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Die Elektronenstrahl-Mikrosonde

und Anwendung am Beispiel der Hornblende Geobarometrie

Die Mikrosonde ist eine Kombination aus Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop und Röntgenspektralanalysator.
Durch Elektronenbeschuß werden auf der Probe Röntgenstrahlen mit jeweils elementtypischen Wellenlängen bzw. Energie freigesetzt. Bei der wellenlängendispersiven Analyse werden die gewünschten Wellenlängen mit Hilfe eines Analysatorkristalls herausgefiltert und auf die Zähler reflektiert.
Danach wird die Probe gegen einen Standard ausgetauscht und die Meßwerte verglichen.

Die Vorteil dieser Untersuchungsmethode sind:

  • Mineralkörner können im Gesteinsverband analysiert werden
  • Es wird nur eine geringe Probenmenge (ein Mineralkorn) benötigt
  • Variationen im Chemismus eines Mineralkorns können quantitativ erfasst werden.

    Die Mikrosonde eignet sich für die Analyse von Haupt- und Nebenelementen, wobei die Nachweisgrenze bei rund 1 ppm liegt. Das entspricht 0,01 bis 0,08 Gew%.

    Vorgänge auf der Probe:

    1. Elektronen werden absorbiert und sind als Probenstrom direkt meßbar. Daher muss die Probe leitend gemacht werden, meist durch Bedampfung mit Kohlenstoff.

    2. Elektronen werden rückgestreut und lassen Aussagen über die Topographie und die mittlere Ordnungszahl der Probe zu.

    3. Sekundäre Elektronen werden ausgelöst und bilden die Oberfläche ab.

    4. Röntgenfluoreszenz ermöglicht qualitative und quantitative Analysen

    5. Es kann Kathodenlumineszenz auftreten.

    Meßmethoden

    1. Punktmessung. Dabei wird ein Punkt auf dem Präparat mit dem Strahl erfasst und die spezifischen Wellenlängen werden gemessen.
      1. qualitativ: Der Punkt wird angefahren, die Zusammensetzung nach der Impulsrate geschätzt. Bei unbekannten Substanzen durchfährt das Spektrometer einen vorgegebenen 2 theta-Kreis und registriert alle Peaks, ähnlich wie ein Diffraktometer. (Das energiedispersive Verfahren ist in diesem Fall allerdings vorzuziehen)
      2. quantitativ: In einem vorgegebenen Zeitraum werden Probe und Standard gemessen, die Impulsraten werden ins Verhältnis gesetzt.

    2. Linienmessung: Auf der Probe wird eine vorgegebene Linie gemessen und die Elementverteilung ermittelt.

    3. Flächenscanning: In einer vorgegebenen Zeit wird ein Teil der Probe mit dem Strahl flächig abgefahren.

    4. Röntgenbild: Wie bei 3. werden die Röntgenimpulse auf dem Bildschirm als Elementverteilungsbild abgebildet.

    5. Bilderzeugung mit rückgestreuten Elektronen: Zeigt die mittlere Ordungszahl und die Topographie der Probe.

    6. Bilderzeugung mit sekundären Elektronen: Die Mikrosonde wirkt wie ein Rasterelektronenmikroskop.

    7. Bilderzeugung mit absorbierten Elektronen: Gibt ein zu 5. analoges, aber negatives Bild.

    Beispielrechnung einer Hornblende

    Die analysierten Elemente wurden in Oxid-Gewichtsprozent untereinander aufgelistet (Spalte 1 und 2). Einheitlich wird dabei mit den +4 wertigen begonne und dann kommen die +3, die +2 und schliesslich die +1 wertigen Elemente. H2O und Fe3+ können normalerweise nicht von der Mikrosonde erfasst werden. Wasser wird berechnet, indem man eine ansonsten vollständige Analyse auf 100 normiert und die Differenz zur tatsächlichen Summe als H2O-Anteil angenommen wird.
    Fe wird pauschal als FeO angegeben.
    Spalte 3 gibt die Molekulargewichte der Oxide wieder. Man erhält sie, indem man z.B. SiO2 nimmt und die einzelnen Atomgewichte zusammenzählt. Im Beispiel sind das Silizium mit 28,09 und zweimal Sauerstoff mit je 16,00. Zusammen also 60,09. Die Molekularmenge in Spalte 4 erhält man, indem man die Oxidgewichte durch die Molekulargewichte dividiert.
    Multipliziert man die Molekularmenge mit der Anzahl der im Oxid vertretenen Sauerstoffatome, so erhält man das Atomverhältnis zum Sauerstoff in Spalte 5. Im Beispiel ist als Berechnungsbasis die Gesamtsauerstoffanzahl 24 (inklusive der OH), bei den Geobarometrieberechnungen wird die Berechnungsbasis 23 (ohne OH) gewählt.
    Diese Zahl wird durch die Summe der Spalte 5 geteilt. Die Atomverhältnisse bezogen auf die Kationen in Spalte 6 erhalten wir, indem wir diesen Wert mit denen der Spalte 5 multiplizieren. Spalte 7 zeigt die Verhältnisse Kation - Sauerstoff in dem jeweiligen Oxid, z.B. Al2O3 = 2/3 = 0,66. Multiplizieren wir nun die Werte von Spalte 6 mit denen von Spalte 7, so erhalten wir die Ionen pro Formeleinheit in Spalte 8.

    Oxide Oxide
    in Gew%     		Molekulargewicht
    der Oxide     		Molekular-
    menge     		Atomverhältnis
    Sauerstoff     		Atomverhältnis
    Kationen     		Verhältnis
    Kation/Sauerstoff     		Ionen pro
    Formeleinheit
    SiO2 51,63 60,09 0,8592 1,7184 14,3931 0,5 7,1966
    Al2O3 7,39 101,94 0,0725 0,2175 1,8216 0,66 1,2022
    Fe2O3 2.50 159,70 0,0157 0,0470 0,3934 1,00 0,3934
    FeO 5,30 71,85 0,0738 0,0738 0,6178 1,00 0,6178
    MnO 0,17 70,94 0,0024 0,0024 0,0201 1,00 0,0201
    MgO 18,09 40,32 0,4487 0,4487 3,7579 1,00 3,7579
    CaO 12,32 56,08 0,2197 0,2197 1,8400 1,00 1,8400
    Na2O 0,61 61,98 0,0098 0,0098 1,8400 2,00 0,1649
    H20+ 2,31 18,02 0,1282 0,1282 1,0737 2,00 2,1474
    Summe 2,8654
    Sauerstoff / Summe 8,3758

    Die allgemeine Summenformel für Amphibole lautet:

    X2-3Y5((OH|F)2/Z8O22)

    Mit:

    X = Ca2+, Na+, Mn2+
    Y = Mg2+, Fe2+, Al3+, Fe3+, Ti4+
    Z = Si4+, Al3+

    Somit lautet die genaue chemische Summenformel unseres oben gemessenen Amphibols: Ca1,84Na0,16Mn0,02)2,02(Mg3,76Fe2+0,62Fe3+0,26Al0,41)5,05(((OH)2,15/Al0,8Si7,2)8O22)

    Aluminium kan in einem Amphibol sowohl die Y als auch die Tetraederposition (Z) besetzen, also muss der Aluminiumgehalt der Analyse aufgeteilt werden. Dazu geht man folgendermaßen vor: Auf der Tetraederposition Z müssen sich 8 Atome befinden. In unserem Beispiel sind davon 7,2 Positionen mit Silizium besetzt, so dass noch 0,8 Positionen für Aluminium frei bleiben. Dadurch verringert sich der Aluminium Anteil in der Y Position auf 0,41.

    Geobarometrie

    Der Aluminiumgehalt (Ionen pro Formeleinheit) von Hornblenden soll nach Hammarstrom & Zen (1986 )und Hollister et al. (1987) mit der Kristallisationstiegfe korrelieren. Dabei geben Hammarstrom & Zen (1986) eine Beziehung von:
    P(kbar) = -3,92 + 5,03 Altotal (+/- 3 kbar)

    Nach Hollister et al. (1987):

    P(kbar) = -4,76+5,64 Altotal (+/- 1 kbar

    Literatur

    Hammarstrom, J.M, Zen, E. (1986): Aluminium in hornblende: An empirical igneous geobarometer. American Mineralogist 71 p. 1297 - 1313.

    Hollister, L.S. et al. (1987): Confirmation of the empirical correlation of Al in hornblende with pressure of solidification of calcic-alkaline plutons. American Mineralogist 72, p. 231 - 239.

    © 2004 Gunnar Ries

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