Die vorliegende Arbeit beschreibt die Ergebnisse der Synthese und Charakterisierung der Hochdruckphase von Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur (rs-AlN). Die Versuche wurden mittels Schockwellensynthese unter Verwendung der „flyer-plate-Methode“ mit anschließender Probenrückgewinnung durchgeführt. Für verschiedene Aluminiumnitridpulver mit einer Ausgangsporosität k = rho_solid/rho_porous von 1,5 bis 2,5 wurde bei einem Druck von 15 bis 43 GPa die Phasenumwandlung von der Wurtzitstruktur (w-AlN) in die Kochsalzstruktur (rs-AlN) bewirkt. Es ist damit erstmals gelungen, rs-AlN mit dynamischen HP-HT-Methoden herzustellen und damit Probenmengen im Milligramm- bis Grammbereich zu erhalten. Dadurch ist es möglich Untersuchungen durchzuführen, die zur weiteren Erforschung und Charakterisierung des Materials beitragen sollen. Im Fokus liegen dabei insbesondere die Untersuchung der mechanischen, thermischen und chemischen Stabilität, um die Eignung des Materials zur Herstellung ultraharter Komposite zu evaluieren. Die geschockten Pulver bestehen aus einem Phasengemisch aus dem Ausgangsmaterial (w-AlN), der Hochdruckphase (rs-AlN), Aluminiumoxid und -oxynitriden, sowie amorphen Aluminiumhydroxiden. Die höchste Ausbeute an rs-AlN (~41 Ma% bei 2 mm Probenhöhe) kann bei Drücken von 24 GPa und einer Ausgangsporosität k von 2,1 erhalten werden. Anhand dem Auftreten verschiedener Al-O-N Phasen kann die Schocktemperatur für die einzelnen Versuche abgeschätzt werden (<1700 °C bis <2000 °C). Die Phasenumwandlung wird durch die Temperaturerhöhung aufgrund der Schockkompaktion der Pulver aktiviert. Als entgegenwirkender Prozess wurde die thermisch aktivierte Rückwandlung in die Niederdruckphase w-AlN aufgrund einer zu hohen Post-Schocktemperatur und einem zu langsamen Abkühlen der Probe postuliert. Daraus ergibt sich eine optimale Temperatur für den Versuchsaufbau von 1700 bis 1900 °C, bei der die höchsten rs-AlN Anteile beobachtet wurden. Eine Verringerung der Probenhöhe erhöht den Einfluss von Mehrfachreflektionen in der Probe und trägt damit zur Verbesserung der Umsetzung bei. Für drei Nanopulver (Kristallitgröße <25 nm) wurde die teilweise Umwandlung in die Kochsalzstruktur beobachtet, wohingegen für ein gröberes Nanopulver und ein Submikropulver (Kristallitgröße >45 nm) kein rs-AlN in den geschockten Proben nachgewiesen werden konnte. Es wird ein Stabilisierungsmechanismus der Kochsalzstruktur durch Kristallitgrößeneffekte vorhergesagt. Die Verringerung der Kristallitgröße führt zur Herabsetzung des Umwandlungsdrucks w-AlN -> rs-AlN. Es lässt sich daher schlussfolgern, dass für kleinere Partikel die Hochdruckmodifikation aufgrund der geringeren Entfernung vom chemischen Gleichgewicht bei Normalbedingungen stabilisiert werden kann, wohingegen für größere Kristallite die Rückwandlung in die Ausgangsphase geschieht. Weitere Stabilisierungsmechanismen wurden diskutiert. Mithilfe einer Rietveld-Verfeinerung der Röntgendiffraktogramme wurde die Gitterkonstante des rs-AlN mit a = 4,044 ± 0,001 Å und die Kristallitgröße mit 15,3 ± 0,2nm bestimmt. Die mittels hoch-aufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmte Kristallitgröße (10 bis 20 nm) ist in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Rietveld-Verfeinerung. Mit 27Al Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) wurde die oktaedrische Al–N-Umgebung (AlN6) mit einer korrigierten chemischen Verschiebung von 2 ppm nachgewiesen. Anhand der IR-Spektren wird eine Al–N-Schwingungsbande des rs-AlN bei ca. 490 cm−1 vermutet. Dynamisch-thermische Untersuchungen zeigen, dass nanokristallines rs-AlN bei 600 °C beginnt zu Aluminiumoxid zu oxidieren und damit keine größere Beständigkeit im Vergleich zum w-AlN zeigt. Die thermisch aktivierte Rückwandlung des rs-AlN in die Niederdruckphase wurde ab 1200 °C (in Argon) bzw. 1100 °C (im Vakuum) bei einer Heizrate von 10 K/min beobachtet. Eine gute chemische Beständigkeit des Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur gegenüber Wasser, Natronlauge und Säuren (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 und Königswasser) wurde in Langzeit-Löslichkeitsversuchen nachgewiesen. / In the present work the results of the synthesis and characterisation of the high-pressure phase of aluminium nitride with rocksalt structure (rs-AlN) are presented. The experiments were carried out with the flyer-plate-method with subsequently sample recovery. For different aluminium nitride powders with starting porosities k = rho_solid/rho_porous of 1.5 to 2.5 the phase transition from wurtzite structure (w-AlN) to the rocksalt structure (rs-AlN) was induced at a pressure of 15 to 43 GPa. This is to our knowledge the first succesful synthesis of rs-AlN with dynamic HP-HT methods. With this advance, samples in the milligram or gram range can be produced. Therefore further investigations to characterise the material are possible, especially the study of the mechanical, thermal and chemical stability to validate the potential for the production of ultrahard composites. The shocked samples consist of a phase mixture from the starting material (w-AlN), the high-pressure phase (rs-AlN), aluminium oxide and oxynitrides, as well as amorphous aluminium hydroxides. The highest yield of rs-AlN (~41 wt% at 2 mm sample height) can be obtained at a pressure of 24 GPa and a starting porosity k of 2.1. The shock temperature can be estimated by the formation of different Al-O-N phases (<1700 °C to <2000 °C). The phase transition is activated by the raise of temperature due to shock compression. A thermal activated reconversion to the low-pressure phase w-AlN caused by a high post-shock temperature and a slow cooling of the sample is postulated as a contrary process. This results in an optimum temperature of 1700 to 1900 °C for this set-up. A decrease of the sample height increases the influence of multiple reflections and therefore causes a better transformation. A partial conversion to rs-AlN was observed for three nanopowders (crystallite size <25 nm), whereas for a more coarse nanopowder and an submicronpowder (crystallite size >45 nm) no rs-AlN could be found in the shocked samples. A stabilisation mechanism of the rocksalt phase by crystallite size effects is predicted. The reduction of the crystallite size causes a decrease of the transition pressure for w-AlN -> rs-AlN. It can be concluded, that for smaller particles the high-pressure phase can be stabilised at ambient conditions on the basis of the smaller distance from equilibrium, whereas for larger particles the reconversion to the low-pressure phase occurs. By a Rietveld refinement of the X-ray diffractograms, the lattice constant of rs-AlN and the crystallite size was determined to be a = 4.044 ± 0.001 Å respectively 15.3 ± 0.2 nm. The crystallite size of rs-AlN (10 to 20 nm) determined with high-resolution transmission electron microscopy (TEM) is in good agreement with the results of the Rietveld refinement. The octahedral Al–Npolyhedral (AlN6) was demonstrated by 27Al nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) with a corrected chemical shift of 2 ppm. Based on infrared spectroscopy (FTIR) an AlN vibration band at about 490 cm−1 is assumed. Dynamic thermal analysis show, that the rs-AlN starts to oxidise to alumina at 600 °C and thus have no greater resistance in comparison with w-AlN. The thermal activated reconversion of rs-AlN to the low-pressure phase starts at 1200 °C (in argon) respectively 1100 °C (under vacuum) at a heating rate of 10 K/min. The aluminium nitride with rocksalt structure shows a good chemical resistance against water, caustic soda and acids (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 and aqua regia).

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Ergebnisse der Synthese und Charakterisierung der Hochdruckphase von Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur (rs-AlN). Die Versuche wurden mittels Schockwellensynthese unter Verwendung der „flyer-plate-Methode“ mit anschließender Probenrückgewinnung durchgeführt. Für verschiedene Aluminiumnitridpulver mit einer Ausgangsporosität k = rho_solid/rho_porous von 1,5 bis 2,5 wurde bei einem Druck von 15 bis 43 GPa die Phasenumwandlung von der Wurtzitstruktur (w-AlN) in die Kochsalzstruktur (rs-AlN) bewirkt. Es ist damit erstmals gelungen, rs-AlN mit dynamischen HP-HT-Methoden herzustellen und damit Probenmengen im Milligramm- bis Grammbereich zu erhalten. Dadurch ist es möglich Untersuchungen durchzuführen, die zur weiteren Erforschung und Charakterisierung des Materials beitragen sollen. Im Fokus liegen dabei insbesondere die Untersuchung der mechanischen, thermischen und chemischen Stabilität, um die Eignung des Materials zur Herstellung ultraharter Komposite zu evaluieren. Die geschockten Pulver bestehen aus einem Phasengemisch aus dem Ausgangsmaterial (w-AlN), der Hochdruckphase (rs-AlN), Aluminiumoxid und -oxynitriden, sowie amorphen Aluminiumhydroxiden. Die höchste Ausbeute an rs-AlN (~41 Ma% bei 2 mm Probenhöhe) kann bei Drücken von 24 GPa und einer Ausgangsporosität k von 2,1 erhalten werden. Anhand dem Auftreten verschiedener Al-O-N Phasen kann die Schocktemperatur für die einzelnen Versuche abgeschätzt werden (<1700 °C bis <2000 °C). Die Phasenumwandlung wird durch die Temperaturerhöhung aufgrund der Schockkompaktion der Pulver aktiviert. Als entgegenwirkender Prozess wurde die thermisch aktivierte Rückwandlung in die Niederdruckphase w-AlN aufgrund einer zu hohen Post-Schocktemperatur und einem zu langsamen Abkühlen der Probe postuliert. Daraus ergibt sich eine optimale Temperatur für den Versuchsaufbau von 1700 bis 1900 °C, bei der die höchsten rs-AlN Anteile beobachtet wurden. Eine Verringerung der Probenhöhe erhöht den Einfluss von Mehrfachreflektionen in der Probe und trägt damit zur Verbesserung der Umsetzung bei. Für drei Nanopulver (Kristallitgröße <25 nm) wurde die teilweise Umwandlung in die Kochsalzstruktur beobachtet, wohingegen für ein gröberes Nanopulver und ein Submikropulver (Kristallitgröße >45 nm) kein rs-AlN in den geschockten Proben nachgewiesen werden konnte. Es wird ein Stabilisierungsmechanismus der Kochsalzstruktur durch Kristallitgrößeneffekte vorhergesagt. Die Verringerung der Kristallitgröße führt zur Herabsetzung des Umwandlungsdrucks w-AlN -> rs-AlN. Es lässt sich daher schlussfolgern, dass für kleinere Partikel die Hochdruckmodifikation aufgrund der geringeren Entfernung vom chemischen Gleichgewicht bei Normalbedingungen stabilisiert werden kann, wohingegen für größere Kristallite die Rückwandlung in die Ausgangsphase geschieht. Weitere Stabilisierungsmechanismen wurden diskutiert. Mithilfe einer Rietveld-Verfeinerung der Röntgendiffraktogramme wurde die Gitterkonstante des rs-AlN mit a = 4,044 ± 0,001 Å und die Kristallitgröße mit 15,3 ± 0,2nm bestimmt. Die mittels hoch-aufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmte Kristallitgröße (10 bis 20 nm) ist in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Rietveld-Verfeinerung. Mit 27Al Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) wurde die oktaedrische Al–N-Umgebung (AlN6) mit einer korrigierten chemischen Verschiebung von 2 ppm nachgewiesen. Anhand der IR-Spektren wird eine Al–N-Schwingungsbande des rs-AlN bei ca. 490 cm−1 vermutet. Dynamisch-thermische Untersuchungen zeigen, dass nanokristallines rs-AlN bei 600 °C beginnt zu Aluminiumoxid zu oxidieren und damit keine größere Beständigkeit im Vergleich zum w-AlN zeigt. Die thermisch aktivierte Rückwandlung des rs-AlN in die Niederdruckphase wurde ab 1200 °C (in Argon) bzw. 1100 °C (im Vakuum) bei einer Heizrate von 10 K/min beobachtet. Eine gute chemische Beständigkeit des Aluminiumnitrid mit Kochsalzstruktur gegenüber Wasser, Natronlauge und Säuren (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 und Königswasser) wurde in Langzeit-Löslichkeitsversuchen nachgewiesen.:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Methoden und experimentelle Details 4. Ergebnisse 5. Diskussion 6. Schlussfolgerungen und Ausblick / In the present work the results of the synthesis and characterisation of the high-pressure phase of aluminium nitride with rocksalt structure (rs-AlN) are presented. The experiments were carried out with the flyer-plate-method with subsequently sample recovery. For different aluminium nitride powders with starting porosities k = rho_solid/rho_porous of 1.5 to 2.5 the phase transition from wurtzite structure (w-AlN) to the rocksalt structure (rs-AlN) was induced at a pressure of 15 to 43 GPa. This is to our knowledge the first succesful synthesis of rs-AlN with dynamic HP-HT methods. With this advance, samples in the milligram or gram range can be produced. Therefore further investigations to characterise the material are possible, especially the study of the mechanical, thermal and chemical stability to validate the potential for the production of ultrahard composites. The shocked samples consist of a phase mixture from the starting material (w-AlN), the high-pressure phase (rs-AlN), aluminium oxide and oxynitrides, as well as amorphous aluminium hydroxides. The highest yield of rs-AlN (~41 wt% at 2 mm sample height) can be obtained at a pressure of 24 GPa and a starting porosity k of 2.1. The shock temperature can be estimated by the formation of different Al-O-N phases (<1700 °C to <2000 °C). The phase transition is activated by the raise of temperature due to shock compression. A thermal activated reconversion to the low-pressure phase w-AlN caused by a high post-shock temperature and a slow cooling of the sample is postulated as a contrary process. This results in an optimum temperature of 1700 to 1900 °C for this set-up. A decrease of the sample height increases the influence of multiple reflections and therefore causes a better transformation. A partial conversion to rs-AlN was observed for three nanopowders (crystallite size <25 nm), whereas for a more coarse nanopowder and an submicronpowder (crystallite size >45 nm) no rs-AlN could be found in the shocked samples. A stabilisation mechanism of the rocksalt phase by crystallite size effects is predicted. The reduction of the crystallite size causes a decrease of the transition pressure for w-AlN -> rs-AlN. It can be concluded, that for smaller particles the high-pressure phase can be stabilised at ambient conditions on the basis of the smaller distance from equilibrium, whereas for larger particles the reconversion to the low-pressure phase occurs. By a Rietveld refinement of the X-ray diffractograms, the lattice constant of rs-AlN and the crystallite size was determined to be a = 4.044 ± 0.001 Å respectively 15.3 ± 0.2 nm. The crystallite size of rs-AlN (10 to 20 nm) determined with high-resolution transmission electron microscopy (TEM) is in good agreement with the results of the Rietveld refinement. The octahedral Al–Npolyhedral (AlN6) was demonstrated by 27Al nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) with a corrected chemical shift of 2 ppm. Based on infrared spectroscopy (FTIR) an AlN vibration band at about 490 cm−1 is assumed. Dynamic thermal analysis show, that the rs-AlN starts to oxidise to alumina at 600 °C and thus have no greater resistance in comparison with w-AlN. The thermal activated reconversion of rs-AlN to the low-pressure phase starts at 1200 °C (in argon) respectively 1100 °C (under vacuum) at a heating rate of 10 K/min. The aluminium nitride with rocksalt structure shows a good chemical resistance against water, caustic soda and acids (HCl, H2SO4, H3PO4, HNO3 and aqua regia).:1. Einleitung 2. Grundlagen 3. Methoden und experimentelle Details 4. Ergebnisse 5. Diskussion 6. Schlussfolgerungen und Ausblick

Scanning electron microscopy based automated mineralogy (SEM-AM) is a combined analytical tool initially designed for the characterisation of ores and mineral processing products. Measurements begin with the collection of backscattered electron (BSE) images and their handling with image analysis software routines. Subsequently, energy dispersive X-ray spectra (EDS) are gained at selected points according to the BSE image adjustments. Classification of the sample EDS spectra against a list of approved reference EDS spectra completes the measurement. Different classification algorithms and four principal SEM-AM measurement routines for point counting modal analysis, particle analysis, sparse phase search and EDS spectral mapping are offered by the relevant software providers. Application of SEM-AM requires a high-quality preparation of samples. Suitable non-evaporating and electron-beam stable epoxy resin mixtures and polishing of relief-free surfaces in particles and materials with very different hardness are the main challenges. As demonstrated by case examples in this contribution, the EDS spectral mapping methods appear to have the most promising potential for novel applications in metamorphic, igneous and sedimentary petrology, ore fingerprinting, ash particle analysis, characterisation of slags, forensic sciences, archaeometry and investigations of stoneware and ceramics. SEM-AM allows the quantification of the sizes, geometries and liberation of particles with different chemical compositions within a bulk sample and without previous phase separations. In addition, a virtual filtering of bulk particle samples by application of numerous filter criteria is possible. For a complete mineral phase identification, X-ray diffraction data should accompany the EDS chemical analysis. Many of the materials which potentially could be characterised by SEM-AM consist of amorphous and glassy phases. In such cases, the generic labelling of reference EDS spectra and their subsequent target component grouping allow SEM-AM for interesting and novel studies on many kinds of solid and particulate matter which are not feasible by other analytical methods.

Driven by the need to use mineral resources more sustainably, and the increasing complexity of ore deposits still available for commercial exploitation, the acquisition of quantitative data on mineralogy and microfabric has become an important need in the execution of exploration and geometallurgical test programmes. Hyperspectral drill-core scanning has the potential to be an excellent tool for providing such data in a fast, non- destructive and reproducible manner. However, there is a distinct lack of integrated methodologies to make use of these data through-out the exploration and mining chain. This thesis presents a first framework for the use of hyperspectral drill-core scanning as a pillar in exploration and geometallurgical programmes. This is achieved through the development of methods for (1) the automated mapping of alteration minerals and assemblages, (2) the extraction of quantitative mineralogical data with high resolution over the drill-cores, (3) the evaluation of the suitability of hyperspectral sensors for the pre-concentration of ores and (4) the use of hyperspectral drill- core imaging as a basis for geometallurgical domain definition and the population of these domains with mineralogical and microfabric information.:Introduction Materials and methods Assessment of alteration mineralogy and vein types using hyperspectral data Hyperspectral imaging for quasi-quantitative mineralogical studies Hyperspectral sensors for ore beneficiation 3D integration of hyperspectral data for deposit modelling Concluding remarks References

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.

The gemological collection of Abraham Gottlob Werner contains 1374 sample numbers for 25 different minerals with 38 gemological varieties, including 15 newly added numbers of samples, which were not recorded in the original catalog of 1823. In total, 168 samples were recorded as lost by the later researchers, 4 samples were taken for the chain for the rector of the university, samples of 2 different numbers in the catalog were exchanged for cut stones, and 3 times’ volume requisitions happened. A total of 256 sample numbers show discrepancies and therefore are not in accordance with the original record in the catalog. In the collection, 6.8% of the numbers are rock sample with embedded crystals, 20.7% of the numbers are in the form of crystal, 30.6% of the numbers are fragments, 11.6% of the numbers are grains, and the remaining 711 samples are cut. Except for Esa. No. 644a containing four cushion cut samples, all faceted cuts were recorded in the original catalog of 1823. However, the brilliant, oval, step, emerald, scissor, and radiant cut forms were invented after the gemological collection of Werner, which means 189 samples do probably not belong to the original collection. They could be from another collection due to the requisitions, or the later researchers of the collection added or exchanged the samples with new ones. The mineral names of the catalog from 1823 refer to Werner's mineral system, some of the mineral's names are not used anymore. With the development of mineralogy and gemology, the special names of the gemstones as varieties of minerals are gradually standardized. 51 samples are wrong identifications and 8 pieces of glass have been recognized. The zircon samples of the collection provide a research resource for the study of metamictization. Both color and density of zircon could be an indicator of the metamictization degree. The metamictization has a significant influence on the gemological properties of zircon. The green tone and low density cannot be considered as an identifying characteristic of metamict zircon, although they are still a sign of metamictization. Comparing six mineralogical or geological collections at Werner’s time, the catalogs of five collections used his nomenclature of samples and only the catalog of the mineralogical collection of Adolf Traugott von Gersdorf is geographical. To his time the outstanding gemological collection of Abraham Gottlob Werner represented the broadest quantity of gemological varieties. A modern gemological database of the collection has been founded, the meta-data provides an important base for further research and development.:Acknowledgements I Abstract III Table of Contexts IV List of figures VI List of tables VII 1. Introduction 1 1.1 Abraham Gottlob Werner 1 1.2 The mineral system of Werner 1 1.3 The gemological collection of Werner 3 2. Methods 6 2.1 Specific gravity (SG) measurements 6 2.1.1 Hydrostatic weighing 6 2.1.2 He-pycnometer 6 2.2 Color 6 2.2.1 Munsell color system 7 2.2.2 The CIE L*C*h color system 8 2.3 The optical measurements 9 2.3.1 Polariscope 9 2.3.2 Refractometer 10 2.3.3 Dichroscope 11 2.4 Ultraviolet (UV) fluorescence test 12 2.5 Raman spectroscopy 12 3. New model for the inventory of the gemological collection of Werner 13 4. Discussion 16 4.1 Cut cutting in the course of time 16 4.2 Classification of gemstones 24 4.2.1 Individual names of gemstones 25 4.2.2 Different identifications with the catalog of 1823 29 4.2.3 Imitation of gemstones 31 4.3 Raman spectrum study of zircons 32 4.4 Comparison of the outstanding Werner Collection with other collections in the second half of 18th century 39 4.4.1 The natural history collection of Linck family (1638-1807) 39 4.4.2 The Minerals cabinet of Eugen Pabst von Ohain (1718-1784) 40 4.4.3 The natural history collection of the University of Rostock 40 4.4.4 The mineralogical collection of Adolf Traugott von Gersdorf (1744-1807) 41 4.4.5 The mineralogical, geological and paleontological collection of Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832) 42 4.4.6 Summary of the additional collections to Werner's time 43 5. Summary 44 Reference 46 Appendix A 59 Appendix B 63 Appendix C 67

Considering the ever-growing global demand for raw materials and the complexity of the geological deposits that are still to be found, high-quality extensive mineralogical information is required. Mineral exploration remains a risk-prone process, with empirical approaches prevailing over data-driven strategy. Amongst the many ways to innovate, hyperspectral imaging sensors for drill-core mineral mapping are one of the disruptive technologies. This potential could be multiplied by implementing machine learning. This dissertation introduces a workflow that allows the use of supervised learning to map minerals by means of ancillary data commonly acquired during exploration campaigns (i.e., mineralogy, geochemistry and core photography). The fusion of hyperspectral with such ancillary data allows not only to upscale to complete boreholes information acquired locally, but also to enhance the spatial resolution of the mineral maps. Thus, the proposed approaches provide digitally archived objective maps that serve as vectors for exploration and support geologists in their decision making.:List of Figures xviii List of Tables xix List of Acronyms xxi 1 Introduction 1 1.1 Mineral resources and the need for innovation . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Spectroscopy and hyperspectral imaging . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2.1 Imaging spectroscopy ....................... 6 1.2.2 Spectroscopy of minerals ..................... 8 1.2.3 Mineral mapping.......................... 12 1.2.4 Mineral mapping in exploration ................. 15 1.2.5 Drill-core mineral mapping.................... 16 1.3 Machine learning .............................. 19 1.3.1 Supervised learning for drill-core hyperspectral data . . . . . 20 1.4 Motivation and approach ......................... 22 2 Hyperspectral mineral mapping using supervised learning and mineralogical data 25 Preface ....................................... 25 Abstract....................................... 26 2.1 Introduction ................................. 27 2.2 Data acquisition............................... 30 2.2.1 Hyperspectral data......................... 30 2.2.2 High-resolution mineralogica ldata . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Proposed system architecture ....................... 33 2.3.1 Re-sampling and co-registration ................. 33 2.3.2 Classification ............................ 35 2.4 Experimental results ............................ 36 2.4.1 Data description .......................... 36 2.4.2 Experimental setup......................... 37 2.4.3 Quantitative and qualitative assessment . . . . . . . . . . . . . 37 2.5 Discussion.................................. 40 2.6 Conclusion.................................. 42 3 Geochemical and hyperspectral data integration 45 Preface ....................................... 45 Abstract....................................... 46 3.1 Introduction ................................. 47 3.2 Basis for the integration of geochemical and hyperspectral data . . . 50 3.3 Proposed approach ............................. 51 3.3.1 Geochemical data labeling..................... 51 3.3.2 Superpixel segmentation ..................... 53 3.3.3 Classification ............................ 53 3.4 Experimental results ............................ 54 3.4.1 Data description .......................... 54 3.4.2 Data acquisition........................... 55 3.4.3 Experimental setup......................... 55 3.4.4 Assessment of the geochemical data labeling . . . . . . . . . . 58 3.4.5 Quantitative and Qualitative Assessment . . . . . . . . . . . . 58 3.5 Discussion.................................. 61 3.6 Conclusion.................................. 63 4 Improved spatial resolution for mineral mapping 65 Preface ....................................... 65 Abstract....................................... 66 4.1 Introduction ................................. 67 4.2 Methods: Resolution Enhancement for Mineral Mapping . . . . . . . 69 4.2.1 Hyperspectral Resolution Enhancement . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.2 Mineral Mapping.......................... 71 4.2.3 Supervised Classification ..................... 71 4.3 Case Study.................................. 72 4.3.1 Data Acquisition .......................... 72 4.3.2 Resolution Enhancement Application . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.3 Evaluation of the Resolution Enhancement . . . . . . . . . . . 75 4.4 Results .................................... 76 4.4.1 Mineral Mapping.......................... 76 4.4.2 Supervised Classification ..................... 77 4.4.3 Validation .............................. 80 4.5 Discussion.................................. 82 4.6 Conclusions ................................. 84 5 Bibliography 92

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.

The advent of unoccupied aerial systems (UAS) as disruptive technology has a lasting impact on remote sensing, geophysics and most geosciences. Small, lightweight, and low-cost UAS enable researchers and surveyors to acquire earth observation data in higher spatial and spectral resolution as compared to airborne and satellite data. UAS-based applications range from rapid topographic mapping using photogrammetric techniques to hyperspectral and geophysical measurements of surface and subsurface geology. UAS surveys contribute to identifying metal deposits, monitoring of mine sites and can reveal arising environmental issues associated with mining. Further, affordable UAS technology will boost exploration data availability and expertise in the global south. This thesis investigates the application of UAS-based multi-sensor data for mineral exploration, in particular the integration of hyperspectral imagers, magnetometers and digital cameras (covering the visible red, green, blue light spectrum). UAS-based research is maturing, however the aforementioned methods are not unified effectively. RGB-based photogrammetry is used to investigate topography and surface texture. Image spectrometers measure mineral-specific surface signatures. Magnetometers detect geomagnetic field changes caused by magnetic minerals at surface and depth. The integration of such UAS sensor-based methods in this thesis augments exploration potential with non-invasive, high-resolution, safe, rapid and practical survey methods. UAS-based surveying acquired, processed and integrated data from three distinct test sites. The sites are located in Finland (Fe-Ti-V at Otanmäki; apatite at Siilinjärvi) and Greenland (Ni-Cu-PGE at Qullissat, Disko Island) and were chosen as geologically diverse areas in subarctic to arctic environments. Restricted accessibility, unfavourable atmospheric conditions, dark rocks, debris and vegetation cover and low solar illumination were common features. While the topography in Finland was moderately flat, a steep landscape challenged the Greenland field work. These restraints meant that acquisitions varied from site to site and how data was integrated and interpreted is dependent on the commodity of interest. Iron-based spectral absorption and magnetic mineral response were detected using hyperspectral and magnetic surveying in Otanmäki. Multi-sensor-based image feature detection and classification combined with magnetic forward modelling enabled seamless geologic mapping in Siilinjärvi. Detailed magnetic inversion and multispectral photogrammetry led to the construction of a comprehensive 3D model of magmatic exploration targets in Greenland. Ground truth at different intensity was employed to verify UAS-based data interpretations during all case studies. Laboratory analysis was applied when deemed necessary to acquire geologic-mineralogic validation (e.g., X-ray diffraction and optical microscopy for mineral identification to establish lithologic domains, magnetic susceptibility measurements for subsurface modelling), for example for trace amounts of magnetite in carbonatite (Siilinjärvi) and native iron occurrence in basalt (Qullissat). Technical achievements were the integration of a multicopter-based prototype fluxgate-magnetometer data from different survey altitudes with ground truth, and a feasibility study with a high-speed multispectral image system for fixed-wing UAS. The employed case studies transfer the experiences made towards general recommendations for UAS application-based multi-sensor integration. This thesis highlights the feasibility of UAS-based surveying at target scale (1–50 km2) and solidifies versatile survey approaches for multi-sensor integration. / Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial einer Drohnen-basierten Mineralexploration mit Multisensor-Datenintegration unter Verwendung optisch-spektroskopischer und magnetischer Methoden zu untersuchen, um u. a. übertragbare Arbeitsabläufe zu erstellen. Die untersuchte Literatur legt nahe, dass Drohnen-basierte Bildspektroskopie und magnetische Sensoren ein ausgereiftes technologisches Niveau erreichen und erhebliches Potenzial für die Anwendungsentwicklung bieten, aber es noch keine ausreichende Synergie von hyperspektralen und magnetischen Methoden gibt. Diese Arbeit umfasste drei Fallstudien, bei denen die Drohnengestützte Vermessung von geologischen Zielen in subarktischen bis arktischen Regionen angewendet wurde. Eine Kombination von Drohnen-Technologie mit RGB, Multi- und Hyperspektralkameras und Magnetometern ist vorteilhaft und schuf die Grundlage für eine integrierte Modellierung in den Fallstudien. Die Untersuchungen wurden in einem Gelände mit flacher und zerklüfteter Topografie, verdeckten Zielen und unter oft schlechten Lichtverhältnissen durchgeführt. Unter diesen Bedingungen war es das Ziel, die Anwendbarkeit von Drohnen-basierten Multisensordaten in verschiedenen Explorationsumgebungen zu bewerten. Hochauflösende Oberflächenbilder und Untergrundinformationen aus der Magnetik wurden fusioniert und gemeinsam interpretiert, dabei war eine selektive Gesteinsprobennahme und Analyse ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit und für die Validierung notwendig. Für eine Eisenerzlagerstätte wurde eine einfache Ressourcenschätzung durchgeführt, indem Magnetik, bildspektroskopisch-basierte Indizes und 2D-Strukturinterpretation integriert wurden. Fotogrammetrische 3D-Modellierung, magnetisches forward-modelling und hyperspektrale Klassifizierungen wurden für eine Karbonatit-Intrusion angewendet, um einen kompletten Explorationsabschnitt zu erfassen. Eine Vektorinversion von magnetischen Daten von Disko Island, Grönland, wurden genutzt, um großräumige 3D-Modelle von undifferenzierten Erdrutschblöcken zu erstellen, sowie diese zu identifizieren und zu vermessen. Die integrierte spektrale und magnetische Kartierung in komplexen Gebieten verbesserte die Erkennungsrate und räumliche Auflösung von Erkundungszielen und reduzierte Zeit, Aufwand und benötigtes Probenmaterial für eine komplexe Interpretation. Der Prototyp einer Multispektralkamera, gebaut für eine Starrflügler-Drohne für die schnelle Vermessung, wurde entwickelt, erfolgreich getestet und zum Teil ausgewertet. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Vorteile und Potenziale von Multisensor-Drohnen als praktisches, leichtes, sicheres, schnelles und komfortabel einsetzbares geowissenschaftliches Werkzeug, um digitale Modelle für präzise Rohstofferkundung und geologische Kartierung zu erstellen.