PhDENV (Geology) / Department of Mining and Environmental Geology / The study focused on the geology, structural setting and mineralisation of copper-sulphide deposits in the Musina area, located in the Central Zone of the Limpopo Mobile Belt of South Africa. The Messina copper deposits are located in the eastern part of Limpopo Province near the border with Zimbambwe. The deposits stretch from northeastern to southwestern direction for about 15 km. Previous copper mining in the area took place at Artonvilla, Messina, Harper, Campbell and Lilly copper deposits. The current study, however, focused on two main deposits, Campbell and Artonvilla. The origin, nature and mode of formation of the Cu-sulphide deposits in the Musina area have not been established with certainty. Two principal hypotheses on the origin of the Messina copper sulphide deposits have been proposed, viz; a magmatic-hydrothermal model, and meteoric waters model. Consequently, the mode of formation and mineralisation style of the Messina Cu-sulphide deposits remain contentious. Therefore, the main objective of the study was to investigate the nature and mode of formation of Cu-sulphide deposits in the Musina area. Different research methods have been applied in the current study so as to unpack the contradictory positions on the genesis of the Messina copper deposits. This included fieldwork, remote sensing data acquisition, laboratory work, and data analysis and interpretation. Fieldwork involved soil geochemical survey as well as rock and ore sampling within the study area. A total of 295 soil samples, 33 rock specimens and 21 ore samples were collected for laboratory investigation. Laboratory work consisted of a range of methods that included; geochemical analysis, petrographic and cathodoluminescence microscopy, ore mineralogy and ore microscopy, fluid inclusion geothermometry and isotope geochemistry. The work was done in different laboratories including: Mining and Environmental Geology Laboratory, Unviersity of Venda; Department of Geology Laboratory, University of Johannesburg; MINTEK Laboratory in Johannesburg; Société Générale de Surveillance Laboratory in Johannesburg, South Africa; Department of Applied Geology, Geoscience Institute, Göttingen University, Germany and Department of Geology, University of Georgia, Athens, United States of America. Remote sensing data was acquired from Southern Mapping Company, Johannesburg, South Africa. Interpretation of Remote sensing data was done at the University of Applied Sciences, Oswestfalen-Lippe, Germany. Data analysis and interpretation of laboratory results involved the use of: Desktop ArcGIS 10.4.1 for geochemical data interpretation; ENVI 5.1 and ArcGIS 10.4.1 Softwares for remote sensing data; and Triplot version 4.1.2 software for ternary plot for compositional variation of rocks. Soil geochemical survey revealed geochemical anomalies for Pb, Zn, Cu, As and Ni over the known copper deposits in the area as well as over six other areas that have not been associated with any sulphide mineralisation. Such new anomalous areas have been identified as target areas for future exploration of sulphide ore mineralisation. Petrographic studies of the rocks confirmed the host rocks to be amphibolite-quartz granulite, biotite-garnet-quartz granulite, amphibolite, quartzite, hornblende gneiss, quartzo-feldspathic gneiss, potassium-feldspathic gneiss and cal-silicate gneiss. These rocks were subjected to hydrothermal alteration during ore mineralisation within the area. It was further noted that epidote alteration was quite intensive in ore samples, while in unmineralised rock samples it was less intensive. Remote sensing data interpretation revealed spatial distribution and intensity of epidote alteration within the study area and in places coincided either with the known copper deposits or structural features, thus led to the identification of target areas for future mineral exploration in the Musina area. The current study established that the process of ore mineralisation in the Messina copper deposits took place in two distinct phases: first the formation of garnet, graphite, magnetite and hematite during regional metamorphism of the Limpopo Mobile Belt; and secondly, sulphide ore mineralisation resulting in the formation of copper ore comprising, veined, disseminated and brecciated ores. Sulphide ore mineralisation consisted mainly of pyrite, chalcopyrite, sphalerite, bornite, chalcocite and minor pyrrhotite and galena as well as traces of pentlandite, tennantite, mollybdenite, cobaltite and tetrahedrite. This confirms that the Messina copper deposits had complex sulphide ore mineralisation that is typical of hydrothermal mode of ore mineralisation from a magmatic source. The study further establishes the paragenitic sequence of ore mineralisation, comprising four stages: Stage I (Garnet- graphite – Fe oxides); stage II (Quartz- pyrite); stage III (Pyrite- sphalerite - chalcopyrite); and stage IV (Carbonates). Stage III represented the main stage of sulphide ore mineralisation in the area, while Stage IV comprising calcite, dolomite and ankarite marked the final stage of hydrothermal ore mineralisation. Paragenetic sequence identified three generations of quartz; first generation being associated with garnet, graphite, magnetite and hematite, second generation with pyrite and third generation with pyrite, sphalerite and chalcopyrite. Previous studies, however, indicated that there was only one generation of quartz that formed at the temperature between 210o to 150°C, but the current study established that the entrapment temperature of first generation quartz ranges from 315o to 200°C; second generation quartz from 235o to 135°C and third generation quartz from 240o to 115°C. At the same time, sulphur isotope investigation of chalcopyrite-pyrite pair from Campbell deposit registered a temperature of 359°C. The study therefore concluded that the temperature of ore formation within the Messina copper deposits ranged between 359°C and 115°C. The presence of halite and calcite as daughter minerals within the fluid inclusions was noted and this apparently is indicative of high salinity of fluid inclusions, which is considered as a product of direct exolution of crystalizing magma. Raman spectroscopy revealed the composition of gases in the fluid inclusions to be CH4 and N2 with 80% and 20% composition respectively, however, some inclusions were gas-poor. The presence of gases in the fluid inclusions is an indication that there was boiling at the time of entrapment. A narrow range of 34S values of -0.5 to 0.5‰ obtained in this study further confirms the magmatic source of Sulphur as Sulphur from the host rock was found to have high 𝛿34S value of 8.2‰. A genetic model for copper ore mineralisation within Musina area is proposed. The deposits are of polymetallic vein type that are genetically associated with porphyry copper deposits. According to this model, copper ore bodies were formed from hydrothermal fluids originating from magma and were epigenetic in nature. Geological structures in the area acted as conduits for hydrothermal fluids that resulted in the alteration of the host rocks and mineralisation of copper sulphide ore. Thus, the Messina coper deposits are of magmatic hydrothermal origin although the apparent location of a batholith is still unknown and the study recommends further viii research work on the location of the batholith that is presumed to have been the magmatic source. The study further recommend dating of later rocks as well as orebody s it is essential for understanding the process of ore formation in this area. For further exploration, areas that have undergone “moderate” to “high” degree of epidote alteration and lie in close proximity to geological structures such as faults and thrust folds that could have acted as conduits for hydrothermal fluids and resulted in sulphide ore mineralisation and registered high geochemical anomalies for Pb, Zn, As and Ni should be targeted. In support of further mineral exploration within the study area, the study recommend a detailed geostatistical application for the purpose of delineating homogeneous areas based on the combination of lineaments, interpolated soil geochemical maps and thematic maps. / NRF

Die hyperspektrale Bildgebung stellt eine Schlüsseltechnologie in der nicht-invasiven Mineralanalyse dar, sei es im Labormaßstab oder als fernerkundliche Methode. Rasante Entwicklungen im Sensordesign und in der Computertechnik hinsichtlich Miniaturisierung, Bildauflösung und Datenqualität ermöglichen neue Einsatzgebiete in der Erkundung mineralischer Rohstoffe, wie die drohnen-gestützte Datenaufnahme oder digitale Aufschluss- und Bohrkernkartierung. Allgemeingültige Datenverarbeitungsroutinen fehlen jedoch meist und erschweren die Etablierung dieser vielversprechenden Ansätze. Besondere Herausforderungen bestehen hinsichtlich notwendiger radiometrischer und geometrischer Datenkorrekturen, der räumlichen Georeferenzierung sowie der Integration mit anderen Datenquellen. Die vorliegende Arbeit beschreibt innovative Arbeitsabläufe zur Lösung dieser Problemstellungen und demonstriert die Wichtigkeit der einzelnen Schritte. Sie zeigt das Potenzial entsprechend prozessierter spektraler Bilddaten für komplexe Aufgaben in Mineralexploration und Geowissenschaften. / Hyperspectral imaging (HSI) is one of the key technologies in current non-invasive material analysis. Recent developments in sensor design and computer technology allow the acquisition and processing of high spectral and spatial resolution datasets. In contrast to active spectroscopic approaches such as X-ray fluorescence or laser-induced breakdown spectroscopy, passive hyperspectral reflectance measurements in the visible and infrared parts of the electromagnetic spectrum are considered rapid, non-destructive, and safe. Compared to true color or multi-spectral imagery, a much larger range and even small compositional changes of substances can be differentiated and analyzed. Applications of hyperspectral reflectance imaging can be found in a wide range of scientific and industrial fields, especially when physically inaccessible or sensitive samples and processes need to be analyzed. In geosciences, this method offers a possibility to obtain spatially continuous compositional information of samples, outcrops, or regions that might be otherwise inaccessible or too large, dangerous, or environmentally valuable for a traditional exploration at reasonable expenditure. Depending on the spectral range and resolution of the deployed sensor, HSI can provide information about the distribution of rock-forming and alteration minerals, specific chemical compounds and ions. Traditional operational applications comprise space-, airborne, and lab-scale measurements with a usually (near-)nadir viewing angle. The diversity of available sensors, in particular the ongoing miniaturization, enables their usage from a wide range of distances and viewing angles on a large variety of platforms. Many recent approaches focus on the application of hyperspectral sensors in an intermediate to close sensor-target distance (one to several hundred meters) between airborne and lab-scale, usually implying exceptional acquisition parameters. These comprise unusual viewing angles as for the imaging of vertical targets, specific geometric and radiometric distortions associated with the deployment of small moving platforms such as unmanned aerial systems (UAS), or extreme size and complexity of data created by large imaging campaigns. Accurate geometric and radiometric data corrections using established methods is often not possible. Another important challenge results from the overall variety of spatial scales, sensors, and viewing angles, which often impedes a combined interpretation of datasets, such as in a 2D geographic information system (GIS). Recent studies mostly referred to work with at least partly uncorrected data that is not able to set the results in a meaningful spatial context. These major unsolved challenges of hyperspectral imaging in mineral exploration initiated the motivation for this work. The core aim is the development of tools that bridge data acquisition and interpretation, by providing full image processing workflows from the acquisition of raw data in the field or lab, to fully corrected, validated and spatially registered at-target reflectance datasets, which are valuable for subsequent spectral analysis, image classification, or fusion in different operational environments at multiple scales. I focus on promising emerging HSI approaches, i.e.: (1) the use of lightweight UAS platforms, (2) mapping of inaccessible vertical outcrops, sometimes at up to several kilometers distance, (3) multi-sensor integration for versatile sample analysis in the near-field or lab-scale, and (4) the combination of reflectance HSI with other spectroscopic methods such as photoluminescence (PL) spectroscopy for the characterization of valuable elements in low-grade ores. In each topic, the state of the art is analyzed, tailored workflows are developed to meet key challenges and the potential of the resulting dataset is showcased on prominent mineral exploration related examples. Combined in a Python toolbox, the developed workflows aim to be versatile in regard to utilized sensors and desired applications.

In dieser Studie wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von Hybridfüllstoffen – Compositen aus Cellulose und präzipitiertem Calciumcarbonat – zur Festigkeitssteigerung in Papier sowie für Anwendungen über die Papierherstellung hinaus (wie bspw. Kunststoff sowie Baufaserplatten, Filter oder Filterhilfsmittel und Foamforming-Produkte) vorgestellt. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Fällung von CaCO3 über Doppelaustauschreaktion mit Calciumhalogeniden (CaCl2) und Alkalimetallcarbonaten (vorwiegend Na2CO3) auf chemisch und mechanisch modifizierte Faserstoffe in einem Doppelschneckenextruder. Die Hypothese, die dieser Doktorarbeit zugrunde lag, war, dass es möglich ist, CaCO3 durch die reaktive Extrusion direkt auf die Fasern – durch deren veränderte Ladungseigenschaften nach Modifizierung – auszufällen und damit eine irreversible Anlagerung des mineralischen Füllstoffs an den cellulosischen Faserstoff zu generieren. Dabei erwies sich die reaktive Extrusion als vielversprechende Methode sowohl für die Erzeugung carboxymethylierter und fibrillierter Faserstoffe (CMFC) als auch für die in-situ Fällung von CaCO3 direkt auf die CMFC zur Herstellung faserarmierter Füllstoffe mit einer optimierten Füllstoffretention. Darüber hinaus wurde untersucht, inwiefern sich durch die Einstellung der Reaktions- und Prozessparameter die CaCO3-Morphologie, Kristallform und -größe steuern und damit die resultierenden Composite-Eigenschaften einstellen lassen. Zudem konnte durch Anwendungsversuche der neuartigen Hybridfüllstoffe das Potenzial eben dieser in variierenden Endanwendungen – besonders jedoch zur Festigkeitssteigerung in Papier sowie zur Verbesserung des Eigenschaftsprofils in Polypropylen – verdeutlicht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die funktionellen Faserstoffeigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf die CaCO3-Fällung – sowohl auf die Kristallisations- als auch Umwandlungsprozesse – und damit auf die resultierenden Hybridfüllstoff-Eigenschaften haben. Besonders wird die Keimbildungsrate durch die hydrogelartige Oberfläche der CMFC reduziert und das Kristallwachstum gefördert, sodass vor-wiegend große CaCO3-Kristalle (≥ 3 µm) an bzw. in der hydrogelartigen Faseroberfläche entstehen. Ebenso konnte gezeigt werden, dass sich auch bei intensiver mechanischer Behandlung bis zu 89 wt.-% des ausgefällten CaCO3 nicht von der CMFC lösen und demnach irreversibel angelagert sind. Dies führt bei der Laborblattbildung zu einer Verbesserung der CaCO3-Retention von 62 wt.-% auf 80 wt.-% bei Kurzfaserzellstoff (BEKP) bzw. von 38 wt.-% auf 91 wt.-% bei Langfaserzellstoff (NBSK). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Hybridfüllstoffe zu einer Festigkeitssteigerung (Tensile Index) um das 1,5-fache bei NBSK- (16,4 Nm/g) und um das 2,1-fache bei BEKP-Laborblättern (26,2 Nm/g) beitragen. Diese Doktorarbeit verdeutlicht, dass die reaktive Extrusion ein innovatives und zukunftsfähiges Verfahren zur Composite-Herstellung ist und die neuartigen Hybridfüllstoffe Potenzial für den vielseitigen Einsatz in variierenden Materialien versprechen.:Abstract I Zusammenfassung II Danksagung III Eidesstattliche Erklärung IV Abbildungsverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XIV Formelzeichen und Indizes XVIII Formelverzeichnis XXII Normen- und Methodenverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXVI 1 Einleitung 1 2 Allgemeiner Aufbau von Zellstofffasern 3 2.1 Holzquelle Wald 3 2.2 Anatomie des Holzes 3 2.3 Morphologische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung der Zellwand 5 2.4 Chemischer Aufbau des Holzes 6 3 Von der Zellstofffaser zur Nanocellulose 11 3.1 Nanocellulosetypen 11 3.2 Mikrofibrillierte Cellulose – MFC 14 3.3 Einsatzmöglichkeiten für MFC 14 3.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von MFC 14 3.3.2 Einsatz von MFC in der Papierherstellung 15 3.4 Herstellung von MFC 16 3.4.1 Allgemeine Herstellung von MFC 16 3.4.2 Herstellung von MFC im Extruder 18 3.5 Chemische Modifizierung/Vorbehandlung von Faserstoffen 20 3.5.1 Carboxymethylcellulose – CMC 20 3.5.2 TEMPO-Oxidierte Cellulose 22 3.5.3 Carboxymethylierte, fibrillierte Cellulose – CMFC 24 4 Theorie der Fällung und Kristallisation 25 4.1 Fällung und Kristallisation im Allgemeinen 25 4.2 Keim- und Partikelbildung 29 4.2.1 Änderung der freien Enthalpie bei der Keim- und Partikelbildung 29 4.2.2 Löslichkeit und Übersättigung 30 4.2.3 Keimbildungskinetik 34 4.2.4 Keimbildungs- und Wachstumsrate 37 4.3 Kristallwachstum 39 4.3.1 Diffusionskontrolliertes und einbaulimitiertes Wachstum 39 4.3.2 Modellansätze von LaMer und Ostwald 41 4.4 Mechanismen zur Beeinflussung von Fällungsreaktionen 43 5 Calciumcarbonat – Eigenschaften, Herstellung, Einsatz 45 5.1 Stoffsystem Calciumcarbonat 45 5.1.1 Eigenschaften und Vorkommen 45 5.1.2 Modifikationen und Kristallformen 47 5.1.3 Bildung der wasserfreien Phasen – Calcit, Aragonit und Vaterit 50 5.1.4 Möglichkeiten zur Steuerung der Modifikationen und Kristallformen 55 5.2 Herstellung von Calciumcarbonat 57 5.2.1 Allgemein 57 5.2.2 Natürliches Calciumcarbonat – GCC 58 5.2.3 Synthetisches Calciumcarbonat – PCC 59 5.2.3.1 Fällung aus Kalkmilch 59 5.2.3.2 Doppelaustauschreaktion 60 5.2.3.3 Weitere technische Fällungs-Methoden 61 5.3 Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.2 PCC als funktioneller Füllstoff in der Papierherstellung 63 6 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen 66 6.1 Motivation 66 6.2 Stand der Technik 67 6.2.1 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen zur Hybridfüllstoff-Herstellung 67 6.2.2 Weitere Methoden zur Hybridfüllstoff-Herstellung bzw. zur Verbesserung der Faser-Füllstoff-Interaktion 72 6.3 Prozesse bei der Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen und in Hydrogelen 76 7 Problemstellung 81 7.1 Idee und Ziel der Arbeit 81 7.2 Hypothesen der Arbeit 84 8 Material und Methoden 85 8.1 Material 85 8.1.1 Verwendete Zellstoffe und deren Modifizierung 85 8.1.2 Fällungsreagenzien/-chemikalien 86 8.1.3 Weitere Chemikalien und Materialien 87 8.2 Laborfällung 87 8.2.1 Versuchsaufbau 87 8.2.2 Versuchsdurchführung 88 8.3 Extruderfällung 93 8.3.1 Versuchsaufbau 93 8.3.2 Versuchsdurchführung 95 8.4 Messmethoden zur Materialcharakterisierung 98 8.4.1 Überblick über alle angewandten Messmethoden zur Calciumcarbonat-, Faserstoff- sowie Composite-Charakterisierung 98 8.4.2 Themenspezifische und adaptierte Messmethoden sowie Probenpräparation 100 8.5 Anwendung der Composite in unterschiedlichen Produkten 107 8.5.1 Composite-Einsatz in der Laborblattbildung 107 8.5.2 Composite-Einsatz in weiteren Materialien 108 9 Ergebnisse und Diskussion der Fällungsexperimente 111 9.1 Untersuchungen zur Steuerung der Doppelaustauschreaktion zur reinen Calciumcarbonat-Fällung im Labor 111 9.2 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion im Labor 120 9.3 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion und Kalkmilchfällung im Extruder 132 9.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 149 10 Anwendungsversuche 152 10.1 Definition möglicher Einsatzgebiete für mineralisierte Cellulosestrukturen 152 10.2 Einfluss der Composite in der Laborblattbildung 154 10.3 Einfluss der Composite in anderen Materialien 159 10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 164 11 Zusammenfassung und Ausblick 166 Literaturverzeichnis 169 Anlagenverzeichnis 194 / This study presents a new approach for the production of hybrid fillers – composites of cellulose and precipitated calcium carbonate – for strength enhancement in paper as well as for applications beyond paper production (such as plastics as well as building fibre boards, filters or filter aids and foamforming products). The main focus was on the precipitation of CaCO3 via double exchange reaction with calcium halides (CaCl2) and alkali metal carbonates (mainly Na2CO3) onto chemically and mechanically modified fibrous materials in a twin screw extruder. The hypothesis underlying this PhD thesis was that it is possible to precipitate CaCO3 directly onto the fibres – through their altered charge properties after modification – by reactive extrusion, thus generating an irreversible attachment of the mineral filler to the cellulosic pulp. Reactive extrusion proved to be a promising method both, for the generation of carboxymethylated and fibrillated cellulose (CMFC) and for the in-situ precipitation of CaCO3 directly onto the CMFC for the production of fibre-reinforced fillers with optimised filler retention. Furthermore, it was investigated to what extent the CaCO3 morphology, crystal shape and size can be controlled by adjusting the reaction and process parameters and thus the resulting composite properties. In addition, the potential of the novel hybrid fillers in varying end-use applications – especially for increasing the strength of paper and improving the property profile of polypropylene – was demonstrated in application trials. The investigations showed that the functional fibre properties have a decisive influence on CaCO3 precipitation – both on the crystallisation and conversion processes – and thus on the resulting hybrid filler properties. In particular, the nucleation rate is reduced by the hydrogel-like surface of the CMFC and crystal growth is promoted, so that predominantly large CaCO3 crystals (≥ 3 µm) are formed on or in the hydrogel-like fibre surface. It was also shown that even with intensive mechanical treatment, up to 89 wt. % of the precipitated CaCO3 does not detach from the CMFC and is therefore irreversibly attached. This leads to an improvement in CaCO3 retention in laboratory sheet formation from 62 wt. % to 80 wt. % for hardwood pulp (BEKP) and from 38 wt. % to 91 wt. % for softwood pulp (NBSK). Furthermore, it could be shown that the hybrid fillers contribute to an increase in strength (tensile index) of 1.5 times for NBSK (16.4 Nm/g) and 2.1 times for BEKP laboratory sheets (26.2 Nm/g). This thesis work illustrates that reactive extrusion is an innovative and sustainable process for composite production and that the novel hybrid fillers promise potential for versatile use in varying materials.:Abstract I Zusammenfassung II Danksagung III Eidesstattliche Erklärung IV Abbildungsverzeichnis VIII Abkürzungsverzeichnis XIV Formelzeichen und Indizes XVIII Formelverzeichnis XXII Normen- und Methodenverzeichnis XXIII Tabellenverzeichnis XXVI 1 Einleitung 1 2 Allgemeiner Aufbau von Zellstofffasern 3 2.1 Holzquelle Wald 3 2.2 Anatomie des Holzes 3 2.3 Morphologische Eigenschaften und chemische Zusammensetzung der Zellwand 5 2.4 Chemischer Aufbau des Holzes 6 3 Von der Zellstofffaser zur Nanocellulose 11 3.1 Nanocellulosetypen 11 3.2 Mikrofibrillierte Cellulose – MFC 14 3.3 Einsatzmöglichkeiten für MFC 14 3.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von MFC 14 3.3.2 Einsatz von MFC in der Papierherstellung 15 3.4 Herstellung von MFC 16 3.4.1 Allgemeine Herstellung von MFC 16 3.4.2 Herstellung von MFC im Extruder 18 3.5 Chemische Modifizierung/Vorbehandlung von Faserstoffen 20 3.5.1 Carboxymethylcellulose – CMC 20 3.5.2 TEMPO-Oxidierte Cellulose 22 3.5.3 Carboxymethylierte, fibrillierte Cellulose – CMFC 24 4 Theorie der Fällung und Kristallisation 25 4.1 Fällung und Kristallisation im Allgemeinen 25 4.2 Keim- und Partikelbildung 29 4.2.1 Änderung der freien Enthalpie bei der Keim- und Partikelbildung 29 4.2.2 Löslichkeit und Übersättigung 30 4.2.3 Keimbildungskinetik 34 4.2.4 Keimbildungs- und Wachstumsrate 37 4.3 Kristallwachstum 39 4.3.1 Diffusionskontrolliertes und einbaulimitiertes Wachstum 39 4.3.2 Modellansätze von LaMer und Ostwald 41 4.4 Mechanismen zur Beeinflussung von Fällungsreaktionen 43 5 Calciumcarbonat – Eigenschaften, Herstellung, Einsatz 45 5.1 Stoffsystem Calciumcarbonat 45 5.1.1 Eigenschaften und Vorkommen 45 5.1.2 Modifikationen und Kristallformen 47 5.1.3 Bildung der wasserfreien Phasen – Calcit, Aragonit und Vaterit 50 5.1.4 Möglichkeiten zur Steuerung der Modifikationen und Kristallformen 55 5.2 Herstellung von Calciumcarbonat 57 5.2.1 Allgemein 57 5.2.2 Natürliches Calciumcarbonat – GCC 58 5.2.3 Synthetisches Calciumcarbonat – PCC 59 5.2.3.1 Fällung aus Kalkmilch 59 5.2.3.2 Doppelaustauschreaktion 60 5.2.3.3 Weitere technische Fällungs-Methoden 61 5.3 Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.1 Allgemeine Einsatzmöglichkeiten von Calciumcarbonat 62 5.3.2 PCC als funktioneller Füllstoff in der Papierherstellung 63 6 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen 66 6.1 Motivation 66 6.2 Stand der Technik 67 6.2.1 Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen zur Hybridfüllstoff-Herstellung 67 6.2.2 Weitere Methoden zur Hybridfüllstoff-Herstellung bzw. zur Verbesserung der Faser-Füllstoff-Interaktion 72 6.3 Prozesse bei der Calciumcarbonat-Fällung an Faseroberflächen und in Hydrogelen 76 7 Problemstellung 81 7.1 Idee und Ziel der Arbeit 81 7.2 Hypothesen der Arbeit 84 8 Material und Methoden 85 8.1 Material 85 8.1.1 Verwendete Zellstoffe und deren Modifizierung 85 8.1.2 Fällungsreagenzien/-chemikalien 86 8.1.3 Weitere Chemikalien und Materialien 87 8.2 Laborfällung 87 8.2.1 Versuchsaufbau 87 8.2.2 Versuchsdurchführung 88 8.3 Extruderfällung 93 8.3.1 Versuchsaufbau 93 8.3.2 Versuchsdurchführung 95 8.4 Messmethoden zur Materialcharakterisierung 98 8.4.1 Überblick über alle angewandten Messmethoden zur Calciumcarbonat-, Faserstoff- sowie Composite-Charakterisierung 98 8.4.2 Themenspezifische und adaptierte Messmethoden sowie Probenpräparation 100 8.5 Anwendung der Composite in unterschiedlichen Produkten 107 8.5.1 Composite-Einsatz in der Laborblattbildung 107 8.5.2 Composite-Einsatz in weiteren Materialien 108 9 Ergebnisse und Diskussion der Fällungsexperimente 111 9.1 Untersuchungen zur Steuerung der Doppelaustauschreaktion zur reinen Calciumcarbonat-Fällung im Labor 111 9.2 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion im Labor 120 9.3 Untersuchungen zur Composite-Bildung über Doppelaustauschreaktion und Kalkmilchfällung im Extruder 132 9.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 149 10 Anwendungsversuche 152 10.1 Definition möglicher Einsatzgebiete für mineralisierte Cellulosestrukturen 152 10.2 Einfluss der Composite in der Laborblattbildung 154 10.3 Einfluss der Composite in anderen Materialien 159 10.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 164 11 Zusammenfassung und Ausblick 166 Literaturverzeichnis 169 Anlagenverzeichnis 194

Ziel des Beitrages ist es, die für Beratungsprogramme (BEFU, BESyD, CCB) hinterlegten Richtwerttabellen und Parametersätze zu überarbeiten, neue Entwicklungen aufzuzeigen sowie die wichtigsten Literaturquellen zusammenfassend darzustellen. Auf Grund des Nachholbedarfs trifft das besonders für den ökologischen Landbau zu. Folgende Parameterdatensätze wurden ausführlich beschrieben: - Nährstoffgehalte der Haupt- und Nebenprodukte der Fruchtarten und Zwischenfrüchte - Nährstoffgehalte der Wirtschafts- und Handelsdünger - Ertragsabhängige EWR-Mengen der Fruchtarten - Abbauverhalten und Humifizierungskoeffizienten von Fruchtarten und organischen Materialien - N-Freisetzung aus organischen Materialien - N-Effizienzen von Anbausystemen mit mineralischer und organischer Düngung. Die Veröffentlichung richtet sich an Einrichtungen der Praxis, Beratung und Forschung.:1 Einleitung 2 Material und Methoden 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Nährstoffgehalte sowie Ernte- und Wurzelrückstände der Fruchtarten 3.1.1 Körnerfrüchte 3.1.2 Hülsenfrüchte 3.1.3 Ölfrüchte 3.1.4 Hackfrüchte 3.1.5 Samenvermehrung 3.1.6 Futterpflanzen 3.1.7 Zwischenfrüchte 3.2 Nährstoffgehalte von organischen Düngemitteln 3.2.1 Wirtschafts- und Sekundärrohstoffdünger 3.2.2 Organische Handelsdünger einschließlich Eigenprodukte 3.3 Abbauverhalten organischer Materialien 3.3.1 Getreidestroh 3.3.2 Kartoffelkraut 3.3.3 Gründünger 3.3.4 Ernte- und Wurzelrückstände 3.3.5 Organische Wirtschaftsdünger 3.3.6 Blätter und Nadeln von Baumarten, Torf und Holz 3.3.7 Abbaurangfolge der organischen Materialien 3.4 Ableitung von Humifizierungskoeffizienten für Fruchtarten und organische Materialien zur Humusbilanzierung 3.4.1 Fruchtartenkoeffizienten 3.4.2 Koeffizienten für organische Materialien und Düngemittel 3.5 Nährstoff-Freisetzung aus organischen Materialien im Jahr der Anwendung 3.5.1 Verhältniszahlen zwischen Kohlenstoff und anderen Nährstoffen 3.5.2 Einfluss der C:N-Verhältnisse auf die N-Freisetzung 3.5.3 Relationen zwischen den organisch gebundenen N- und den NH4-N-Anteilen der Düngemittel 3.6 NH3-N-Verluste aus gemulchten organischen Materialien 3.7 Einschätzung der Gesamt-N-Effizienz von Anbausystemen mit mineralischer oder organischer N-Zufuhr 4 Zusammenfassung 5 Literaturverzeichnis

Im Umfeld von Delitzsch befinden sich unter der etwa 100 m mächtigen Bedeckung aus tertiären Lockersedimenten mehrere magmatische Körper aus Karbonat. Im Jahr 2012 wurde durch die Deutsche Rohstoff AG bei Storkwitz eine 700 m tiefe Explorationsbohrung auf Seltene Erden Elemente abgeteuft. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde der Frage nachgegangen, wie und woher die Seltenen Erden in das Gestein hineingelangten. Die Ergebnisse können Hinweise auf möglicherweise bisher unbekannte Anreicherungen von Seltenen Erden in anderen Nebengesteinen als den Karbonatiten geben. Die Veröffentlichung liegt nur in englischer Sprache vor. / The Storkwitz-Carbonatite is a Late Cretaceous intrusive complex, which is well-explored by a relatively large number of exploration bore holes both from the 1970ies, 1980ies and from one more recent bore hole, SES-1/2012. The carbonatite complex hosts a (currently) marginally economic mineralisation of rare earth elements (REE) and niobium, which is technically still difficult to recover. The upper part of the carbonatitic body is located some 100-120 m below the Pre-Cenozoic land surface, which in turn is overlain by approximately 100 m of glacial, fluvio-glacial, and fluviatile sediments. The aim of this study was to characterize the mineralisation in the upper part of the intrusion geochemically and mineralogically and to try to identify indications of a supergene overprint on the late magmatic to hydrothermal mineralisation. Fresh drill core samples from the exploration bore hole SES-1/2012 have revealed that the mineralisation is associated with a carbonatitic igneous breccia body and also with several alvikite veins. The breccia body is very heterogeneous, displays a variety of matrix colours and also a range of matrix-to-clast ratios.

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

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Im Osterzgebirge sowie im nordöstlich daran angrenzenden Elbtalschiefergebirge wurde mit Unterbrechungen über mehrere Jahrhunderte Bergbau auf Eisen betrieben. Für die Besiedlung, den Bergbau auf andere Metalle, die Landwirtschaft und das Handwerk in der Region hatte der Eisenerzbergbau eine gewisse Bedeutung. Im Gegensatz zum Silber- und Buntmetallbergbau ist über den Eisenerzbergbau allerdings nur relativ wenig bekannt. Das Ziel dieser Diplomarbeit bestand deshalb darin, eine zusammenfassende geologisch-geographische Darstellung, die sowohl den historischen Eisenerzbergbau im Osterzgebirge als auch den historischen Eisenerzbergbau im Elbtalschiefergebirge beinhaltet, zu erarbeiten. Um ein hohes Maß an Vollständigkeit zu gewährleisten, wurden die Erkenntnisse aus Archiven, Bibliotheken und Sammlungen zusammengetragen. Überdies wurde auch auf das Fachwissen von Heimatvereinen, Bergbaumuseen und Hobbyhistorikern zurückgegriffen. Ferner wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welche Typen von Eisenerzlagerstätten es im Osterzgebirge und im Elbtalschiefergebirge gab, wie diese entstanden sind, um welche Mineralisation und um welche Art von Eisenerztypen es sich dabei handelt. Mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Methoden der Analytik (REM-EDX) werden zudem die Mineralparagenese und die chemische Zusammensetzung von historischen und neuen Eisenerzproben aus dem Osterz- und Elbtalschiefergebirge untersucht. Ferner wird den Fragestellungen nachgegangen, wann diese Eisenerzlagerstätten erschlossen wurden, über welchen Zeitraum sie unter Abbau standen und wie viel Eisenerz aus den jeweiligen Gruben gefördert wurde. Hierfür erfolgte eine detaillierte Dokumentation der wichtigsten ehemaligen Eisenerzlagerstätten mit den dazugehörigen Zeugnissen des historischen Eisenerzbergbaus. Darauf aufbauend werden die Bedeutung des Eisenerzbergbaus und des daran angeschlossenen Eisenhüttenwesens für die wirtschaftliche und kulturelle Entwicklung des Gebietes untersucht. Des Weiteren werden die regionalen Beziehungen zu anderen Bergbau- und Wirtschaftszweigen aufgezeigt. Der Prozess des Aufbrechens der regionalen Wirtschaftsstrukturen im Zuge der Industrialisierung wird eingehend erläutert. Und die Gründe für den Niedergang des Eisenerzbergbaus und Eisenhüttenwesens werden ebenfalls genannt. Danach erfolgt eine Betrachtung darüber, welche bergbauhistorischen Zeugnisse heute im Gelände noch auffindbar bzw. welche Nachfolgenutzungen an den Standorten des historischen Eisenerzbergbaus und des Eisenhüttenwesens gegenwärtig vorhanden sind. Abschließend wird erläutert welche Schlussfolgerungen für die Nutzung des geotouristischen Potenzials sich daraus ergeben.

Im Osterzgebirge sowie im nordöstlich daran angrenzenden Elbtalschiefergebirge wurde mit Unterbrechungen über mehrere Jahrhunderte Bergbau auf Eisen betrieben. Für die Besiedlung, den Bergbau auf andere Metalle, die Landwirtschaft und das Handwerk in der Region hatte der Eisenerzbergbau eine gewisse Bedeutung. Im Gegensatz zum Silber- und Buntmetallbergbau ist über den Eisenerzbergbau allerdings nur relativ wenig bekannt. Das Ziel dieser Diplomarbeit bestand deshalb darin, eine zusammenfassende geologisch-geographische Darstellung, die sowohl den historischen Eisenerzbergbau im Osterzgebirge als auch den historischen Eisenerzbergbau im Elbtalschiefergebirge beinhaltet, zu erarbeiten. Um ein hohes Maß an Vollständigkeit zu gewährleisten, wurden die Erkenntnisse aus Archiven, Bibliotheken und Sammlungen zusammengetragen. Überdies wurde auch auf das Fachwissen von Heimatvereinen, Bergbaumuseen und Hobbyhistorikern zurückgegriffen. Ferner wird im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welche Typen von Eisenerzlagerstätten es im Osterzgebirge und im Elbtalschiefergebirge gab, wie diese entstanden sind, um welche Mineralisation und um welche Art von Eisenerztypen es sich dabei handelt. Mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Methoden der Analytik (REM-EDX) werden zudem die Mineralparagenese und die chemische Zusammensetzung von historischen und neuen Eisenerzproben aus dem Osterz- und Elbtalschiefergebirge untersucht. Ferner wird den Fragestellungen nachgegangen, wann diese Eisenerzlagerstätten erschlossen wurden, über welchen Zeitraum sie unter Abbau standen und wie viel Eisenerz aus den jeweiligen Gruben gefördert wurde. Hierfür erfolgte eine detaillierte Dokumentation der wichtigsten ehemaligen Eisenerzlagerstätten mit den dazugehörigen Zeugnissen des historischen Eisenerzbergbaus. Darauf aufbauend werden die Bedeutung des Eisenerzbergbaus und des daran angeschlossenen Eisenhüttenwesens für die wirtschaftliche und kulturelle Entwicklung des Gebietes untersucht. Des Weiteren werden die regionalen Beziehungen zu anderen Bergbau- und Wirtschaftszweigen aufgezeigt. Der Prozess des Aufbrechens der regionalen Wirtschaftsstrukturen im Zuge der Industrialisierung wird eingehend erläutert. Und die Gründe für den Niedergang des Eisenerzbergbaus und Eisenhüttenwesens werden ebenfalls genannt. Danach erfolgt eine Betrachtung darüber, welche bergbauhistorischen Zeugnisse heute im Gelände noch auffindbar bzw. welche Nachfolgenutzungen an den Standorten des historischen Eisenerzbergbaus und des Eisenhüttenwesens gegenwärtig vorhanden sind. Abschließend wird erläutert welche Schlussfolgerungen für die Nutzung des geotouristischen Potenzials sich daraus ergeben.

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.