibenden Restschmelze angereichert werden. Im Anschluss an diese erste Kristallisation entmischt sich nach Abkühlung eine sehr kleine Menge (0.5–1 vol.%) Schmelze und/oder Fluid von der Restschmelze. Diese nicht mischbare Teilschmelze/-fluid ist angereichert an Al2O3 und Na2O sowie verarmt an SiO2 und kristallisiert als Analcim. Zusätzlich kann diese Schmelze bereits mit 1–2 wt.% Cs2O angereichert sein. Aufgrund der Auswirkung von Flussmitteln (z.B. H2O, F, B) wird allerdings der Schmelzpunkt dieser Analcimschmelze herabgesetzt und so die Kristallisation des Analcims als intergranulare Körner verhindert. Da diese Analcimschmelze im Vergleich zu der restlichen Schmelze eine geringere relative Dichte besitzt, beginnt sie gravitativ aufzusteigen und sich in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers zu akkumulieren. Währenddessen beginnt die restliche Schmelze separat zu kristallisieren und die inneren Bereiche des Pegmatits zu bilden. Diese Kristallisation ist einhergehend mit fortschreitender Fraktionierung und der Anreicherung von inkompatiblen Elementen (v.a. Cs, Rb) in den sich als letztes bildenden Mineralphasen (z.B. Lepidolit) oder der Konzentration der inkompatiblen Element in die sich entmischenden hydrothermalen Fluiden. Da Analcim und Pollucit eine lückenlose Mischungsreihe bilden, ist die Analcimschmelze in der Lage, alles verfügbare Cs von der Restschmelze und/oder assoziierten hydrothermalen Fluiden an sich zu binden und als Cs-Analcim im oberen Bereich des Pegmatitkörpers zu kristallisieren. Fortschreitende hydrothermale Aktivität und Substitution von Cs verschiebt dann die Zusammensetzung des Analcims von der Cs-Analcim- zu Na-Pollucitzusammensetzung. Zusätzlich erfährt der Analcim bei Abkühlung unter 400 °C eine negative thermische Expansion von ca. 1 vol.%. Diese Kontraktion führt zu der Bildung des markanten Rissnetzwerkes das durch späte Mineralphasen (z.B. Lepidolit, Quarz, Feldspat und Petalit) gefüllt wird. Vor der Mineralisation allerdings, erhöht dieses Netzwerk an Rissen die verfügbaren Wegsamkeiten für die späten hydrothermalen Fluide und begünstigt somit den Cs-Substitutionsmechanismus in der massiven Pollucitmineralisation. Weiterhin kommt es bei der Abkühlung des Pegmatits zu späten Mineralverdrängungsreaktionen (z.B. Verdrängung von K-Feldspat durch Lepidolit, Cleavelandit und Quarz), sowie zu Subsolidus-Selbstordnungsprozessen in Feldspäten. Diese Prozesse werden weiterhin interpretiert inkompatible Elemente (z.B. Cs, Rb) in die späten hydrothermalen Fluide freizusetzen. Da Feldspäte große Teile der Pegmatite bilden, kann somit eine beträchtliche Menge an Cs freigeben werden und durch die späten hydrothermalen Fluide in die massive Pollucitmineralisation in den oberen Bereichen des Pegmatitkörpers transportiert werden. Infolgedessen ist es möglich, dass genügend Cs frei gesetzt werden kann, um die Zusammensetzung innerhalb der Mischkristallreihe von Cs-Analcim (>2 wt.% Cs2O) zu Na-Pollucit (23–43 wt.% Cs2O) zu verschieben. Die zeitliche Einordnung dieser späten Cs-Anreicherung wird als quasi zeitgleich oder im direkten Anschluss an die vollständige Kristallisation der Pegmatitschmelze interpretiert. Es kann allerdings nicht vernachlässigt werden, dass auch jüngere hydrothermale Ereignisse, die den Pegmatitkörper nachträglich überprägen, ähnliche hydrothermale Prozesse hervorrufen können. Somit konnte gezeigt werden, dass es durch Kombination dieser magmatischen und hydrothermalen Prozessen möglich ist, genügend Cs anzureichern, um die Bildung von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen zu ermöglichen. Dieses genetische Modell kann nun dazu genutzt werden, um das Potential von Vorkommen von massiven Pollucitmineralisationen in LCT-Pegmatitsystemen in Westaustralien und weltweit besser einzuschätzen.:Contents Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Versicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 1. Introduction 1 1.1. Motivation and Scope of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Fundamentals 7 2.1. The Alkali Metal Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1. Distribution of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2. Mineralogy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3. Geochemical Behaviour of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4. Economy of Cesium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2. Pollucite – (Cs,Na)2Al2Si4O12×H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1. Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2. Analcime–Pollucite–Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.3. Formation of Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.4. Pollucite Occurences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3. Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. General Characteristics of Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2. Controls on Pegmatite Formation and Evolution . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.3. Pegmatite Age Distribution and Continental Crust Formation . . . . . . 43 3. Geological Settings of Archean Cratons 47 3.1. Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.1. Tectonostratigraphic Subdivision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.1.2. Tectonometamorphic Evolution of the Northern Limpopo Thrust Zone . 49 3.1.3. Pegmatites within the Zimbabwe Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1.4. Masvingo Greenstone Belt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.5. Geological Setting of the Bikita Pegmatite District . . . . . . . . . . . . 58 3.2. Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 62 3.2.2. Tectonic Models for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.3. Pegmatites within the Yilgarn Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2.4. Geological setting of the Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . 76 3.2.5. Geological Setting of the Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . 85 3.2.6. Geological Setting of the Cattlin Creek Pegmatite Deposit . . . . . . . . 91 3.3. Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3.1. Tectonostratigraphic Framework and Geological Development . . . . . 99 3.3.2. Tectonic Model for the Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3.3. Pegmatites within the Pilbara Craton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3.4. Geological Setting of the Wodgina Pegmatite District . . . . . . . . . . 106 4. Fieldwork and Sampling of Selected Pegmatites and Pegmatite Fields 115 4.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.1. Londonderry Feldspar Quarry Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2.2. Lepidolite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.3. Tantalite Hill Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.1. Type I – Flat Lying Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.3.2. Type II – Steeply Dipping Pegmatites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5. Wodgina LCT-Pegmatite Deposit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.5.1. Mount Tinstone Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.5.2. Mount Cassiterite Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5. Petrography and Mineralogy 139 5.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 141 5.2. Mineralogical and Petrographical Characteristics of Individual Mineral Groups . 141 5.2.1. Feldspar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2.2. Quartz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.2.3. Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.4. Pollucite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2.5. Petalite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.6. Spodumene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.7. Beryl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.2.8. Tourmaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 5.2.9. Apatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.2.10. Ta-, Nb- and Sn-oxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3. Reconstruction of the General Crystallisation Sequence . . . . . . . . . . . . . 162 6. Geochemistry 165 6.1. Major Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 6.2. Selected Minor and Trace Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.3. Fractionation Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6.4. Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 7. Geochronology 193 7.1. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1.2. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.3. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.2.1. Monazite Ages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 7.3. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 203 7.3.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.2. Londonderry Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.3. Mount Deans Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.4. Cattlin Creek Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 7.3.5. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8. Fluid Inclusion Study 211 8.1. Bikita Pegmatite Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2. Wodgina Pegmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.3. Carbon Isotope Analysis on Fluid Inclusion Gas of Selected Mineral Phases . . 212 9. Stable and Radiogenic Isotopes 217 9.1. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.1.1. New Whole Rock Sm/Nd Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 9.2. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 220 9.2.1. New Lithium Isotope Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 10.Discussion 227 10.1. Regional Geological and Tectonomagmatic Development . . . . . . . . . . . . 227 10.1.1. Constraints from Field Evidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 10.1.2. Petrographical and Mineralogical Constraints . . . . . . . . . . . . . . 229 10.1.3. Geochemical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 10.1.4. Isotopic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 10.1.5. Constraints from Fluid Inclusion Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.1.6. Geochronological Constrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 10.2. Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 10.2.1. Unique Characteristics of Massive Pollucite Mineralisations . . . . . . . 243 10.2.2. New Concepts for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations . . 252 10.3. Genetic Model for the Formation of Massive Pollucite Mineralisations within LCT Pegmatite Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 11.Summary and Conclusions 267 References 273 Lists of Abbreviations 309 General Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Mineral Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 List of Figures 311 List of Tables 315 Appendix 317 A. Legend for Topographic Maps 319 B. Sample List 323 C. Methodology 331 C.1. Quantitative Mineralogy by Means of Mineral Liberation Analysis . . . . . . . . 331 C.2. Geochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 C.3. 40Ar/39Ar-Method on Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.4. Th-U-Total Pb Monazite Dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C.5. U/Pb Dating of Selected Ta-, Nb- and Sn-Oxide Minerals . . . . . . . . . . . . 336 C.6. Fluid Inclusion Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 C.7. Whole Rock Sm/Nd-Isotopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 C.8. Lithium Isotope Analysis on Selected Mineral Phases . . . . . . . . . . . . . . . 338 D. Data – Mineral Liberation Analysis 341 E. Data – Geochemistry 345 F. Data – Geochronology 349 G. Data – Stable and Radiogenic Isotopes 353