Mainz, Universiẗat, Diss., 2001.

Zugl.: Karlsruhe, University, Diss., 2006.

Zugl.: Augsburg, Universiẗat, Diss., 2006.

Zugl.: Freiburg (Breisgau), University, Diss., 2005.

Techn. University, Diss., 2005--Clausthal.

The Kaapvaal Craton hosts a number of large gold deposits (e.g. Witwatersrand Supergroup) which mining companies have exploited at certain stratigraphic positions. It also hosts the largest platinum group element (PGE) deposits (e.g. Bushveld Igneous Complex) which mining companies have exploited in different mineralised layered magmatic zones. In spite of the extensive exploration history in the Kaapvaal Craton, the origin of the Witwatersrand gold deposits and Bushveld Igneous Complex PGE deposits has remained one of the most debated topics in economic geology. The goal of this study was to identify the geochemical characteristics of marine shales in the Barberton, Witwatersrand, and Transvaal supergroups in South Africa in order to make inferences on their sediment provenance and siderophile element endowments. Understanding why some of the Archaean and Proterozoic hinterlands are heavily mineralised, compared to others with similar geological characteristics, will aid in the development of more efficient exploration models. Fresh, unmineralised marine shales from the Barberton (Fig Tree and Moodies groups), Witwatersrand (West Rand and Central Rand groups), and Transvaal (Black Reef Formation and Pretoria Group) supergroups were sampled from drill core and underground mining exposures. Analytical methods, such as X-ray powder diffraction (XRD), optical microscopy, X-ray fluorescence (XRF), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and electron microprobe analysis (EMPA) were applied to comprehensively characterise the shales. All of the Au and PGE assays examined the newly collected shale samples. The Barberton Supergroup shales consist mainly of quartz, illite, chlorite, and albite, with diverse heavy minerals, including sulfides and oxides, representing the minor constituents. The regionally persistent Witwatersrand Supergroup shales consist mainly of quartz, muscovite, and chlorite, and also contain minor constituents of sulfides and oxides. The Transvaal Supergroup shales comprise quartz, chlorite, and carbonaceous material. Major, trace (including rare-earth element) concentrations were determined for shales from the above supergroups to constrain their source and post-depositional evolution. Chemical variations were observed in all the studied marine shales. Results obtained from this study revealed that post-depositional modification of shale chemistry was significant only near contacts with over- and underlying coarser-grained siliciclastic rocks and along cross-cutting faults, veins, and dykes. Away from such zones, the shale composition remained largely unaltered and can be used to draw inferences concerning sediment provenance and palaeoweathering in the source region and/or on intrabasinal erosion surfaces. Evaluation of weathering profiles through sections of the studied supergroups revealed that the shales therein are characterised by high chemical index of alteration (CIA), chemical index of weathering (CIW), and index of compositional variability (ICV), suggesting that the source area was lithologically complex and subject to intense chemical weathering. A progressive change in the chemical composition was identified, from a dominant ultramafic–mafic source for the Fig Tree Group to a progressively felsic–plutonic provenance for the Moodies Group. The West Rand Group of the Witwatersrand Supergroup shows a dominance of tonalite–trondhjemite–granodiorite and calcalkaline granite sources. Compositional profiles through the only major marine shale unit within the Central Rand Group indicate the progressive unroofing of a granitic source in an otherwise greenstone-dominated hinterland during the course of sedimentation. No plausible likely tectonic setting was obtained through geochemical modelling. However, the combination of the systematic shale chemistry, geochronology, and sedimentology in the Witwatersrand Supergroup supports the hypothesised passive margin setting for the >2.98 to 2.91 Ga West Rand Group, and an active continental margin source for the overlying >2.90 to 2.78 Ga Central Rand Group, along with a foreland basin setting for the latter. Ultra-low detection limit analyses of gold and PGE concentrations revealed a variable degree of gold accumulation within pristine unmineralised shales. All the studied shales contain elevated gold and PGE contents relative to the upper continental crust, with marine shales from the Central Rand Group showing the highest Au (±9.85 ppb) enrichment. Based on this variation in the provenance of contemporaneous sediments in different parts of the Kaapvaal Craton, one can infer that the siderophile elements were sourced from a fertile hinterland, but concentrated into the marine shales by a combination of different processes. It is proposed that accumulation of siderophile elements in the studied marine shales was mainly controlled by mechanical coagulation and aggregation. These processes involved suspended sediments, fine gold particles, and other trace elements being trapped in marine environments. Mechanical coagulation and aggregation resulted in gold enrichments by 2–3 orders of magnitude, whereas some of the gold in these marine shales can be reconciled by seawater adsorption into sedimentary pyrite. For the source of gold and PGEs in the studied marine shales in the Kaapvaal Craton, a genetic model is proposed that involves the following: (1) A highly siderophile elements enriched upper mantle domain, herein referred to as “geochemically anomalous mantle domain”, from which the Kaapvaal crust was sourced. This mantle domain enriched in highly siderophile elements was formed either by inhomogeneous mixing with cosmic material that was added during intense meteorite bombardment of the Hadaean to Palaeoarchaean Earth or by plume-like ascent of relics from the core–mantle boundary. In both cases, elevated siderophile elements concentrations would be expected. The geochemically anomalous mantle domain is likely the ultimate source of the Witwatersrand modified palaeoplacer gold deposits and was tapped again ca. 2.054 Ga during the emplacement of the Bushveld Igneous Complex. Therefore, I propose that there is a genetic link (i.e. common geochemically anomalous mantle source) between the Witwatersrand gold deposits and the younger Bushveld Igneous Complex PGE deposits. (2) Scavenging of crustal gold by various surface processes such as trapping of gold from Archaean/Palaeoproterozoic river water on the surface of local photosynthesizing cyanobacterial or microbial mats, and reworking of these mats into erosion channels during flooding events. The above two models complement each other, with model (1) providing a common geological source for the Witwatersrand gold and Bushveld Igneous Complex PGE deposits, and model (2) explaining the processes responsible for Witwatersrand-type gold pre-concentration processes. In sequences such as the Transvaal Supergroup, a less fertile hinterland and/or less reworking of older sediments led to a correspondingly lower gold endowment. These findings indicate temporal distribution of siderophile elements in the upper crust (e.g. marine shales). The overall implications of these findings are that background concentrations of gold and PGEs can be used to target potential exploration areas in other cratons of similar age. This increases the likelihood of finding other Witwatersrand-type gold or Bushveld Igneous Complex-type PGE deposits in other cratons. / Der Kaapvaal Kraton beherbergt eine Vielzahl großer Goldlagerstätten (vor allem in der Witwatersrand Hauptgruppe), die von Bergbaugesellschaften in ihrer jeweiligen stratigraphischen Position abgebaut werden. Im diesem Kraton liegen auch die größten Lagerstätten für Platingruppenelemente (vornehmlich im Bushveld Komplex), die aus diversen magmatischen Intrusionskörpern gewonnen werden. Trotz der intensiven und langen Explorationsgeschichte im Bereich des Kaapvaal Kratons ist die Herkunft des Goldes in den Witwatersrand Lagerstätten und die der Platingruppenelemente in den Lagerstätten des Bushveld-Komplex noch ungeklärt und Gegenstand aktueller Diskussionen. Ziel der Arbeit war die geochemische Charakterisierung von Tonschiefern in den Barberton-, Witwatersrand und Transvaal-Hauptgruppen, um Aussagen über deren Provenienz zu treffen und die Gehalte an siderophilen Elementen darin zu ermitteln. Ein verbessertes Verständnis, warum manche archaischen und proterozoischen Einheiten stark mineralisiert sind und andere nicht, sollte bei der Planung zukünftiger Explorationsprojekte dienlich sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden unalterierte und nicht mineralisierte Proben mariner Tonschiefer aus der Barberton Hauptgruppe (Fig Tree und Moodies Gruppen), der Witwatersrand Hauptgruppe (West Rand und Central Rand Gruppen) und der Transvaal Hauptgruppe (Black Reef Formation und Pretoria Gruppe) aus Untertage Bergbau-Bereichen sowie aus Bohrkernen genommen. Zur Charakterisierung der Tonschiefer kamen verschiedene Methoden zum Einsatz, darunter die Pulverdiffraktometrie (XRD), Durchlichtmikroskopie, Röntgenfluoreszenz (XRF), Optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES), Laserablationsmassenspektrometrie (ICP-MS) und Elektronenstrahlmikrosonde (EMPA), sowie Bestimmung der Gold und Platingruppen-Elementkonzentrationen mittels Graphitrohr-AAS nach Voranreicherung mit der Nickelsulfid-Dokimasie. Die untersuchten Tonschiefer verhielten sich seit ihrer Ablagerung als größtenteils geschlossene Systeme. Nur entlang der Kontakte mit unter- und überlagernden grobkörnigeren Metasedimentgesteinen sowie entlang durchkreuzender Störungen, Quarzadern und Gängen konnte lokal nennenswerte Alteration festgestellt werden. Solche Zonen wurden explizit von der Provenienz-Analyse ausgenommen. Systematische Unterschiede in der primären chemischen Zusammensetzung einzelner Tonschiefer-Abfolgen belegen unterschiedliche Sedimentquellen. So wurde in der Barberton Hauptgruppe der Sedimenteintrag der Fig Tree-Gruppe von einer ultramafisch-mafischen Quelle dominiert, während in der Moodies-Gruppe felsische Quellen eine zunehmende Rolle spielten. In der Witwatersrand Hauptgruppe wurde eine Dominanz von Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit sowie kalkalkaline Granite im Liefergebiet der West Rand Gruppe festgestellt, während in der Central Rand Gruppe anfänglich mafisch-ultramafische Gesteine im Sedimentliefergebiet vorherrschten, im Lauf der Zeit aber granitische Gesteine mehr und mehr durch Erosion im Hinterland freigelegt worden waren. Die Geochemie der Witwatersrand Tonschiefer unterstützt die Hypothese, dass die Sedimente der West Rand Gruppe an einem passiven Kontinentalrand abgelagert wurden, jene der Central Rand Gruppe in einem Vorlandbecken. Alle untersuchten archaischen Tonschiefer zeigen, verglichen mit dem Durchschnitt der oberen Erdkruste, deutlich erhöhte Gehalte an Gold und Platingruppenelementen, wobei die marinen Tonschiefer aus der Central Rand Gruppe mit durchschnittlich 9,85 ppm Au die höchsten Konzentrationen aufweisen. Die Gehalte an siderophilen Elementen in der palaeoproterozoischen Transvaal Hauptgruppe nähern sich hingegen typischen kontinentalen Krustenwerten an. Der verstärkte Eintrag von Au und PGE in die archaischen marinen tonigen Sedimente wird durch mechanische Koagulation und Aggregation erklärte, wobei feinstkörnige Goldpartikel im suspendierten Sediment weit ins Meer transportiert worden sind. Adsorption von Au aus Meerwasser an syn-sedimentärem Pyrit spielte auch eine Rolle, aber keine ausschlaggebende. Für die Quelle des Goldes und der Platingruppenelemente in den untersuchten Tonschiefern wurde folgendes genetisches Modell entwickelt. (1) Es wird angenommen, dass sich die Kaapvaal-Kruste aus einem Mantelreservoir differenzierte, welches an siderophilen Elementen angereichert war. Diese Anreicherung könnte entweder das Produkt eines nicht vollständig homogenisierten Eintrags kosmischen Materials sein, welches im Hadaikum oder im Paläoarchaikum durch intensives Meteoritenbombardement eingebracht wurde, oder durch den Aufstieg eines Manteldiapirs aus dem Bereich der Kern-Mantel-Grenze. (2) Tiefgründige Verwitterung unter anoxischen Bedingungen ermögliche die Freisetzung großer Mengen von Au, welches in gelöster Form über Oberflächenwässer in den archaischen Ozean transportiert wurde. Hinweise auf solch intensive Verwitterung liefern die geochemischen Daten der hier untersuchten Tonschiefern, insbesondere hohe chemische Alterationsindizes. Fixierung dieses Goldes durch verschiedene Oberflächenprozesse, wie Filterung aus archaischen/paläoproterozoischen Flüssen durch Photosynthese-betreibende Bakterienrasen führte vor allem im Mesoarchaikum in Zeiten der Sedimentation der Central Rand Gruppe zu lokal extremen Goldanreicherungen, die in der Folge durch Erosion und mechanischen Transport großteils weiter umgelagert wurden. Punkt 1 könnte eventuell die räumliche Nähe der weltweit größten bekannten Goldanomalie im Witwatersrand Becken und der größten PGE-Anomalie im Bushveld Komplex erklären. In wie weit die erhöhten Hintergrundkonzentrationen von Gold und Platingruppenelementen im Kaapvaal Kraton einzigartig sind, gilt es in zukünftigen Studien dieser Art auch an marinen Tonschiefern aus dem Archaikum in anderen Kratonen zu testen.

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 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.