4.1 Elektronenstrahlmikrosonde

Prinzip der Elektronenstrahlmikrosonde:

Mit der Elektronenstrahlmikrosonde (EMS) können chemische Analysen von Probenbereichen im Bereich von wenigen 1/000  mm erstellt werden. Das Prinzip der EMS beruht darauf, daß Atome, die mit ausreichend energetischen Elektronen beschossen werden, Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Wellenlänge emittieren. Je höher die Konzentration des Elementes in der Probe ist, desto höher ist die Intensität der emittierten Röntgenstrahlung. Die Abhängigkeit der Intensität verläuft im Prinzip linear zur Konzentration der Probe. Da das System mit Standards einer bekannten Zusammensetzung geeicht wurde, kann aus der Wellenlänge der emittierten Röntgenstrahlung auf das Element, und aus der Intensität auf die Konzentration in der Probe geschlossen werden.

Da sich jedoch alle Elemente gegenseitig beeinflussen, und die aus der Probe austretende Strahlung elementspezifisch absorbiert wird, gilt die lineare Abhängigkeit zwischen Intensität der emittierten Strahlung und der Elementkonzentration in der Probe nur näherungsweise. Quantitative Analysen erfordern deshalb eine Korrekturrechnung.

Arbeitsweise der EMS:

Eine im Hochvakuum arbeitende Elektronenkanone erzeugt einen Elektronenstrahl, der mit Hilfe von Magnetlinsen stabilisiert und fokussiert wird. Ebenfalls im Hochvakuum befindet sich die Probe auf einem in 3 Achsen beweglichen Tisch. Die Probe muß eine sehr gut polierte Oberfläche aufweisen, damit der auf sie treffende Elektronenstrahl in einem genau definiertem Winkel (40°) reflektiert wird. Die Probe muß mit Kohlenstoff bedampft sein, damit der Probenstrom ungehindert abfließen kann. Die Zielpunkte auf der Probe werden mit einem optischen Mikroskop eingestellt.

Das Röntgenspektrum, das aus der Probe emittiert wird, kann mit zwei Systemen analysiert werden. Im wellenlängendispersiven System (WDS) werden Einkristallspektrometer verwendet, die, entsprechend der Bragg´schen Gleichung, in einem bestimmten Winkel zum Strahl eine definierte Wellenlänge reflektieren. Die Intensität dieser Wellenlänge wird mit einem Zählrohr gemessen. Das WDS besitzt eine hohe Auflösung für Wellenlänge und Intensität.

Beim energiedispersiven System (EDS) wird elektronisch Energie und Menge der auftreffenden Röntgen-Quanten gemessen und, nach einer Aufbereitung, als komplettes Spektrum dargestellt. Mit dem WDS sind so schnelle qualitative und quantitative Analysen der jeweils gemessenen Phase möglich.

Beim Messvorgang werden WDS und EDS kombiniert verwendet. Mit dem EDS werden unbekannte Phasen zuerst auf schnellem Wege identifiziert, die quantitative Messung erfolgt mit dem WDS.

Rückstreuelektronen, im Englischen Back Scattered Electrons (BSE), können zu BSE-Bildern auf einem Bildschirm verarbeitet werden, wenn der Elektronenstrahl rasterartig über die Probe bewegt wird. Die BSE-Bilder zeigen chemische Unterschiede in der Probe an, wobei man lediglich leichte Elemente von schweren Elementen unterscheiden kann; es ist jedoch möglich, verschiedene Phasen voneinander abzugrenzen.

Um chemische Zonierungen in Mineralen zu bestimmen, können Elementverteilungsbilder, im Englischen Compositional-Maps, angelegt werden. In diesem Verfahren wird die Probe rasterartig unter dem fixierten Strahl bewegt, mit dem wellenlängendispersiven Spektrometer werden die maximal 5 Elemente ( im Falle der Jeol) eines jeden Rasterpunktes in einer vorher definierten Zählzeit gemessen. Den Zählintervallen werden bestimmte Farben zugeordnet, so daß jedes Pixel einem Rasterpunkt mit dem zugehörigen Zählintervall entspricht (Siehe Abbildungen im Kapitel Mineralchemie)

Für die thermobarometrischen Bestimmungen wurde die Mineralchemie mittels Mikrosondenanalyse bestimmt. Bei der Sonde handelt es sich um eine Jeol JXA 8900 RL, die mit fünf Spektrometern ausgerüstet ist. Die quantitativen Messungen von den Elementen Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na, Ti, Mn, und Cr erfolgten mit dem Meßprogramm SILICR. Die Eichung erfolgte mit den Standards Albit (Na), Wollastonit (Ca, Si), Orthoklas (K), Pyrophanit: MnTiO₃ (Mn, Ti), Hämatit (Fe), Periklas (Mg), Korund (Al) und Cr₂O₃ (Cr). Die Beschleunigungsspannung betrug 15 kV, der Probenstrom 1.2´ 10^-8 Ampere, der Strahldurchmesser für alle Phasen 5 m m, für Granate wurde zusätzlich der Punktstrahl verwendet.

Neben den quantitativen Analysen für die Phasen Hellglimmer, Biotit, Granat, Feldspat, Ilmenit, Rutil, Staurolith, Alumosilikat, Turmalin und Epidot wurden für Granate auch Linescans und Compositional-Maps angefertigt. In die Linescans, entlang von Granatprofilen angelegt, wurden in drei Fällen quantitative Analysen eingebunden.

Für zwei Granate wurden Compositional-Maps angelegt, bei denen die Elemente Al, Fe, Ca, Mg und Mn gemessen wurden. Anzahl der Meßpunkte und Größe der Fläche richtete sich nach Größe der Granate, die Meßzeit betrug 100 ms pro Meßpunkt.

4.2 Auswahl der Meßpunkte

Für die Mikrosondenanalyse standen wie bereits genannt 8 Mikrosondenschliffe zur Verfügung. Nach einer eingehenden mikroskopischen Beobachtung wurden die Meßpunkte ausgewählt. Hierfür wurden die Teilbereiche mit geringer Vergrößerung fotographiert, die Fotographien eingescannt und jedes Bild einzeln mit einem Farbdrucker im Format DIN A4 ausgedruckt. Auf diesen Übersichtsbildern konnte jeder einzelne Meßpunkt einer zu messenden Phase direkt lokalisiert und dokumentiert werden.

Für jeweils eine Meßgruppe, die später in die thermobarometrische Berechnung eingehen sollte, wurden in einem Schliff mehrere Granate mit jeweils benachbarten Phasen von Biotit, Hellglimmer, Plagioklas, Rutil und Ilmenit gemessen. Bei den Granaten wurden immer eine Kern- und Randzusammensetzung gemessen, sowie mindestens eine zwischen Rand und Kern liegende Position. Somit konnte eine in den Granaten vorhandene Zonierung ermittelt werden. Für einige Granate wurden zwischen Kern und Rand so viele Meßpunkte gesetzt, daß sich ein Profil darstellen ließ.

Für die anderen Phasen wurde jeweils eine Rand und Kernzusammensetzung gemessen, da weder Schichtsilikate noch Feldspäte eine Zonierung aufwiesen.

In einigen Granaten befanden sich Einschlüsse aus Biotit und Muskovit, die ebenfalls gemessen wurden.

4.3. Berechnung von Mineralformeln und Endgliedern

Für die Berechnung der Strukturformeln stand das Programm MinPet 2.02 zur Verfügung. Die Meßergebnisse der Mikrosonde wurden in Form von Tabellenkalkulationsprogramm Excel-Files direkt an der Sonde gespeichert, für das Programm MinPet kompatibel gemacht, danach in MinPet importiert. Die Werte lagen somit für ein Strukturformel-Berechnungs-Unterprogramm zur Verfügung.

Tab. 4-1: Mineralberechnungen in MinPet 2.02

Der Vorteil des Programm MinPet ist, daß sehr große Datenmengen in kürzester Zeit verarbeitet werden können. Mit dem Programm ist es weiterhin möglich Makros zu schreiben, mit denen z. B. die Berechnung der Komponenten für das Programm Ge0calc durchgeführt wurden. In einem Unterprogramm von MinPet besteht die Möglichkeit binäre und ternäre Diagramme zu erstellen.