Mineralogische Untersuchungen (Text) - KIT

11. Stunde: Mineralogische Untersuchungen und Probenahme
Mineralogische Untersuchungen
Wie bei jeder geologischen Untersuchung müssen Mineralogie und Petrographie der
angetroffenen Gesteine und besonders der mineralisierten Bereiche untersucht werden (z.B.
Stoffbestand, Charakteristika; Rekonstruktion genetischer Prozesse). Mineralogischpetrographische Untersuchungen sind für Vorkommen von Industriemineralen, Steine und
Erden vorrangig vor (nachfolgenden) chemischen Analysen, während bei Erzmineralisationen
primär der Metallgehalt interessiert, für die Metallgewinnung (im Stadium der
Erzaufbereitung und z.T. für die Verhüttung) aber die mineralogisch-petrographischen
Charakteristika des Erzes (von Erzmineralen und Gangart/gangue) wichtig sind.
Anwendung in allen Phasen der Erkundung und Gewinnung, z.B.:
- Feldarbeit/Prospektionsphase: Bestimmung der Lithologie und petrographischer
Merkmale, Erzminerale in der Mineralisation (sekundäre und primäre),
Alterationsminerale;
- Exploration und Detailexploration: Material aus natürlichen und künstlichen
Aufschlüssen, Bohrmaterial (am Kern, eventuell am Schwermineralkonzentrat aus
Sand der Schlagbohrungen) zur Feststellung von vererzten Abschnitten, Bestimmen
der Veränderungen von Mineralinhalt und Charakteristika;
- Abbau: Roherz und Aufbereitungsprodukte (Zwischenprodukte, Konzentrate,
Aufbereitungsabgänge/rejects/tailings
(Kontrolle
und
Optimierung
des
Gewinnungsprozesses;
Verringerung
der
Verluste
durch
verändertes
Aufbereitungsverfahren); Materialabgleich/material balance zwischen Roherz
(Aufgabe) und Produkten (Konzentrate und tailings);
Probenmaterial: Festgestein (aus Aufschluß, Bohrkern, Versuchsabbau), chips und feines
Material aus Bohrungen, Aufbereitungsprodukte. Eventuell Siebung für einfachere
Untersuchung an den verschiedenen Korngrößenfraktionen.
Ziele der mineralogischen Untersuchung am Erz:
-
Art der Wertminerale und Gangart
Gehalt (Häufigkeit) an diversen Wertmineralen
Chemische Zusammensetzung der einzelnen Mineralarten,
sekundäre Veränderungen an den Mineralen, teufenveränderlich
prozentuale Verteilung der Wertmetalle auf die verschiedenen Wertminerale
störende oder Wert-mindernde Komponenten, Wert-erhöhende Elemente in Mineralen
Korngrößen, Kornformen, Korngrößenverteilung
Verwachsungsverhältnisse
Veränderungen dieser Charakteristika in verschiedenen Lagerstättenteilen.
Beispiel Mineraltyp:
Gesuchtes Metall: als Oxid (primär, sekundär)? Sulfid? Silikat? Elementar? In zwei oder drei
Formen (z.B. als Oxid und Sulfid)?
z.B. Sn im Zinnstein (als Oxid, SnO2, durch Schweretrennung gewinnbar), im Stannit (als
Sulfid, Cu2FeSnS4, durch Flotation gewinnbar), in Silikaten (Granat; Sn-Verlust, da nicht aus
Granat gewinnbar!)
z.B. Ag: elementar? Als Salz (z.B. Chlorargyrit, AgCl, Oxidzone)? Als Sulfid (z.B.
Akanthit)? Als Sulfosalz (z.B. im Tetreadrit)? Tellurid (z.B. als Hessit, AgTe2)?
(aufbereitungstechnisch verschieden zu behandeln).
Beispiele unerwünschte Gangart:
• Kalkstein-Aufbereitung mit ungewöhnlich hohem Verschleiß an Brecher und
Mühlen/Abrieb; mineralogisch: hoher Quarzanteil festgestellt.
• z.B. asbestiforme Minerale in Industriemineral-Lagerstätten: gesundheitsgefährdend
• z.B. Karbonatanteile, die saure Laugung sehr teuer machen (hoher Säureverbrauch,
z.B. bei U-Gewinnung durch Laugung).
• z.B. Serizit, Tonminerale, Talk (Schwierigkeiten bei der Aufbereitung); Beispiel
Wolframit/Zinnstein-Vererzung in tropischem Gebiet (Tenasserim/Burma): starke
Tonmineralbildung in der mineralisierten Zone, dadurch unzureichende Trennung der
Wertminerale von Gangart, letztlich unökonomische Lagerstätte wegen nicht gelöster
Aufbereitungsprobleme.
Beispiel unerwünschte Komponenten: Art des Minerals mit problematischer
Zusammensetzung (Verhüttungsprobleme! Umwelt- und gesundheitsschädlich)
• z.B. Sulfosalze: Verbindungen mit As, Sb, Bi, Hg-Anteilen (auch in Spuren),
• Zinkblende mit Cd, Tl, Hg (alter Bergbau bei Wiesloch)
• z.B. Aufbereitungsrückstände von Zinnseifen: begleitende Schwerminerale mit U, ThAnteilen: radioaktive Strahlung
• Beispiel: Zinnober (HgS) und Hg in solid solution im Tetraedrit in Konzentraten aus
Cu-Au-Ag Mine in Irland, verarbeitet von Hütte (Belgien): jahrelang unbemerkte
starke Belastung weiter Teile Westeuropas durch Hg aus Hüttenrauch. Lösung:
Gewinnung des Quecksilbers in der Aufbereitungsanlage (Abtrennung des Zinnobers:
1334 Flasks (à etwa 34.7 kg) = 46.7 t Hg in 1973).
Methoden:
Im Aufschluss, am Bohrkern: Lupe, Binokular, u.U. UV-Licht; Bestimmung Erztyp,
Erzminerale, Handstück-Auswahl für Dünnschliffe, Erzanschliffe;
Schwermineralkonzentrate: u.U. UV-Licht (Scheelit CaWO4, Powellit CaMoO4,
Spodumen, Baryt (z.T.), Flussspat); kann auch im Aufschluss interessant sein zur Feststellung
diverser Sekundärminerale wie Autunit (hydroxylhaltiges Ca-U-Phosphat), Calamin
(Sammelbegriff für oxidiertes Zinkerz), Willemit Zn2SiO4, Smithsonit ZnCO3, Hydrozinkit
Zn5(CO3)2(OH)6, Anglesit PbSO4, Pyromorphit Pb5(PO4)3Cl, Cerussit PbCO3 etc. Abb.
Fluoreszenz
Im Labor:
• optisch (Binokular, Polarisationsmikroskop (Durchlicht, Auflicht)),
• Röntgendiffraktometrie,
• Elektronenmikroskopie,
• Mikrosonde (sehr kleine, optisch nicht eindeutig identifizierbare Minerale, chemische
Zusammensetzung, Texturen, Porosität, mit entsprechender Software auch
automatische Quantifizierung).
Weitere Methoden:
• DTA (für Tone);
• Autoradiographie (Feststellung sehr kleiner U/Th-haltiger Partikel),
• Kathodoluminiszenz etc.
Quantitative Analysen: Korngrößen und Kornformen, Anteile der jeweiligen Minerale;
Geräte zur automatischen oder halbautomatischen Erfassung ersetzen die Messung des
Bearbeiters am Mikroskop (Point counting): Automatisches SEM zur direkten Bestimmung
von Erzen und Aufbereitungsprodukten auf der Grundlage von Partikel-Zusammensetzung,
Mineralen und ihrer Zusammensetzung, Textur und physikalischen Charakteristika (MLA:
mineral liberation analyser): simultane Identifizierung und Quantifizierung des
Mineralbestandes, der Korngröße, Kornform und Korngrößenverteilung, der räumlichen
Beziehungen untereinander.
Messungen an einer großen Anzahl von Präparaten (meist Anschliffen) von Probenmaterial
aus Bohrkernen, Handstücken, Aufbereitungsprodukten etc., einschließlich bildlicher
Darstellung bei unterschiedlicher Vergrößerung, Identifizierung der Partikel mit
Hochgeschwindigkeits-XRD.
Siebung (Sand, Kies, Aufbereitungsprodukte; Siebkurven für Rohmaterial und für Produkte),
Rundungsgrad-Bestimmung (Kies);
Wichtig für Aufbereitung: Gehalt an Wertmineralen in jeweiligen Korngrößenfraktionen;
Bestimmung des optimalen Aufmahlungsgrades zur möglichst vollständigen Gewinnung des
Wertminerals ins Konzentrat.
Untersuchung der Tailings als Kontrolle der Qualität der Aufbereitung und besonders im
Fall hoher Aufbereitungsverluste (erläutern).
• Z.B. Gold: rusty gold nicht gewinnbar durch Cyanidlaugung wegen FeOxid/Hydroxid-Überzug),
• Gold als Einschlüsse in Sulfiden: feine Aufmahlung zur Freisetzung (oder Abröstung
der Sulfide) notwendig;
• Verlust an Wertmineralen durch sehr feine Aufmahlung (fines: mechanisch/ elektrostatisch/ magnetisch nicht gewinnbare Wertmetallkörner wegen zu kleiner
Korngröße), besonders problematisch bei sehr feinkörnigen Verwachsungen von z.B.
Kupferkies/Zinkblende/Bleiglanz.
Texturen:
Aufmahlen zur Trennung Wertminerale/Gangart (gangue).
Optimaler Korngrößenbereich für Aufbereitung: magnetisch: 0.02 -2.5 mm; Flotation:
0.01-0.3 mm; elektrostatisch: 0.12 – 1.4 mm. Falls nicht trennbar in diesem Bereich: Verlust
in tailings und Verunreinigung des Konzentrates mit unerwünschter Komponente.
Beispiel an hand der Abb Verwachsung
a) ideale Trennung, b) Cu im Pyrit geht verloren, c) Cu geht ins Zn-Konzentrat, d) Pyrit als
Verunreinigung in Cu-Konzentrat, e) Ni-Sulfid (Pentlandit) mit Pyrrhotit in Tailings, f)
Ilmenit verunreinigt Magnetit-Konzentrat oder (bei Ti-Konzentrat) geht mit Magnetit in
tailings.
Oxidationsprodukte als Film auf Sulfidoberflächen oder entlang Rissen, Spaltbarkeiten, z.B
Umkrustung von PbS mit Cerussit (bestimmte (oberflächennahe) Bereiche, aber auch im
Einflussbereich von Störungen): keine Gewinnung durch Flotation möglich ohne zusätzliche
Maßnahmen (durch Aktivierung der Oberfläche, z.B. für Gewinnung von Cu-KarbonatAnteilen im Erz aus der Oxidationszone);
Beispiel für Verunreinigungen bei Industriemineralen:
- Quarzsand (für Glas) mit Limonit-Oberfläche:
attrition/Reibung, acid leach/Säurebehandlung;
Oberflächenreinigung
durch
-
Kies mit Kohlefragmenten: nicht verwendbar, da Aufbereitung nicht dafür eingerichtet
Feine Verwachsung von Schwerspat und Quarz: unvollständig Mineraltrennung ergibt
niedrige Produktqualität, u.U. ohne Markt dafür.
Pyrit in Kohle: durch Aufbereitung (Kohlenwäsche) entfernbar falls grobkörnig.
Andernfalls Kohle schwer zu vermarkten wegen hohem S-Gehalt.
Weitere Beispiele:
• Brüchiges Chromerz: hoher Anteil feiner Körner (fines, gehen verloren)); Magnetit
auf Rissen: Probleme in der Aufbereitung.
• Feine, nicht abtrennbare Ni-Entmischungen im Magnetkies: Ni-Verlust;
• Cubanit-Entmischung (magnetisch) in Kupferkies: Kupferverlust
• Zinnstein mit Überzug aus Stannit (Sulfid) geht in Flotationsprodukt
• Zn-Verlust in einem karbonatischen Erz durch Zn in solid solution in Karbonat (817% Zn im Siderit möglich);
• Cu-Gold-Ag-Konzentrat mit etwas Hg-führender Zinkblende: Smelter-Refusal wegen
Hg (Problemlösung: Zinkblende durch Flotation entfernt).
Untersuchungen auch im Hinblick auf möglichst vollständige Verwendung aller anfallenden
Produkte:
Beispiele: Abbau alluvialer Lagerstätten:
- Sand und Kies verwendbar, falls Abnehmer (lokal) vorhandenen;
- Gewinnung von Mineralen, die nicht das primäre Ziel des Abbaus sind: Zinn-Seifen mit
Anteilen v. z.B. Columbit, Xenotim, Monazit, Samarskit, Fergusonit, Euxenit etc.(Malaysia;
Kamativi/Zimbabwe mit Columbit-Anteilen im Sn-Konzentrat, Wert-erhöhend)
Beispiel: Abbau von SE-Pegmatiten: außer
Lithium-Mineralen (Petalit, Spodumen,
Montebrasit, Lepidolith), Columbit, Zinnstein auch Feldspat (ceramic grade), Quarz (falls rein
(Glas), oder als große Kristalle (Schwingquarz, meist jedoch hydrothermal synthetisiert)),
Glimmer, u.U. auch Nebengestein als Aggregat, falls technisch brauchbar.
Beispiel VMS, Ganglagerstätten: Gangart häufig u.a. als Schwerspat, Flussspat; gewinnbar
als Beiprodukt bei Aufbereitung
Beispiel sulfidische Vererzung: Pyritgewinnung als Nebenprodukt zur Herstellung von
Schwefelsäure (z.B. Pyritgewinnung aus der polymetallischen Lagerstätte Tsumeb/Namibia
für Schwefelsäurelaugung des Uranerzes in Rössing/Namibia).
Beprobung
Probe: allgemein ein (meist sehr kleiner) Teil eines Ganzen, der in seinen qualitativen
Eigenschaften und quantitativen Werten mehr oder (meist) weniger das Ganze
repräsentiert.
Beprobung von mineralischen Rohstoffen: zur Feststellung des Gesteinstyp, der
mineralogischen Zusammensetzung, der petrographischen Charakteristika, des Gehaltes an
Wertstoffen (Erzminerale, Metallgehalte, bei Industriemineralen: Gehalte an Wertmineral),
der technischen Eigenschaften (besonders bei Steine und Erden), genetischer Informationen
(Mineralisationsmodell); Vorratsberechnung, Aufbereitbarkeit, metallurgische Eigenschaften.
In allen Phasen eines Projektes nötig für:
• mineralogisch-petrographische
Untersuchung
(Materialbestimmung:
Gestein,
Minerale und Mineralparagenesen, Alterationstypen; genetische Fragen (gehen in das
Lagerstätten-Modell und damit in die Strategie der Exploration ein): Mineralisationsund Alterationsprozesse, Einfluss von Metamorphose, Verwitterung, Tektonik im
kleinen Rahmen, Altersbestimmung, Fluideinschlüsse, etc.),
• Bestimmung des Chemismus (Gestein, Minerale; Metallgehalte).
• technische
Charakterisierung
(Druckfestigkeit,
Porenvolumen,
Dichte,
Wasseraufnahmefähigkeit, rheologisches Verhalten etc.), (im fortgeschrittenen
Stadium der Exploration)
- erste Begehungen (Probenahme interessanten Materials für qualitative Untersuchungen);
- Prospektion (Suche nach Mineralisationen (geochemische Prospektion/Anomalien),
Probenmaterial für erste Untersuchung mineralisierter Lokalitäten z.B. bzgl. Alterationen,
Wertminerale und Gangart, erste Angaben über Gehalte (meist aus Verwitterungzone!);
- diverse Stadien der Exploration (z.B. Probenahme für Abschätzung des Potentials, später
systematische und engräumige Probenahme für genaue Gehaltsbestimmung und Nachweis
von Reserven) bis
- Abbau (grade control: Metallgehalt in Abbaublöcken) und
- Schließung und Rehabilitierung des Bergbaus (Untersuchung von Umweltbelastungen
(Böden, Wasser) und Wirksamkeit von Maßnahmen).
Begrenzte Zuverlässigkeit der Informationen aus Probenmaterial:
- eine Anzahl von Proben repräsentiert in der Regel nicht den ganzen Körper (target
population) sondern nur den zugänglichen Teil (sampled population); besonders kritisch
bei großräumig zonierten oder sehr unregelmäßigenVererzungen (Gänge und vererzte
Störungen; disseminierte Vererzungen, Seifenlagerstätten etc.).
Fehlerquellen z.B.
- Aufschlüsse an der Oberfläche:
o angewittert (veränderte chemische (und mineralogische) Zusammensetzung,
Kontamination),
o Oxidation (Metallverlust, Sekundärminerale; Auswirkung auf Aufbereitung),
o Auslaugung (Metallverlust, veränderte technische Eigenschaften), Beispiel für
Steine und Erden: Kalkstein mit Auswaschung von Tonanteilen, Fe-Oxiden
verändert die Qualität, eventuell Ablagerung in tieferem Bereich:
Qualitätsänderung im Hinblick auf Verwendung (Zement, Chemie)
o Anreicherung (Beispiel: stark verwitterte SE-Pegmatite in Südchina hatten
deutlich höhere Columbit/Zinnstein-Gehalte bzw. Ta/Nb/Sn-Gehalte als frisches
Erz: starke Verwitterung der Feldspäte, dadurch Reduzierung der Gangmächtigkeit
am Ausbiss), bei Sand und Schotter: Umlagerung, Sortierung, Zementierung;
- Aufschlüsse untertage:
o wenig oder keine Oxidation, Auslaugung; aber möglicherweise kontaminiert
(Staub, dirt);
o in alten Bergbauen: Sulfate von Cu, Zn etc.(efflorescence) auf Oberfläche;
o begrenzter Zugang, nur in stabilen/sicheren Bereichen des Grubengebäudes, oft
unsicher in abgebauten Bereichen (mit besserer Vererzung);
o nicht abgebaute Teile (z.B. Pfeiler in unregelmäßiger Verteilung): möglicherweise
nicht abgebaut wegen niedriger Vererzung.
- Proben aus Bohrungen:
o selten 100 % Kerngewinn; Verlust von brüchigem, weichem oder wasserlöslichem
Material (häufig Erz!, z.B. weicher Molybdänglanz aus Gangvorkommen, lösliche
Ag-Halide);
o bei Schlag- oder Rotary-Bohrungen: unvollständige Materialgewinnung als Regel
(Verlust durch Schlamm oder Staub); Kontaminationsquellen: Bohrlochwände,
Verlust in Hohlräumen/fractures, lokale Akkumulation und spätere Förderung im
Bohrverlauf; Verunreinigungen durch wieder verwendete Spülung; oder falsche
Probenlokalität wegen unterbliebener Bohrlochvermessung!
Erkennung unzuverlässiger Proben und Ursache: separate Probenpopulationen bei
statistischer Bearbeitung der Analysenergebnisse erkennbar.
Probenahme getrennt nach Zonen in einem Erzkörper; nach primären und sekundären
(Oxidation, Auslaugung, Anreicherung z.B. durch Zementation) Mineralisationszonen.
Menschliche Faktoren:
- Probenahme nicht durch verschiedene Personen;
- keine Vermischung von Daten aus Proben, die mit verschiedenen Methoden gewonnen
wurden (Bohrungen: Kern/Bohrklein; Schlitzproben, chip samples, grab samples
separat)
- Kontamination durch ungenügend gereinigte Aufbereitungsgeräte oder Probensäcke
- Bewusste Probenverfälschung (Zugabe von reichem Erz in geringhaltiges („salting“)
in Proben (aber auch im Aufschluss).
Probenahme (methodisch)
Beprobung von Festgestein:
Hinreichend genaue Lokalisierung des Probenahmepunktes, eventuell Vermessung (bei
detaillierten Beprobungen zur genauen Berechnung der Lagerstättenparameter), Reinigung
der Gesteinsoberfläche (Schmutz, angewittertes Material), Beschreibung der Probe:
Bezeichnung Gesteinstyp, Minerale, geschätzter Anteil verwertbarer Minerale, Alterationen
und andere interessante Beobachtungen, Name des Probenehmers, Verpackung, eindeutige
Kennzeichnung der Probe. Skizze
Vier Methoden:
• Grab sample: Entnahme an einer ausgewählten Stelle (von faustgroß bis einige kg),
nur brauchbar für mineralogisch-petrographische Untersuchung des Gesteins (z.B.
Erzminerale, Alterationsparagenese etc.) und sehr lokalen Chemismus. Im Fall von
Haufwerk (beim Abbau oder aus Bohrungen (gut v.a. bei disseminierter oder
massiver Vererzung ohne aufgeschlossene Kontakte): Entnahme von Material
(Schaufel) „at random“ und Kombination zu einer Probe (z.B. bei laufendem Abbau:
automatisierte Entnahme vom Förderband). Kostengünstig, schnell, weniger präzise
als Channel sampling, aber brauchbar für Mineralisationen mit geringer Varianz.
• Chip sampling: zusammengesetzte Probe von mehreren kg Gewicht (je nach
Homogenität des Gesteins/der Mineralisierung) aus kleinen Fragmenten von
mehreren Stellen über dem Aufschlussbereich oder entlang einer
Strecke.
(Gesteinschemismus, Metallgehalte einer Vererzung): kostengünstige Beprobung in
Reconnaissance-Phase zur anfänglichen Untersuchung einer Mineralisation. Diese Art
der Beprobung besonders wichtig im Abbau-Betrieb: grade control der Abbaublöcke
aus Material der Bohrungen (Sprenglöcher). Im Fall größerer Datenmengen (viele
chip-samples): statistische Behandlung im Vergleich mit Daten aus Kernbohrungen
kann Korrektur-Faktor für Daten aus chip samples erbringen, so dass beide
Datenarten für Fehlerberechnung verwendet werden können.
• Schlitzproben/channel sampling (vor allem für genaue Bestimmung des
Metallgehaltes): Orientierung möglichst senkrecht zur mineralisierten Zone,
Anzeichnen eines 10 cm breiten Schlitzes (falls nötig in Abschnitten meist kürzer als
2 m) über gesamte Mächtigkeit: Entfernung des angewitterten Materials an der
Oberfläche mit Hammer und Meißel, Ausbreiten einer großen Plane am Fuß des
Aufschlusses für Aufnahme der Fragmente, vollständige Gewinnung des Materials
aus dem Schlitz bis in 5 cm Tiefe mit Hammer und Meißel. Separate Probe aus
Nebengestein im Hangenden und Liegenden, falls aufgeschlossen. Gewicht pro Probe
meist 1-2 kg, bis 5 kg. Im Fall von Schlitzprobennahme zur Ergänzung von Daten
aus Kernbohrungen für statistische Berechnungen der Metallkonzentrationen: Breite
und Tiefe angleichen an Kerndurchmesser. Abschnittsweise Probenahme bei
stratifizierten
Vererzungen
(Zonen
unterschiedlicher
Mineralgehalte/
Mineralparagenesen und Korngrößen, erlaubt differenzierte Berechnungen; kann
wichtig sein für Abbauplanung, Aufbereitung). Vorsicht bei Material stark
unterschiedlicher Härte oder Brüchigkeit: keine bevorzugte Aufnahme des
weicheren/brüchigeren Anteils in Probe! Methode zeitaufwändig; alternativ:
manchmal chip channel sampling: Abschlagen von kleinen Bruchstücken auf frischer
Fläche von 10 bis 30 cm Breite, nur wenige mm tief; zeitsparend; oder über gesamte
Fläche z.B. einer Abbauwand.
• Großproben: für Vorkommen mit niedrig gradiger und unregelmäßiger Vererzung,
die durch Schlitzproben nicht genau genug erfasst werden können (z.B. porphyryVererzungen):
bulk
samples.
Bestimmung
des
Durchschnittsgehaltes,
Aufbereitungsversuche. Gewinnung: großkalibrige Bohrkerne; Versuchsabbau aus
Stollen; aus Schurfschächten oder Schurfgräben (relativ einfach für Beprobung von
Lockermaterial wie Sande, Kiese; Bauxit, Ni-Laterit; alluviale Vorkommen (Gold,
PGM, Diamanten, Zinnstein etc); Ziel: in erster Linie Gewinnung von Material für
Aufbereitungsversuche, Untersuchung technischer Eigenschaften, oft gekoppelt
mit Versuchsabbau durch Anlage von Stollen oder Anlage eines kleinen Tagebaus
(z.B. für Berechnung des Energieverbrauchs für Abbau und Aufbereitung (Kosten für
Brechen und Mahlen als großer Kostenpunkt), Abbauverhalten (Tagebau:
oberflächennahe Schichten u.U. anderes Verhalten als tiefere Schichten!)).
Anmerkung: bulk sampling im Zuge der Evaluierung großer Lagerstätten nötig:
Material aus großkalibrigen Bohrungen, aus Schurfgräben und –schächten, aus
Stollen (Versuchsstollen, auch Abbaustollen falls neue Daten nötig), aus Zug- und
Schiffsladungen (z.B. zur Qualitätskontrolle durch Käufer) zur Bestimmung von
Grade, Aufbereitbarkeit, metallurgischer Eigenschaften, technischer Daten für
Abbauplanung etc, Material wird behandelt wie eine große Schlitzprobe.
Beispiele Aufbereitung: Versuchsabbau in einem Stollen auf porphyrische CuLagerstätte, Burma oberflächennah aus Stollen: geringe Gehalte sekundärer
(karbonatischer) Kupferminerale neben primären Cu-Mineralen; Gewinnbarkeit der
primären Cu-Minerale und der Sekundär-Minerale geprüft; für letztere zu großer
Aufwand bei geringen Gehalten, also Ausrichtung auf primäre Minerale; aktueller
Abbau: viel mehr Cu-Karbonate als in bulk sample (also keine repräsentative Probe trotz
mehrerer 10.000 t), hoher Cu-Verlust, da Anlage nicht auf Gewinnung von Karbonaten
ausgelegt, beeinflusst cash flow und gesamte Kostenkalkulation.
Beispiel Qualitätsbestimmung: Kalkstein für Zementherstellung in Nepal: Qualität aus
Bohrkernen bestimmt; im Abbau: beträchtlich höherer Quarz-Gehalt, daher mehr
Zusatzstoffe erforderlich (Aluminium (aus Ton), Fe-Oxid (aus Eisenerz)) mit
Erschließung solcher Vorkommen (Transport!)
Auch zur Gehaltsbestimmung und Vorratsberechnung:
Beispiel: alluviale Saphirvorkommen in altem Flussbett in N.S.W./Australien: groß
dimensionierte Kernbohrungen (churn drilling, etwa 1 m Durchmesser) zur Gewinnung
der Saphir-führenden basalen alluvialen Lage quer zum alten Flussbett und Bestimmung
des Saphiranteils pro m3; dto. Diamanten in alluvialen Vorkommen (ct/m3) und in
primärer Lagerstätte (ct/100 t).
Beprobung von Seifenlagerstätten (placer deposits)::
Spezielles Problem: loses Material. Schächte und Gräben bevorzugt, Bohrungen sind billiger,
vor allem unterhalb des Wasserspiegels; Verrohrung simultan mit Bohrung zur Verhinderung
von Kontaminationen durch Material aus Bohrlochwänden; Probenahme durch Entnahme
mittels Greifer im m Abstand; Messung des Probenvolumens (Durchmesser der Verrohrung
und Probenintervall), ein Teil der Proben über Waschrinne (sluice box) aufbereiten zur ersten
Übersicht über interessante Schwerminerale und Gehalte, die Masse über kleine
Aufbereitungsanlage.
Bei Probenahme für Vorratsberechung: Proben gewinnen zur Bestimmung der Dichte (für
Berechnung der Tonnagen), unterschiedliche Gehalte an Erzmineralen haben starken Einfluss
auf Dichte, also keine einheitliche Dichte für Tonnagenberechnung, zonen- bzw. block-weise
bestimmen; normalerweise mit Gesteinsfeuchtigkeit bestimmt (nur kleiner Unterschied bei
festen Gesteinen):
z.B. Pb-Zn- Vererzung in Kalkstein:
bei 1x106 m3
3
2.7 Mt
reiner Kalkstein:
etwa 2.7 g/cm
mit 3% Pb (3.46% PbS, D 7.5 g/cm3)
2.76 g/cm3
2.76 M t
+2.2%
3
mit 5% Pb (5.77% PbS)
2.80 g/cm
2.80 Mt
+3.8%
mit 8% Zn (11.92% ZnS, D 4.1 g/cm3)
2.82 g/cm3
2.82 Mt
+4.3%
3% Pb und 10% Zn (3.46% PbS, 14.90% Zn)
2.91 g/cm3
2.91 Mt
+7.9%
(Umrechnungsfaktoren: von PbS nach Pb:0.8659; von ZnS nach Zn: 0.6710)
Bei hohem Wassergehalt: Bestimmung der Trockendichte und Berechnung auf dieser
Grundlage.
Eigene Berechnung : Dichte eines Erzes mit 4% Pb und 12% Zn in Kalkstein ?.
Probenaufbereitung Festgestein
Ziel: Bestimmung des Gehaltes an verwertbaren Komponenten (Metallgehalte) einer Probe.
Schwierigkeit: für Analytik nur wenige g verwendbar, sollen repräsentativ sein für
Gesamtprobe von mehreren kg bis zu 102 t, bei Großproben (bulk samples) auch bis 104t!
Systematische Reduzierung der Probengrößen und Korngrößen etwa um Faktor 1000 bei
1 kg-Probe bis 1.000.000 bei 1 t-Probe).
Verfahren: brechen, mahlen, teilen in mehrfach wiederholter Folge bis zur gewünschten
Probegröße für Analyse.
Proben von einigen kg werden im Labor aufbereitet, größere Proben (einige 10er kg bis
wenige t (z.B. bulk samples aus Schurfschacht)) eventuell im Camp auf handhabbare Größe
reduzieren: Material mit Hammer zerkleinern und reduzieren durch Methode cone and
quartering: zerkleinertes Material auf ebener Fläche und fester Unterlage (Plastikplane) zu
einem Konus formen, diesen abflachen zu einem runden „Kuchen“, vierteln und gegenüber
liegende Viertel zu neuem Konus vereinen, die beiden anderen verwerfen; diese Prozedur
mehrfach wiederholen bis zu gewünschter Probenmenge von z.B. wenigen kg. Oder vom
Rand des abgeflachten Konus systematisch ringsum per Schaufel Material entnehmen und
alternierend auf zwei Haufen verteilen, an einem Haufen (Zufallswahl) diese Prozedur
wiederholen etc. bis zur gewünschten Probengröße.
(Kontaminationsgefahr durch Metall aus Hammer: Fe, Cr, Ni, Co, Mn je nach Legierung;
Beispiel: Beprobung eines Spodumen-Pegmatits und Zerkleinerung mit Hammer;
Analysenergebnisse des Spodumenkonzentrates: hohe Fe-Gehalte, die den Spodumen nicht
verwendbar machen würden (Glas, Keramik); gleichzeitig hohe Cr-Gehalte von 200 ppm
(Pegmatite enthalten nur wenige ppm Cr), die auf Kontamination durch Aufbereitung
(Hammer) hinwiesen, also Original-Fe-Gehalt geringer; Konsequenz: neue Beprobung und
anderes Material zur Zerkleinerung nötig für verlässliche Qualitätsbeurteilung.
Beispiele für Reduzierung und Korngrößenverkleinerung: 36 t und 18 kg-Probe.
Unterschiedliche Mühlen verwenden (unterschiedliche Kapazitäten und verarbeitbare max.
Korngrößen im Aufgabegut), diverse Siebe.
Im Labor für kleine Proben (einige kg) meist Backenbrecher, Scheibenmühle und
Scheibenschwingmühle).
Zur Reduzierung: Jones Riffle Splitter; gleichmäßige und nicht überhastete Materialzufuhr
(Staub!) über gesamte Länge des Splitters. Verwendbar auch am Bohrplatz zur
Probenreduzierung von Bohrklein (1m-Abschnitt eines 108 mm Bohrlochs gibt etwa 21 kg
Bohrklein!)
Oder rotierende Probenteiler.
Analytische Fehler: eigentlich vernachlässigbar gegenüber dem größeren Fehler der
Beprobung. Laborqualitäten jedoch unterschiedlich, daher:
Duplikate (unkenntlich gemacht) analysieren lassen (etwa jede 10. Probe), Standards (etwa
jede 30. Probe) und blanks messen lassen, Kontrolle eines Teils der Proben durch zweites
Labor. Ursachensuche bei divergierenden Ergebnissen (Laborprozeduren)!
Probenahme im Aufschluss zur allgemeinen Orientierung während der Prospektion ist
weniger problematisch als Probenahme während des Explorationsstadiums, in dem
verlässliche Daten über die Vererzung gesammelt werden: exakte Kenntnis der Metallgehalte
(total und pro beprobtem Bereich), der Variationen innerhalb der Vererzung ist essentiell.
D.h.: repräsentative Probenahme für den jeweils zu untersuchenden Bereich (während die
Dichte der Beprobung die Zuverlässigkeit der Reservenberechnung bestimmt, 95%
confidence interval).
Ganze Bücher und Tagungen beschäftigen sich mit korrekter Probenahme!
Nicht-repräsentative Beprobung (einschließlich der Gewichtsreduzierung für assayAnalytik): falsche Angaben für Gesamtmetallgehalt, für Unterschiede lokal (beeinflusst die
Abbauplanung), ergibt eine ganze Kaskade von Folgefehlern.
Abgesehen von Einzelheiten wie Beprobung der gesamten betrachten Mineralisationszone,
Gewinnung allen aus dem Gesteinsverband gelösten Materials, keine Bevorzugung
bestimmter Bereiche (z.B. bei Schlitzprobe: harte/weiche Teilstrecken, reiche/arme Bereiche;
angewittertes/frisches Material; bei Beprobung von Haufwerk: Separierung fein/grob während
Schüttungsvorgang) ist die Probengröße wichtigster Faktor, um eine repräsentative
Aussage zu machen.
Wesentlich für Probengröße: Partikelgröße im Gestein/Erz; allgemein: je gröber das Material
desto größer die Probe, um repräsentatives Ergebnis zu bekommen (Extrembeispiel:
grobkörnige Pegmatite(!)). Gilt auch für Haufwerksbeprobung: grobkörniges Material braucht
hohes Probengewicht.
Gy’s Formel:
M x L/(L-M) = (C x d3)/s2
M
L
C
d
s
(s2
Minimum-Gewicht der Probe (in g)
Gesamtgewicht des zu beprobenden Materials
Konstante für Probenmaterial (g/cm3)
Dimension des größten Partikels im zu beprobenden Material
statistischer Fehler durch Beprobung
Varianz)
Meist: M sehr klein gegenüber L, daher vereinfachte Formel:
M = (C x d3)/s2
Üblicherweise: zweifache Standardabweichung (2s) akzeptabel (95% confidence).
Tabelle:
In Praxis: zusätzlich zu s2 auch Fehler durch Beprobung (mehrere Entnahmepunkte für eine
Probe bei Beprobung eines Haufwerks) und assaying:
St = s2 + Ss2 + Sa2
Ss
für Beprobung
Sa
für Assay
Im allg. ist s2 = St2, da Ss und Sa klein.
Probenkonstante C: aus Mineralgehalt und Grad der Separierung von Gangart (gangue),
Probenmaterial-spezifisch:
C=fglm
f
g
Form-Faktor, 0.5 (Ausnahme Gold: 0.2, sehr flache Plättchen)
Partikelgrößen-Bereich abhängig; falls in ungefähr 95 % des Probengewichtes
Partikel kleiner d (cm) (obere Grenze) und größer d’(cm) (untere Grenze):
d/d’ > 4
d/d’ 2-4
d/d’ < 2
d/d’ = 1
g = 0.25
g = 0.5
g = 0.75
g=1
l
liberation factor (0 für völlig homogenes Material, 1 für völlig heterogenes
Material), basierend auf d (Dimension des größten Partikels in zu beprobender
Menge, messbar als Sieböffnung, die 90-95% des Materials passieren lässt)
und L (in cm): die Partikelgröße, bei der das zu gewinnende Mineral liberated
ist (mikroskopisch bestimmbar). l kann aus Tabelle entnommen werden oder
berechnet werden:
l = (L/d)1/2
d/L
l
<1
1
m
1-4
0.8
4-10
0.4
10-40
0.2
40-100
0.1
100-400
0.05
>400
0.02
Faktor für mineralogische Zusammensetzung:
m = ((1-a)/a)((1-a)r + at), mit
r
t
a
durchschnittliche Dichte des Minerals
durchschnittliche Dichte des gangue
durchschnittlicher Anteil des Minerals an zu beprobender Materialmenge
bestimmbar über assay (Umrechnung in Mineral-Gewicht) mehrerer Proben.
Die Formel gilt für nach Zufallsprinzip genommen Proben, ohne bias, und ist hauptsächlich
anwendbar für Erzströme auf Förderband oder Pulp-Ströme, weniger für heap-Beprobung
(schwer zugänglich).
Ziel: Probengröße bestimmen (Gewicht), die repräsentativ ist für Gesamtprobe (gilt auch für
nachfolgende Teilungsschritte).
Beispiel:
Assay: 5 % Pb (aus mehreren Proben, 95% confidence level, i.e. 2s = +/- 0.1 % Pb)
Korngröße: 150 µm bei liberation vom gangue
r = 7.5 g/cm3 (Bleiglanz) , t = 2.65 g/cm3 (Quarz)
Top size des Erzes: 25 mm, d = 2.5 cm
2s = 0.1/5 = 0.02
s = 0.01
l = (0.051/2.51/2 = 0.077
PbS:
5.8% PbS (stöchiometrisch berechnet), und mit r und t:
a = 0.058 %,
Daraus
m = 117.8 g/cm3
C = fglm = 0.5 x 0.25 x 0.007 x 117.8 = 1.13 g/cm3
M = Cd3/s2 = 176,6 kg !
In der Praxis: etwa 350 kg als Probenmenge zu nehmen für verlangten Grad der confidence
und für Kompensation von assay-Fehlern und Fehler bei der Beprobung!
Im Fall d = 0.015 cm (liberation size für Bleiglanz in dieser Probe) und enger Klassierung:
C = 0.5 x 0.5 x 1 x 117.8 = 29.46 g/cm3
M = 1 g (!)
Also Probenmenge sehr viel kleiner.
Im Fall des Pegmatites mit mehrere cm großen Spodumenen: eigentlich irgendwo im tBereich! Also Schlitzprobe sehr unzuverlässig für Li-Gehalt des Pegmatites, allenfalls
brauchbar für Fe-Gehalt (unerwünscht) in Bezug auf Li-Gehalt, falls keine anderen Fehaltigen Minerale vorhanden sind.