DE102009017487B4

DE102009017487B4 - Method and device for determining a mineral content of a clay mineral, in particular swellable clay mineral in a rock

Info

Publication number: DE102009017487B4
Application number: DE200910017487
Authority: DE
Inventors: Dr. Kaufhold Stephan; Dr. Dohrmann Reiner; Dr. habil. Dill Harald
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertreten Durch Den Prasidenten Der Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe; Federal Government of Germany
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertreten Durch Den Prasidenten Der Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe; Federal Government of Germany
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: DE102009017487A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Mineralanteils (SG) eines Tonminerals, insbesondere eines quellfähigen Tonminerals, in einem Gestein (O), bei dem – ein Sendesignal (s) im Infrarotbereich auf das Gestein (O) gestrahlt wird und ein von dem Gestein (O) reflektiertes Messsignal (r) erfasst wird, – Werte des Messsignals (r) in einem Wellenzahlbereich zwischen einem unteren Grenzwert (g1) und einem oberen Grenzwert (g2) quantitativ ermittelt werden und – daraus der Mineralanteil des Tonminerals bestimmt wird.Method for determining a mineral content (SG) of a clay mineral, in particular of a swellable clay mineral, in a rock (O), in which - a transmission signal (s) is radiated onto the rock (O) in the infrared range and is reflected by the rock (O) Measuring signal (r) is detected, - values of the measuring signal (r) in a wavenumber range between a lower limit value (g1) and an upper limit value (g2) are determined quantitatively and - from this the mineral content of the clay mineral is determined.

Description

Die Erfindung bezieht sich zum Bestimmen eines Mineralanteils eines Tonminerals, insbesondere eines quellfähigen Tonminerals in einem Gestein auf ein Verfahren bzw. auf eine Vorrichtung dazu.The invention relates to determining a mineral content of a clay mineral, in particular a swellable clay mineral in a rock on a method or a device thereto.

Festgesteinsrohstoffe umfassen kompaktierte Sedimente wie Kalke, Grauwacken, Schiefer und Sandsteine sowie magmatische Festgesteine wie unter anderem Rhyolithe, Andesite, Basalte und Granite. Diese Festgesteine werden für sehr unterschiedliche Zwecke abgebaut. Eingesetzt werden die Festgesteine z. B. für eine Zementherstellung, als Naturwerksteine, z. B. als Fassadensteine, und als Zuschlag- und Baustoffe, wie z. B. Splitte. Bei einigen Anwendungen ist es wichtig, dass die gewonnenen Festgesteinspartien verwitterungsbeständig sind. Dies trifft insbesondere auf Fassadensteinen aber auch auf Splitte zu. Als Splitt bezeichnet man Gesteine, die zu einer Korngröße von 2–32 mm gebrochen werden. Eingesetzt werden Kiese und Hartgesteine, wie Granit, Basalt, Quarz, die in Splittwerken, meist direkt in den Gewinnungsstätten bzw. Steinbrüchen, zu Splitt weiterverarbeitet werden. Splitte werden in der Bauindustrie im Straßenbau aber auch in Betonen verwendet. Koensler, „Sand und Kies – Mineralogie, Vorkommen, Eigenschaften, Einsatzmöglichkeiten”, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1989, erwähnt, dass die Mineralstoffe beim Einsatz im Straßenbau für bituminöse Decken verwitterungsbeständig sein müssen und weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass lehmige und tonige Bestandteile unterhalb einer schädlichen Menge liegen müssen. Allerdings wird diesbezüglich keine Zahl genannt. Die Anwesenheit von quellfähigen Tonmineralen kann somit die Qualität von Festgesteinsrohstoffen, z. B. Splitten oder Naturwerksteinen, stark beeinträchtigen, wobei der Nachweis dieser Minerale analytisch schwierig ist.Solid rock resources include compacted sediments such as limestones, greywackes, shales and sandstones as well as magmatic rocks such as rhyolites, andesites, basalts and granites. These solid rocks are mined for very different purposes. Are used the hard rocks z. B. for cement production, as natural stones, z. B. as façade bricks, and as aggregate and building materials such. B. chippings. In some applications, it is important that the recovered solid particles are weather resistant. This applies in particular to façade bricks but also to chippings. Chips are rocks which are crushed to a particle size of 2-32 mm. Gravel and hard rocks, such as granite, basalt, quartz, are processed to stone chippings, usually directly in the extraction sites or quarries. Splits are used in the construction industry in road construction but also in concretes. Koensler, "Sand and Gravel - Mineralogy, Occurrence, Properties, Applications", Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 1989, mentions that minerals must be resistant to weathering when used in road construction for bituminous ceilings and points out in this context that loamy and Clay components must be below a harmful amount. However, no number is mentioned in this regard. The presence of swellable clay minerals can thus improve the quality of solid rock resources, e.g. As splinters or natural stones, strongly affecting the detection of these minerals analytically.

Es ist also nachteilhaft, dass Tonminerale als Nebenbestandteile in Festgesteinen die Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit der Körner stark beeinflussen können. Es ist weiterhin bekannt, dass der Grad der Beeinträchtigung von dem Typ des jeweils vorhandenen Tonminerals abhängt. Besonders schwerwiegende Stabilitätsverluste sind bei Anwesenheit von mit Wasser quellfähigen Tonmineralen zu erwarten.It is therefore disadvantageous that clay minerals can greatly influence the properties, in particular the strength of the grains, as secondary constituents in hard rocks. It is further known that the degree of deterioration depends on the type of clay mineral present. Particularly severe stability losses are to be expected in the presence of water-swellable clay minerals.

Die häufigsten quellfähigen Tonminerale sind Minerale der Smektitgruppe. Innerhalb dieser Gruppe wiederum ist Montmorillonit der bei weitem häufigste Vertreter. Nur in speziellen Lagerstätten kommen Mg-reiche, sogenannte Saponite, oder Fe-reiche Smektite, sogenannte Nontronite, vor. Montmorillonit entsteht durch die Verwitterung von magmatischen, meist vulkanischen Gesteinen wie z. B. Rhyolithen, Andesiten, Basalten oder Vulkanaschen mit den entsprechenden chemischen Zusammensetzungen. In den Verwitterungszonen von Steinbrüchen dieser Gesteinstypen ist Montmorillonit daher ein häufig zu findendes Mineral.The most common swelling clay minerals are minerals of the smectite group. Within this group, montmorillonite is by far the most common representative. Only in special deposits come Mg-rich, so-called saponites, or Fe-rich smectites, called nontronites. Montmorillonite is formed by the weathering of magmatic, mostly volcanic rocks such. As rhyolites, andesites, basalts or volcanic ash with the corresponding chemical compositions. In the weathering zones of quarries of these types of rocks, montmorillonite is therefore a commonly found mineral.

Bei der Produktion von Splitten wird die Qualität der Produkte z. B. entsprechend den ”Technischen Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau – Technisches Regelwerk TL-Gestein-StB 04”, Ausgabe 2007, des Deutschen Bundesministeriums für Verkehr-, Bau- und Stadtentwicklung bestimmt. Dabei werden aber ausschließlich mechanische Kennwerte gemessen, die den Anteil der quellfähigen Tonminerale höchstens indirekt mitbestimmen. Problematisch ist hierbei, dass die Smektite bei geringen Wassergehalten, wie sie in der Grube oder bei der Qualitätskontrolle im Labor vorliegen, die mechanischen Eigenschaften nicht unbedingt wesentlich beeinträchtigen. Besonders deutlich wird die Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften durch Smektite bei erhöhten Wassergehalten, wie sie z. B. bei Regen auftreten. Hier weiten sich diese Tonminerale dann auf und bilden gelartige Strukturen, was man beim Anfassen als „schmierig” empfindet. Bislang wird der Gehalt von Smektiten nicht explizit bestimmt. Die Anwendungspraxis zeigt jedoch, dass dies zu Problemen bei dem Einsatz der Splitte führen kann.In the production of chips, the quality of the products z. B. according to the "Technical Delivery Conditions for Aggregates in Road Construction - Technical Rules TL-Gestein-StB 04", Edition 2007, the German Ministry of Transport, Building and Urban Development determined. However, only mechanical parameters are measured which at most indirectly determine the proportion of swellable clay minerals. The problem here is that the smectites at low water contents, as present in the pit or in quality control in the laboratory, the mechanical properties are not necessarily significantly affected. The impairment of the mechanical properties by smectites at elevated water contents, as they are, for example, is particularly clear. B. occur in the rain. Here, these clay minerals then expand and form gel-like structures, which you feel when touched as "greasy". So far, the content of smectites is not explicitly determined. However, the application practice shows that this can lead to problems with the use of the splits.

Eine Abschätzung des Smektitgehaltes in Gesteinen stellt aber immer noch eine analytische Herausforderung dar. Wissenschaftler, insbesondere Tonmineralogen, diskutieren die Genauigkeit der verschiedenen Methoden immer noch kontrovers. Dies liegt im Wesentlichen an der geringen Korngröße kleiner 0,2 μm und an der großen Variabilität innerhalb dieser Mineralgruppe. Deutliche Variation zeigen zum Beispiel eine Kristallgrößenverteilung, ein Grad der atomaren Ordnung, die sogenannte Kristallinität, ein Grad der turbostratischen Fehlordnung, Morphologie der Kristalle, Ladungsverteilung sowie Art und Menge der isomorphen Substitution. Diese Variabilität erschwert die Beschreibung der Beugungsparameter und damit die Möglichkeit einer Quantifizierung dieses Minerals mittels Röntgenbeugungsanalyse, z. B. mittels dem sogenannten Rietveld-Verfahren. Alternativ können die Ladungsverhältnisse mittels Adsorptionsmethoden bestimmt werden. Hierbei muss die gesamte Ladung einer Probe mit Nebenbestandteilen und die Ladungsdichte der Smektite selber bestimmt werden, wie dies in Kaufhold et al., 2002; Applied Clay Science 22, S. 145–151 beschrieben ist. Insgesamt wird die Genauigkeit eines nach dem aktuellen Stand der Forschung bestimmten Smektitgehaltes auf nicht besser als +/–5 geschätzt.However, an estimation of the smectite content in rocks still poses an analytical challenge. Scientists, especially clay mineralogens, still controversially discuss the accuracy of the various methods. This is mainly due to the small grain size of less than 0.2 microns and the large variability within this mineral group. Significant variation is shown, for example, by a crystal size distribution, a degree of atomic order, the so-called crystallinity, a degree of turbostratic disorder, morphology of the crystals, charge distribution, and the type and amount of isomorphous substitution. This variability hinders the description of the diffraction parameters and thus the possibility of quantification of this mineral by means of X-ray diffraction analysis, eg. B. by means of the so-called Rietveld method. Alternatively, the charge ratios can be determined by means of adsorption methods. In this case, the total charge of a sample with minor constituents and the charge density of the smectites themselves must be determined, as described in Kaufhold et al., 2002; Applied Clay Science 22, pp. 145-151. Overall, the accuracy of a smectite content determined according to the current state of research is estimated to be no better than +/- 5.

Wie oben erläutert wird es als sinnvoll erachtet, die Abschätzung des Smektitgehaltes in die Qualitätskontrolle von Splitten oder anderen Festgesteinsrohstoffen zu integrieren. Diesbezüglich ist aber sowohl die röntgenographische Methode nach Rietveld als auch die kolloidchemische Methode mit Bestimmung der Ladungsverhältnisse zu aufwendig für den tatsächlichen Abbaubetrieb. Beide Methoden sind prinzipiell applikabel, allerdings für den Bergbaubetrieb insofern hinderlich, als dass der zeitliche Ablauf aufgrund der Analysezeiten unterbrochen wird. Aus diesem Grund werden in zunehmendem Maße sogenannte „In-situ-Methoden” entwickelt, die eine Abschätzung der Rohstoffqualität bereits in der Grube, in idealer Weise direkt an der Abbaufront, erlauben.As explained above, it is considered useful to estimate the smectite content in quality control of chips or others To integrate solid rock resources. In this regard, however, both the X-ray method according to Rietveld and the colloid chemical method with determination of the charge ratios are too expensive for the actual mining operation. Both methods are applicable in principle, but hinderlich for the mining operation in that the timing is interrupted due to the analysis times. For this reason, so-called "in-situ methods" are increasingly developed, which allow an estimation of the raw material quality already in the pit, ideally directly at the mining front.

Aus DE 198 39 531 A1 ist bekannt, dass der Anteil der quellfähigen Tonminerale in Bentoniten, d. h. Tonrohstoffen, die besonders reich an quellfähigen Tonmineralen sind, mittels spezifischem elektrischen Widerstand bereits in-situ bestimmt werden kann. Dabei wird verfahrensgemäß zur Bestimmung des Gehalts an Tonmineralien in einem tonmineralhaltigen Material, insbesondere zur Ermittlung des Smektit-Gehaltes in Betoniten, der spezifische elektrische Widerstand, der Wassergehalt sowie die Temperatur einer Boden- bzw. Rohstoffprobe gemessen, woraufhin aus dem spezifischen elektrischen Widerstand der Rohstoffprobe unter Berücksichtigung des Wassergehaltes sowie der Temperatur der Gehalt an Tonmineralien ermittelt wird. Verwendet wird dabei ein aufwendiges mathematisches Verfahren, in welches verschiedene Messkomponenten eingehen.Out DE 198 39 531 A1 It is known that the proportion of swellable clay minerals in bentonites, ie clay raw materials, which are particularly rich in swellable clay minerals, can already be determined in situ by means of specific electrical resistance. In this case, according to the method for determining the content of clay minerals in a clay mineral-containing material, in particular for determining the smectite content in concrete, the specific electrical resistance, the water content and the temperature of a soil or raw material sample measured, whereupon from the specific electrical resistance of the raw material sample taking into account the water content and the temperature, the content of clay minerals is determined. An elaborate mathematical procedure is used, in which various measuring components are incorporated.

Die Basis dieses Messprinzips ist das Einbringen von Elektroden in den plastischen Tonrohstoff. Festgesteinsrohstoffe dagegen sind Hartgesteine, weshalb der Elektrodenkontakt nicht in dieser einfachen Weise hergestellt werden kann. Außerdem hängt der elektrische widerstand stark vom wassergehalt und der Temperatur ab, so dass beide Parameter mitbestimmt werden müssen, was das Verfahren aufwendig macht.The basis of this measurement principle is the introduction of electrodes into the plastic clay raw material. Solid rock raw materials, on the other hand, are hard rocks, which is why electrode contact can not be made in this simple way. In addition, the electrical resistance depends strongly on the water content and the temperature, so that both parameters must be codetermined, which makes the process consuming.

Allgemein bekannt sind zur Untersuchung von Gesteinen außerdem spektroskopische Methoden, wie die sogenannte Nahinfrarot-Spektroskopie. Schichtsilikate, wie die Tonminerale, zeigen in diesem Spektralbereich charakteristische Ober- und Kombinationsschwingungen ihrer strukturellen OH-Bindungen, welche über Reflexionen direkt messbar sind und wie dies z. B. beschrieben ist in Petit et al., 1999, Clays and Clay Minerals, 47–1, 103–108 oder in Madejova et al., 2000, Clay Minerals, 35, 753–761; Kloprogge, T., 2006, Applied Clay Science, 31, 165–179.In addition, spectroscopic methods, such as so-called near-infrared spectroscopy, are generally known for the investigation of rocks. Phyllosilicates, such as the clay minerals, show in this spectral range characteristic upper and combination vibrations of their structural OH bonds, which can be measured directly by means of reflections and, as described, for example, in US Pat. As described in Petit et al., 1999, Clays and Clay Minerals, 47-1, 103-108, or Madejova et al., 2000, Clay Minerals, 35, 753-761; Kloprogge, T., 2006, Applied Clay Science, 31, 165-179.

Die Nahinfrarot-Spektroskopie ermöglicht aufgrund des Wellenlängenbereichs von insbesondere 4000 bis 7500 cm^–1 eine gute Spektrenauflösung im Reflexionsmodus. Mit handelsüblichen Nahinfrarot-Handgeräten können daher direkt in der Grube aussagekräftige Spektren aufgenommen werden. Diese Verfahrensweise wird jedoch nur zur qualitativen, nicht aber zur quantitativen Untersuchung eingesetzt, so dass nur eine Aussage getroffen wird, ob Tonminerale vorhanden sind oder nicht.Near-infrared spectroscopy allows good spectral resolution in reflection mode due to the wavelength range of, in particular, 4000 to 7500 cm ^-1 . With commercially available near-infrared hand-held devices, meaningful spectra can be recorded directly in the pit. However, this procedure is used only for qualitative, but not for quantitative analysis, so that only one statement is made as to whether clay minerals are present or not.

Gattungsfremd beschreibt US 5,455,422 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen und Regeln eines Anteils mehrere Beschichtungsmaterialien, welche verschiedene Zusammensetzungen aufweisen und auf ein Substrat aufgebracht werden, wie z. B. auf eine Papierbahn. Die Beschichtungsmessung ist unabhängig von Änderungen sowohl der Menge des Substrats als auch der Menge einer wechselwirkenden Komponente, die dem Substrat zugehört. Eine dabei bestimmbare Substanz der Beschichtungsmaterialien ist ein Tongehalt, welcher in der Papierindustrie bei der Herstellung von sich dabei bewegenden Papierbahnen von Bedeutung ist.Generic alien describes US 5,455,422 an apparatus and method for monitoring and controlling a proportion of a plurality of coating materials having different compositions and applied to a substrate, such as e.g. B. on a paper web. The coating measurement is independent of changes in both the amount of substrate and the amount of an interacting component that belongs to the substrate. An identifiable substance of the coating materials is a clay content which is of importance in the paper industry in the production of moving paper webs.

Ebenfalls gattungsfremd aus der Papierindustrie beschreibt EP 0 332 018 A2 einen Tonsensor zum Messen eines Tongehalts einer sich bewegenden Papierbahn während deren kontinuierlicher Herstellung. Der Sensor erzeugt für jedes einer Vielzahl ausgewählter engbandiger Infrarotstrahlungen elektrische Anzeigewerte der Intensität einer Strahlung, welche von der Bahn abgestrahlt oder reflektiert wird.Also alien to the paper industry describes EP 0 332 018 A2 a tone sensor for measuring a clay content of a moving paper web during its continuous production. The sensor generates for each of a plurality of selected narrowband infrared radiations electrical readings of the intensity of radiation emitted or reflected from the web.

US 5,104,485 beschreibt auch gattungsfremd ein Verfahren zum Messen extrem geringer Konzentrationen nicht wässriger Bestandteile oder Chemikalien in Wasser oder einer Wassermatrix, dies einschließlich einer Unterscheidung zwischen Fasern oder Feinstoff und extrem geringer Konzentrationen individueller Chemikalien in einer Wasser-Zellulosematrix, wie sie bei der Papierherstellung auftreten. US 5,104,485 also describes a method of measuring extremely low concentrations of non-aqueous constituents or chemicals in water or a water matrix, including a distinction between fibers or fines and extremely low concentrations of individual chemicals in a water-cellulose matrix such as occur in papermaking.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zum Bestimmen eines Mineralanteils eines Tonminerals, insbesondere eines Gehaltes von quellfähigem Tonmineral in Festgestein, worunter auch Festgesteinsrohstoffe zu verstehen sind, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche auch eine In-situ-Bestimmung, d. h. eine Bestimmung in z. B. einem Steinbruch vor Ort bereits während des Abbaues ermöglichen. Vorzugsweise sollen dabei individuelle geologische Bedingungen berücksichtigt werden können. Zudem sollte ein solches qualitätssicherndes Verfahren den Produktionsablauf nicht beeinträchtigen, also möglichst praktikabel sein.The object of the invention is to propose a method or a device for determining a mineral content of a clay mineral, in particular a content of swelling clay mineral in hard rock, which is also to be understood as rock solid, which also includes an in situ determination, ie. H. a provision in z. B. allow a quarry site already during the degradation. Preferably, individual geological conditions should be considered. In addition, such a quality assurance process should not affect the production process, so be as practical as possible.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the method having the features of patent claim 1 and the device having the features of patent claim 10. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

Bevorzugt wird demgemäß ein Verfahren zum Bestimmen eines Mineralanteils eines insbesondere quellfähigen Tonminerals in einem Gestein, bei dem ein Sendesignal im Infrarotbereich auf das Gestein gestrahlt wird und von dem Gestein reflektierte Messsignal erfasst wird, Werte des Messsignals in einem Wellenzahlbereich zwischen einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert quantitativ ermittelt werden und daraus der Mineralanteil des Tonminerals bestimmt wird.Accordingly, a method for determining a mineral content of a In particular, swellable clay mineral in a rock in which a transmission signal is irradiated in the infrared on the rock and detected by the rock measurement signal is detected values of the measurement signal in a wavenumber range between a lower limit and an upper limit and thus the mineral content of the clay mineral is determined.

Bereitgestellt wird somit ein In-situ-Verfahren zur Bestimmung insbesondere des Anteils quellfähiger Tonminerale in Festgesteinsrohstoffen mittels Nahinfrarot-Spektroskopie. Besteht die Annahme, dass ein Splittrohstoff Smektite enthält, dann kann eine Qualitätskontrolle nun auch hinsichtlich der Abschätzung des tatsächlichen Smektitgehaltes ergänzt werden. Die erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Qualitätskontrolle von Festgesteinsrohstoffen mittels einer schnellen und einfachen Methode zur Abschätzung des Mineralanteils, insbesondere Smektitgehaltes verbessert, insbesondere optimiert werden kann. Diese Verfahrensweise hat insbesondere den Vorteil, dass sie direkt während des Abbaubetriebes angewendet werden kann, wodurch Laboranalysen nicht mehr notwendig sind und sich dadurch auch keine Zeitverzögerung durch einen Probentransport in ein Labor ergibt.Thus, an in situ method is provided for determining, in particular, the proportion of swelling clay minerals in bedrock raw materials by means of near-infrared spectroscopy. If it is assumed that a bulk raw material contains smectites, then a quality control can now be supplemented with regard to the estimation of the actual smectite content. The advantages achieved are, in particular, that the quality control of hard rock raw materials can be optimized, in particular by means of a quick and simple method for estimating the mineral content, in particular smectite content. This procedure has the particular advantage that it can be used directly during the mining operation, whereby laboratory analyzes are no longer necessary and thereby also no time delay results from a sample transport in a laboratory.

Aus den Werten des Messsignals wird in dem Wellenzahlbereich zwischen den Grenzwerten eine Bandenfläche berechnet. Zweckmäßig wird eine Oberschwingung einer Streckschwingung in dem Wellenzahlbereich zwischen den Grenzwerten ausgewertet und zur quantitativen Erfassung der Bande eine lineare Untergrundkorrektur zwischen den Grenzwerten durchgeführt und so die resultierende Bandenfläche bestimmt.From the values of the measurement signal, a band area is calculated in the wavenumber range between the limit values. It is expedient to evaluate a harmonic of a stretching oscillation in the wavenumber range between the limit values and, for the purpose of quantitative detection of the band, to carry out a linear background correction between the limit values and thus determine the resulting band area.

Der Mineralanteil des Tonminerals wird insbesondere mittels Anwendung eines Least-Mean-Square-Verfahrens auf Gesteins- oder Mineralprofilen errechnet, wobei solche Gesteins- oder Mineralprofile in einer Spektrenbibliothek gespeichert sind. Die Spektrenbibliothek ist bevorzugt als eine Tabelle in einem entsprechenden Messgerät oder einer daran angeschlossenen Speichereinheit gespeichert und umfasst Mineral- bzw. Gesteinsprofile vorzugsweise möglichst vieler, insbesondere aller im Abbaubereich des Gesteins vorkommenden Haupt-Minerale, um eine möglichst genaue und zuverlässige Bestimmung des Mineralgehalts zu ermöglichen.The mineral content of the clay mineral is calculated in particular by applying a least-mean-square method on rock or mineral profiles, such rock or mineral profiles are stored in a spectral library. The spectral library is preferably stored as a table in a corresponding measuring device or a storage unit connected to it and comprises mineral or rock profiles preferably as many as possible, especially all occurring in the mining area of the main minerals to allow the most accurate and reliable determination of mineral content ,

Als der Mineralanteil des Tonminerals in dem Gestein wird insbesondere ein Anteil von Smektit bestimmt, wobei für das Berechnen ein Wellenzahlbereich des Messsignals zwischen einem unteren Grenzwert von 6750 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 7500 cm^–1 in die Berechnung eingehen und/oder zwischen einem unteren Grenzwert von 4100 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 4600 cm^–1 und/oder zwischen einem unteren Grenzwert von 5000 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 5400 cm^–1 in die Berechnung eingeht, insbesondere für das Berechnen Werte des Messsignals in einem Wellenzahlbereich zwischen einem unteren Grenzwert von 6900 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 7230 cm^–1 in die Berechnung eingehen und/oder zwischen einem unteren Grenzwert von 4100 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 4600 cm^–1 und/oder zwischen einem unteren Grenzwert von 5000 cm^–1 und einem oberen Grenzwert von 5400 cm^–1 in die Berechnung eingehen.In particular, a proportion of smectite is determined as the mineral content of the clay mineral in the rock, with a wave number range of the measurement signal between a lower limit of 6750 cm ^-1 and an upper limit of 7500 cm ^{-1 being included} in the calculation and / or between a lower limit of 4100 cm ^-1 and an upper limit of 4600 cm ^-1 and / or between a lower limit of 5000 cm ^-1 and an upper limit of 5400 cm ^{-1 is included} in the calculation, in particular for calculating values of the measurement signal in a wavenumber range between a lower limit of 6900 cm ^-1 and an upper limit of 7230 cm ^-1, and / or between a lower limit of 4100 cm ^-1 and an upper limit of 4600 cm ^-1 and / or between a lower limit of 5000 cm ^-1 and an upper limit of 5400 cm ^-1 .

Das Verfahren zur Bestimmung des Anteils quellfähiger Tonminerale in Festgesteinsrohstoffen nutzt somit vorteilhaft aus, dass mittels Nahinfrarot-Spektroskopie besonders gut der Bereich zwischen 6900 und 7230 Wellenzahlen quantitativ erfassbar ist und basierend auf einer zuvor erfolgten und vorzugsweise individuell angepassten Kalibrierung in den Smektitgehalt umgerechnet wird.The method for determining the proportion of swellable clay minerals in solid rock raw materials thus advantageously utilizes the fact that the range between 6900 and 7230 wavenumbers is particularly well quantified by means of near-infrared spectroscopy and converted into the smectite content based on a previously performed and preferably individually adjusted calibration.

Werte des Messsignals außerhalb der Grenzwerte bleiben unberücksichtigt. Durch die Ausblendung von Werten des Messsignals außerhalb der Grenzwerte wird eine Fokussierung auf ein bestimmtes in dem Festgestein erwartetes Tonmineral, z. B. Smektit bei dem Bereich zwischen 6900 und 7230 Wellenzahlen, ermöglicht. Weitere erfasste Gesteinskomponenten, welche zu Reflexionen bei anderen Wellenzahlen führen, wirken sich auf das Ergebnis nicht aus. Nach einer qualitativen Analyse mit der Erkenntnis oder einer Erwartung aufgrund des geologischen Umfelds, dass ein bestimmtes Tonmineral im Gestein enthalten ist, kann somit eine gezielte Untersuchung zur quantitativen Bestimmung von dessen mengenmäßigem Anteil durchgeführt werden.Values of the measuring signal outside the limits remain unconsidered. By blanking out values of the measurement signal outside the limits, a focus on a particular clay mineral expected in the bedrock, e.g. As smectite in the range between 6900 and 7230 wavenumbers allows. Other detected rock components, which lead to reflections at other wavenumbers, do not affect the result. After a qualitative analysis with the knowledge or an expectation due to the geological environment that a certain clay mineral is contained in the rock, a targeted investigation for the quantitative determination of its quantitative share can be carried out.

Als der Mineralanteil wird insbesondere ein Smektitgehalt in einem basaltischen Gestein als dem Gestein bestimmt. Insbesondere wird dazu die Oberschwingung der AlMgOH-Streckschwingung im Bereich 6900–7230 cm^–1 ausgewertet.In particular, a smectite content in a basaltic rock is determined to be the mineral fraction. In particular, the harmonic of the AlMgOH stretching vibration in the range 6900-7230 cm ^{-1 is} evaluated for this purpose.

Eigenständig vorteilhaft ist eine tragbare Vorrichtung zum Bestimmen eines Mineralanteils eines insbesondere quellfähigen Tonminerals in einem Gestein mit einem Messsignaleingang zum Einlesen von Werten eines Messsignals mit zumindest infraroten Wellenbereichsanteilen, mit einem Prozessor zum Errechnen des Mineralanteils aus zumindest den Werten des Messsignals und mit einer Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben des errechneten Mineralanteils.A portable device for determining a mineral content of a particularly swellable clay mineral in a rock with a measurement signal input for reading in values of a measurement signal with at least infrared waveband portions, with a processor for calculating the mineral content from at least the values of the measurement signal and with an output device for outputting is advantageously advantageous of calculated mineral content.

Unter einer tragbaren Vorrichtung wird eine Vorrichtung verstanden, welche durch eine Person auch in einem Steinbruch mitgeführt werden kann. Insbesondere weist eine solche Vorrichtung somit eine eigenständige Energieversorgung oder einen Anschluss an eine solche auf. Ein Gewicht der Vorrichtung liegt, um auch im Gelände tragbar zu sein, bevorzugt unter 20 kg, insbesondere unter 10 kg.A portable device is understood to mean a device which can also be carried by a person in a quarry. In particular, such a device thus has an independent power supply or a Following on such. A weight of the device is to be portable in the field, preferably under 20 kg, in particular less than 10 kg.

Der Prozessor ist insbesondere zum Durchführen eines derartigen Verfahrens ausgestaltet oder führt dazu ein gespeichertes Programm aus.The processor is designed in particular for carrying out such a method or executes a stored program for this purpose.

Der Messsignaleingang ist insbesondere mit einer das Messsignal bereitstellenden Infrarot-Spektrometereinheit, insbesondere einer Nahinfrarot-Spektrometereinheit verbunden, welche in der Vorrichtung aufgenommen ist. Ausreichend ist ein Messsignaleingang, um ein Messsignal eines eigenständigen Hand-Infrarot-Spektrometers anzulegen. Bevorzugt wird jedoch eine Ausgestaltung mit in der Vorrichtung integrierter Infrarot-Spektrometereinheit, so dass nicht zwei eigenständige Vorrichtungen zur Messung bzw. zur Auswertung zur Untersuchung eines Gesteins im Gelände mitzuführen sind.The measuring signal input is in particular connected to an infrared spectrometer unit providing the measuring signal, in particular a near-infrared spectrometer unit, which is accommodated in the apparatus. Sufficient is a measurement signal input to create a measurement signal of a standalone hand-held infrared spectrometer. However, a refinement with an infrared spectrometer unit integrated in the device is preferred, so that it is not necessary to carry two separate devices for measuring or evaluating to examine a rock in the terrain.

Die Vorrichtung ist bevorzugt mit einer Speichereinheit oder mit einer Schnittstelle und einer daran angeschlossenen Speichereinheit ausgestaltet, wobei in der Speichereinheit eine Spektrenbibliothek mit Spektren-Datensätzen von Gesteins- oder Mineralprofilen gespeichert ist. Dabei kann als die Speichereinheit auch ein Speicherbereich eines Hauptspeichers genutzt werden, in welchem Programme zur Steuerung des Prozessors und der weiteren Komponenten der Vorrichtung gespeichert sind.The device is preferably configured with a memory unit or with an interface and a memory unit connected thereto, wherein a spectral library with spectra data records of rock or mineral profiles is stored in the memory unit. In this case, as the memory unit and a memory area of a main memory can be used, in which programs for controlling the processor and the other components of the device are stored.

Der Prozessor oder eine daran angeschlossene Recheneinheit ist programmiert oder ausgelegt zur Kalibrierung. Der Prozessor oder eine daran angeschlossene Recheneinheit kann programmiert oder ausgelegt sein, den Mineralanteil aus den in der Spektrenbibliothek gespeicherten Gesteins- oder Mineralprofilen mittels eines Least-Mean-Square-Verfahrens zu berechnen.The processor or a computing unit connected to it is programmed or designed for calibration. The processor or a computing unit connected thereto may be programmed or configured to calculate the mineral content from the rock or mineral profiles stored in the spectral library using a least mean square method.

In der Spektrenbibliothek sind insbesondere Werte von Tonmineralen, insbesondere Haupt-Mineralen, zur Bestimmung des Tonmineralgehalts abgreifbar gespeichert.In particular, values of clay minerals, in particular main minerals, for the determination of the clay mineral content are stored in the spectral library.

Eigenständig vorteilhaft ist auch eine Verwendung eines Nahinfrarot-Spektrometers zum Bestimmen eines Mineralanteils eines insbesondere quellfähigen Tonminerals in einem Gestein, wobei das Nahinfrarot-Spektrometer in Verbindung mit einem derart bevorzugten Verfahren verwendet wird und/oder mit einer derart bevorzugten Vorrichtung ausgestattet ist oder zu der Vorrichtung Daten eines Messsignals übertragend verbunden ist.Also of independent advantage is the use of a near-infrared spectrometer for determining a mineral content of a particularly swellable clay mineral in a rock, the near-infrared spectrometer being used in conjunction with such a preferred process and / or having such a preferred device or to the device Data transmission of a measuring signal is connected.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 von einer Gesteinsprobe ein Nahinfrarot-Laborspektrum und ein Nahinfrarot-Handgerätespektrum sowie einen Wertebereich zur Bestimmung eines Mineralanteils in der Gesteinsprobe, 1 from a rock sample, a near-infrared laboratory spectrum and a near-infrared handheld instrument spectrum as well as a range of values for determining a mineral content in the rock sample,

2 Komponenten einer beispielhaften tragbaren Vorrichtung zur Bestimmung des Mineralanteils eines Gesteins, 2 Components of an Exemplary Portable Device for Determining the Mineral Content of a Rock

3 charakteristische Nahinfrarot-Spektren für in Basalten typischerweise vorkommende Tonminerale, 3 characteristic near-infrared spectra for clay minerals typically found in basalts,

4 ein Ergebnis einer Kalibrierung der spektroskopischen Methode anhand von 30 Basaltproben sowie einer Testmessung und 4 a result of a calibration of the spectroscopic method on the basis of 30 basalt samples and a test measurement and

5 einen Einfluss variierender relativer Luftfeuchtigkeit bzw. Wassergehalt auf drei Basaltsplittproben. 5 an influence of varying relative humidity or water content on three basalt chippings samples.

1 zeigt von einer Gesteinsprobe im Vergleich ein gepunktet dargestelltes Nahinfrarot-Laborspektrum mc und ein mit durchgehender Linie dargestelltes Nahinfrarot-Handgerätespektrum m. Innerhalb eines quantitativ auszuwertenden Wellenzahlbereichs ist zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert g1 bzw. g2 ein zu untersuchender Wertebereich zur Bestimmung eines Mineralanteils SG, insbesondere Smektitgehalts, in der Gesteinsprobe skizziert. 1 Fig. 12 shows a near-by-sample near-infrared laboratory spectrum mc and a near-infrared near-infrared handset spectrum m shown by a solid line in comparison. Within a wave number range to be evaluated quantitatively, a range of values to be examined for determining a mineral content SG, in particular smectite content, in the rock sample is sketched between a lower and an upper limit value g1 or g2.

Verfahrensgemäß wird zum Bestimmen des Tonmineralanteils SG eines Tonminerals, insbesondere eines quellfähigen Tonminerals in einem Gestein zunächst ein solches Nahinfrarotspektrum eines zu überprüfenden quellfähigen Rohstoffs mittels eines für sich bekannten Nahinfrarotspektrum-Handspektrometers aufgenommen.According to the method, to determine the clay mineral content SG of a clay mineral, in particular of a swellable clay mineral in a rock, such a near-infrared spectrum of a swellable raw material to be tested is recorded by means of a near-infrared spectrum hand spectrometer known per se.

Anschließend wird aus dem Messsignal des Spektrums bzw. aus digitalen Werten des Messsignals r die für das Tonmineral typische Oberschwingung der Streckschwingung zwischen den beiden für das gesuchte Tonmineral charakteristischen Grenzwerten g1, g2 ausgewertet. Beispielhaft für die Bestimmung des Smektitgehalts bzw. Smektitanteils wird die für Smektite typische Oberschwingung der AlMgOH-Streckschwingung im Bereich zwischen dem unteren Grenzwerten g1 mit 6900 cm^–1 und dem oberen Grenzwert G2 mit 7230 cm^–1 ausgewertet.Subsequently, from the measurement signal of the spectrum or from digital values of the measurement signal r, the harmonic of the stretching oscillation typical for the clay mineral between the two limit values g1, g2 characteristic of the sought-after clay mineral is evaluated. As an example for the determination of the smectite content or smectite content, the smectite-typical harmonic of the AlMgOH stretching vibration in the range between the lower limit value g1 of 6900 cm ^-1 and the upper limit value G2 of 7230 cm ^{-1 is} evaluated.

Zur quantitativen Erfassung der daraus resultierenden Bande wird eine lineare Untergrundkorrektur zwischen 6900 und 7230 cm^–1 über einer Basislinie b durchgeführt und eine resultierende Bandenfläche fl ermittelt. Diese Bandenfläche fl wird nachfolgend in den Mineralanteil SG umgerechnet.For the quantitative determination of the resulting band, a linear background correction between 6900 and 7230 cm ^{-1 is performed} over a baseline b and a resulting band area fl is determined. This band area fl is subsequently converted into the mineral content SG.

Die Bandenfläche fl wird vorzugsweise nicht direkt sondern mittels einer geeigneten Kalibrierung in den Mineralanteil SG umgerechnet. Die Kalibrierung dient zur Anpassung des Verfahrens an verschiedene Gesteinstypen und/oder Abbaubetriebe, da unterschiedliche Gesteinstypen oder Lokationen z. B. unterschiedliche Oberflächenrauhigkeiten besitzen, was die Vergleichbarkeit der Daten von unterschiedlichen Lokationen beeinträchtigen kann. The band surface fl is preferably not converted directly but by means of a suitable calibration in the mineral content SG. The calibration is used to adapt the method to different types of rock and / or mining operations, as different rock types or locations z. B. have different surface roughness, which may affect the comparability of data from different locations.

Die Kalibration auf einen gegebenen Abbaubetrieb erfolgt bevorzugt durch In-situ-Nahinfrarot-Spektroskopie und durch Probennahme sowie Laboranalyse der Proben hinsichtlich des Smektitanteils.The calibration to a given mining operation is preferably carried out by in situ near infrared spectroscopy and by sampling and laboratory analysis of the samples in terms of smectite content.

2 zeigt bevorzugte Komponenten einer Vorrichtung G für die Verfahrensdurchführung: Diese Vorrichtung G umfasst alle Komponenten eines solchen Nahinfrarotspektrum-Handspektrometers. Zentrale Komponente der Vorrichtung G ist ein Prozessor C, welcher zum Durchführen zumindest des bevorzugten Verfahrens zum Bestimmen des Mineralanteils SG einer Probe eines zu untersuchenden Gesteins O ausgelegt ist. Der Prozessor C weist einen Messsignaleingang RI auf, welcher zumindest zum Anlegen eines Messsignals r dient. Insbesondere ist eine Ausgabe von Steuersignalen an eine Spektrometer-Sendeeinheit optional vorgesehen, wenn der Messsignaleingang zugleich als Steuerausgang ausgestaltet ist. 2 shows preferred components of a device G for performing the method: This device G includes all the components of such a near-infrared spectrum hand-held spectrometer. Central component of the device G is a processor C which is designed to perform at least the preferred method for determining the mineral content SG of a sample of a rock O to be investigated. The processor C has a measurement signal input RI, which serves at least for applying a measurement signal r. In particular, an output of control signals to a spectrometer transmitting unit is optionally provided if the measuring signal input is also designed as a control output.

Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung G wird das Messsignal r von einer Spektrometereinheit S bereitgestellt, welche ebenfalls in der Vorrichtung G aufgenommen ist. Die Spektrometereinheit S sendet ein infrarotes Sendesignal s in Richtung der Oberfläche des zu untersuchenden Gesteins O. Das Gestein O reflektiert das Sendesignal s, so dass die Spektrometereinheit S das reflektierte Signal empfängt und als das Messsignal r an den Prozessor C weiterleitet.According to the exemplary embodiment of the device G, the measurement signal r is provided by a spectrometer unit S, which is also included in the device G. The spectrometer unit S sends an infrared transmission signal s in the direction of the surface of the rock O to be investigated. The rock O reflects the transmission signal s, so that the spectrometer unit S receives the reflected signal and forwards it as the measurement signal r to the processor C.

Nachdem der Prozessor C zu dem untersuchten Gestein O aus dem Messsignal r den Mineralanteil SG berechnet hat, wird dieser ausgegeben. Als Ausgabeeinheit dient bevorzugt eine Anzeigeeinheit D. Eine Ausgabe kann aber auch über eine Ein-/Ausgabeeinrichtung I/O erfolgen.After the processor C has calculated the mineral content SG from the measurement signal r for the investigated rock O, this is output. The output unit is preferably a display unit D. However, an output can also be made via an input / output device I / O.

Ausgegeben werden kann über die Anzeigeeinheit D und/oder über die Ein-/Ausgabeeinrichtung IO vorzugsweise zusätzlich zu dem Mineralanteil SG z. B. auch eine Information über die Feuchte des Gesteins O, ein Kalibrations-Faktor f und eine Information über für die Berechnung verwendete Profile einer Vielzahl von Gesteins- bzw. Mineralprofilen, welche in einer Spektrenbibliothek T hinterlegt sind.Can be output via the display unit D and / or via the input / output device IO preferably in addition to the mineral content SG z. As well as information about the moisture content of the rock O, a calibration factor f and information about used for the calculation profiles of a variety of rock or mineral profiles, which are stored in a spectral library T.

Die Spektrenbibliothek T ist vorzugsweise in einer in der Vorrichtung G integrierten Speichereinheit M gespeichert. Hinterlegt sind in der Spektren-Bibliothek T derartige Profile, welche Werteverhältnisse zu verschiedenen typischen Mineralien, insbesondere Tonmineralien M1–M6 angeben.The spectral library T is preferably stored in a memory unit M integrated in the device G. Deposited in the spectral library T are such profiles which indicate ratios of values to various typical minerals, in particular clay minerals M1-M6.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung G auch eine Eingabeeinrichtung, beispielsweise eine Eingabetastatur TI auf, um über eine solche Eingabetastatur TI und/oder über die Ein-/Ausgabeeinrichtung IO die Daten der Spektrenbibliothek T aktualisieren zu können. Insbesondere können mittels der Eingabeeinrichtung auch vor Ort Eingaben über einen vorgefundenen Feuchtegehalt des zu untersuchenden Gesteins O vorgenommen werden, um gegebenenfalls erforderliche weitere Korrekturberechnungen durch das im Prozessor C ablaufende automatisierte Verfahren vornehmen lassen zu können.The device G preferably also has an input device, for example an input keyboard TI, in order to be able to update the data of the spectral library T via such an input keyboard TI and / or via the input / output device IO. In particular, by means of the input device, inputs about a moisture content of the rock O to be investigated can also be made on site in order to have any further required correction calculations to be carried out by the automated process running in the processor C.

Besonders bevorzugt wird ein für sich bekanntes Nahinfrarotspektrum-Handspektrometer hinsichtlich der Funktionalität zu einer solchen Vorrichtung G erweitert, indem darin eine geeignete Software implementiert wird, die eine Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung des quantitativen Mineralanteils SG als zusätzliche Funktion ausführt.More preferably, a per se known near-infrared spectrum hand-held spectrometer is extended in terms of functionality to such a device G by implementing therein an appropriate software that performs a performance of the method of determining the quantitative mineral content SG as an additional function.

Eine alternative Vorrichtung zur In-situ-Bestimmung des Mineralanteils SG kann ohne Komponenten eines Nahinfrarotspektrum-Handspektrometers ausgestaltet sein, wobei die Vorrichtung dann eine Schnittstelle zu einem eigenständig betreibbaren Nahinfrarotspektrum-Handspektrometer aufweist, um dessen Messsignal r oder dessen diskrete Werte zur weiteren Verarbeitung in die Vorrichtung zu übertragen.An alternative device for in situ determination of the mineral content SG can be configured without components of a near-infrared spectrum hand-held spectrometer, wherein the device then has an interface to an independently operable near-infrared spectrum hand-held spectrometer, to its measurement signal r or its discrete values for further processing in the Device to transfer.

Eine bevorzugte verfahrensgemäße Ausgestaltung zur Bestimmung des Mineralanteils SG basiert auf der möglichst vollständigen Spektrenbibliothek T. Idealerweise würde die Spektrenbibliothek T Gesteins- bzw. Mineralprofile der gesamten Mineralogie auf physikalisch richtiger Basis in der reinen Phase umfassen. Vorteilhaft ist aber bereits eine Spektrenbibliothek T, welche vorzugsweise alle im Abbaubereich vorkommenden Minerale und chemischen Variationen dieser Minerale enthält. Damit ergibt sich die Möglichkeit zur Verbesserung des Algorithmus zur Berechnung des Smektitgehaltes bzw. Mineralanteils SG. Dabei wird das gemessene Spektrum der unbekannten Probe anhand der Datensätze bzw. Profile der Spektrenbibliothek T mit einem Least-square-Verfahren angepasst, indem das Least-square-Verfahren alle Einzelspektren summiert und ein best geeignetes Summenergebnis aus den Reinphasen modelliert. Diese Verfahrensweise wiederum stellt eine noch sicherere Möglichkeit der Quantifizierung von dem gesuchten Tonmineral, insbesondere Smektit anhand Nahinfrarot-Spektroskopiedaten dar. Der Grad der Verbesserung hängt jedoch stark mit der Qualität der Spektrenbibliothek zusammen.A preferred embodiment according to the method for determining the mineral content SG is based on the spectra library T. which is as complete as possible. Ideally, the spectral library T would comprise rock or mineral profiles of the entire mineralogy on a physically correct basis in the pure phase. However, already advantageous is a spectral library T, which preferably contains all minerals occurring in the mining area and chemical variations of these minerals. This results in the possibility of improving the algorithm for calculating the smectite content or mineral content SG. In this case, the measured spectrum of the unknown sample is adjusted using the data sets or profiles of the spectral library T with a least-squares method, in that the least-squares method sums all the individual spectra and models a best suitable sum result from the pure phases. This procedure, in turn, provides an even safer way of quantifying the sought-after clay mineral, particularly smectite, using near-infrared spectroscopy data. The degree of improvement however, is strongly related to the quality of the spectral library.

Erste Versuche mit Datenbanken, in denen noch nicht alle Tonminerale und Varietäten vollständig vorkommen, zeigen bereits, dass die Anpassung eines gemessenen Spektrums mit der Summe von Einzelpattern sehr genau sein kann. Diese Option der quantitativen Auswertung stellt daher, gegenüber der Einzelbandenauswertung, eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dar.Initial experiments with databases in which not all clay minerals and varieties are completely present, already show that the adaptation of a measured spectrum with the sum of single patterns can be very accurate. Therefore, this option of quantitative evaluation represents, compared to the single-band evaluation, a further advantageous embodiment.

Im Rahmen eines ersten Versuches wurden basaltische Splitte mit einem Handspektrometer untersucht. Für die Erstellung der Kalibration wurden abhängig von Rohstoff und Spektrometer 30 Proben aus allen für den Abbau relevanten Bereichen genommen und deren Nahinfrarot-Spektren wurden mit einem Gerät unter der Bezeichnung „PIMA” der Firma Integrated Spectronics aufgenommen und im Labor hinsichtlich des Smektitgehaltes als dem Mineralanteil SG untersucht. Zur Bestimmung des Smektitgehaltes wurde die Kationenaustauschkapazität mittels Cu-Triethylentetramin-Methode bestimmt, eine Schichtladungsdichte von 0,31 eq/FE (Ladungen pro Formeleinheit), eine molare Masse der Formeleinheit von 370 g/mol und eine variable Ladung von 5%, entsprechend einem Faktor f = 0,95, angenommen. Die Berechnung der Smektitgehalte erfolgte gemäß: Mineralanteil SG = ([KAK]·0,95·370)/(1000·0,31) = [KAK]·1,13, wobei KAK eine Kationenaustauschkapazität des untersuchten Tons bzw. untersuchten Gesteins O ist. Die Berechnung entspricht einer Messung einer Probe in einem Labor.As part of a first experiment, basaltic chippings were examined with a handheld spectrometer. Depending on the raw material and the spectrometer, 30 samples were taken from all areas relevant for the degradation and their near-infrared spectra were recorded with a device called "PIMA" from Integrated Spectronics and in the laboratory with regard to the smectite content as the mineral fraction SG examined. To determine the smectite content, the cation exchange capacity was determined by Cu-triethylenetetramine method, a layer charge density of 0.31 eq / FE (charges per formula unit), a molar mass of the formula unit of 370 g / mol and a variable charge of 5%, corresponding to one Factor f = 0.95, assumed. The smectite contents were calculated according to: Mineral content SG = ([KAK] * 0.95 * 370) / (1000 * 0.31) = [KAK] * 1.13, where KAK is a cation exchange capacity of the investigated clay or rock O, respectively. The calculation corresponds to a measurement of a sample in a laboratory.

Die Bandenflächen wurden nach linearer Untergrundkorrektur zwischen 6900 und 7230 cm^–1 in diesem Intervall mit einer spektroskopischen Software „Omnic” der Firma Nicolet bestimmt. 1 zeigt diesen Bereich in dem Nahinfrarot-Laborspektrum und dem Nahinfrarot-Handgerätspektrum der Probe mit ca. 15 Gew.-% Montmorillonit.The band areas were determined after linear background correction between 6900 and 7230 cm ^-1 in this interval with a spectroscopic software "Omnic" from Nicolet. 1 shows this range in the near infrared laboratory spectrum and the near infrared handset spectrum of the sample with about 15% by weight montmorillonite.

3 zeigt charakteristische Nahinfrarot-Spektren für die in Basalten typischerweise vorkommenden Minerale M1–M6. Basalte bestehen hauptsächlich aus Pyroxen, Hornblende als viertem der dargestellten Minerale M4 und Feldspäten. Zusätzlich können untergeordnet Olivin, Quarz und Karbonate, letztere auch in Drusen, vorkommen. Ersichtlich ist, dass diese Minerale, mit Ausnahme der Hornblende, welche strukturelle OH-Gruppen besitzt, in dem für Smektit als dem ersten der Minerale M1 relevanten Bereich zwischen den Grenzwerten g1, g2 keinerlei Extinktion, d. h. keinerlei Abschwächung der Strahlung aufweisen. Auch die Hornblende besitzt vergleichsweise geringe Intensität in diesem Bereich. Smektite hingegen weisen eine deutliche Bande in dem relevanten Bereich auf. 3 shows characteristic near-infrared spectra for the minerals M1-M6 typically found in basalts. Basalts mainly consist of pyroxene, hornblende as the fourth of the minerals M4 and feldspars. In addition, subordinate olivine, quartz and carbonates, the latter also occur in drusen. It can be seen that these minerals, with the exception of the hornblende, which has structural OH groups, have no extinction, ie no attenuation of the radiation, in the range between the limit values g1, g2 relevant for smectite as the first of the minerals M1. The hornblende has comparatively low intensity in this area. Smectites, however, have a distinct band in the relevant region.

Die Nahinfrarot-Spektren für diese Minerale M1–M6 unterscheiden sich weiterhin durch eine deutliche Bande bei ca. 5200 cm^–1, insbesondere 5000 cm^–1 bis 5400 cm^–1, die auf eine Anwesenheit von freiem und adsorbiertem Wasser zurückzuführen und daher für die Quantifizierung weniger gut geeignet erscheint als die Bande bei ca. 7100 cm^–1. Die dritte typische Bande bei ca. 4500 cm^–1, insbesondere 4100 bis 4600 cm^–1, als eine Kombinationsschwingung von AlMgOH mit Streckschwingung und Deformationsschwingung kann ebenfalls zur Quantifizierung eingesetzt werden. Besonders gut einsetzbar sind das Verfahren und die Vorrichtung somit zum Bestimmen des Smektitgehalts bzw. Mineralanteils SG in Basalten.The near-infrared spectra for these minerals M1-M6 are further distinguished by a distinct band at about 5200 cm ^-1 , especially 5000 cm ^-1 to 5400 cm ^-1 , due to the presence of free and adsorbed water and therefore for the Quantification seems less suitable than the band at about 7100 cm ^-1 . The third typical band at about 4500 cm ^-1 , especially 4100 to 4600 cm ^-1 , as a combination vibration of AlMgOH with stretching vibration and deformation vibration can also be used for quantification. The method and the device are thus particularly suitable for determining the smectite content or mineral content SG in basalts.

4 zeigt ein Ergebnis der Kalibrierung der spektroskopischen Methode anhand von 30 Basaltproben sowie einer Testmessung, welche als Kreis dargestellt ist. Im Gegensatz zu den Basaltproben wurde als Probe für die Testmessung eine normale authentische Basaltprobe verwendet. Diese wurde allerdings nach Etablierung der Kalibration vermessen und kann daher nicht zur Kalibration gezählt werden kann, sondern stellt einen Test dar. 4 shows a result of the calibration of the spectroscopic method based on 30 basalt samples and a test measurement, which is shown as a circle. In contrast to the basalt samples, a normal authentic basalt sample was used as the sample for the test measurement. However, this was measured after establishing the calibration and therefore can not be counted for calibration, but is a test.

Der Smektitgehalt der 30 im Gelände gemessenen Proben variierte von 5–15 Gew.-%. Durch Vergleich der Smektitgehalte mit der jeweils berechneten Bandenfläche fl folgt für die Nahinfrarot-Spektroskopie im Fall von 4 als empirische Kalibrierung: Mineralanteil SG = 14,8·(Bandenfläche fl) + 2,8 The smectite content of the 30 samples measured in the field varied from 5-15% by weight. By comparison of the smectite contents with the band face fl calculated in each case follows for the near-infrared spectroscopy in the case of 4 as empirical calibration: Mineral content SG = 14.8 × (band area fl) + 2.8

Die Werte 14,8 und 2,8 sind aus einer empirischen Kalibration mit einer Geradenanpassung einer Geraden k zur Kalibrierung bestimmt, stellen also eine Steigung und einen y-Achsenabschnitt mit den Parametern y = 14,8x + 2,8 dieser Geraden k dar. Für die empirische Kalibrierung wurde ein Satz von 30 verschiedenen Proben im Labor bezüglich der Bandenfläche fl und des Smektitgehaltes bzw. Mineralanteil SG untersucht. Die Kalibrierung ergibt sich aus dem Vergleich der beiden Werte, d. h. der Bandenfläche fl und des Mineralanteil SG.The values 14.8 and 2.8 are determined from an empirical calibration with a straight line adaptation of a straight line k for calibration, ie represent a slope and a y-intercept with the parameters y = 14.8x + 2.8 of this straight line k. For the empirical calibration, a set of 30 different samples was analyzed in the laboratory with respect to the band area fl and the smectite content or mineral content SG. The calibration results from the comparison of the two values, i. H. the band surface fl and the mineral content SG.

Die Berechnung entspricht somit einer Messung einer Probe mit der bevorzugten Verfahrensweise. Die Ergebnisse sollten dabei bei ideal kalibriertem Messgerät den Werten der vorstehenden Berechnung der Messung der Probe im Labor möglichst nahe kommen.The calculation thus corresponds to a measurement of a sample with the preferred procedure. The results should come as close as possible to the values of the above calculation of the measurement of the sample in the laboratory when the instrument is ideally calibrated.

Um die Kalibrierung zu testen, wurde die Probe der Testmessung mittels Nahinfrarot-Spektroskopie untersucht und eine Bandenfläche fl von 0,43 ermittelt. Entsprechend der Kalibrierung ergibt sich hieraus für die Testmessung ein Mineralanteil SG bzw. Smektitgehalt von 9,2 Gew.-%.To test the calibration, the sample of the test measurement was examined by near-infrared spectroscopy and a band area fl of 0.43 was determined. According to the calibration results from this for the test measurement, a mineral content SG or smectite content of 9.2 wt .-%.

Im Labor wurde in einer weiteren Messung der Probe der Testmessung ein Smektitgehalt von 7,9 Gew.-% bestimmt. Die Differenz liegt im Rahmen der Fehlergrenzen beider Methoden und wird daher als zufrieden stellend angesehen.In the laboratory, a smectite content of 7.9 wt .-% was determined in a further measurement of the sample of the test measurement. The difference lies within the error limits of both methods and is therefore considered satisfactory.

5 veranschaulicht einen Einfluss variierender relativer Luftfeuchtigkeit r. L. und Wassergehalt auf drei Basaltsplittproben bezüglich der Nahinfrarot-Bandenfläche zwischen 6900 und 7230 cm^–1 bzw. den Einfluss verschiedener Trocknungsgrade. Zahlenwerte innerhalb der Balken entsprechen dem Wassergehalt in Gew.-% bezogen auf 105°C getrocknetes Probenmaterial. Um Fehlerquellen bewerten zu können, wurden systematische Laboruntersuchungen durchgeführt. Als besonders problematisch wurde der variierende Wassergehalt der Basaltsplitte erachtet, da die auszuwertende Nahinfrarot-Bande der Smektite im Bereich der Wasserschwingungen liegt und das Verfahren auch bei unterschiedlichen Wassergehalten anwendbar sein soll. Dieser Wassergehalt hängt von der relativen Luftfeuchte der Umgebung ab, da die quellfähigen Tonminerale entsprechend der Umgebungsbedingungen Wasser aufnehmen oder abgeben. Die Ergebnisse der systematischen spektroskopischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die Smektitbande als die Grenzwerte g1, g2 erst oberhalb von 50% r. L. durch die Schwingungen des Wassers beeinflusst wird. Unterhalb dieses Bereiches (bis hin zur Trocknung bis 105°C) wurde kein Einfluss des variablen Wassergehaltes auf das spektroskopische Ergebnis gefunden, was gegenüber geoelektrischen Methoden einen enormen Vorteil darstellt, da der Wassergehalt nicht zusätzlich bestimmt werden muss. 5 illustrates an influence of varying relative humidity r. L. and water content on three basalt chippings with respect to the near-infrared band area between 6900 and 7230 cm ^-1 or the influence of different degrees of dryness. Numerical values within the bars correspond to the water content in wt .-% based on 105 ° C dried sample material. In order to be able to evaluate sources of error, systematic laboratory tests were carried out. The varying water content of the basalt chippings was considered to be particularly problematic since the near-infrared band of the smectites to be evaluated is in the range of water vibrations and the method should also be applicable to different water contents. This water content depends on the relative humidity of the environment, since the swellable clay minerals absorb or release water according to the ambient conditions. The results of the systematic spectroscopic investigations have shown that the smectite band as the limit values g1, g2 is above 50% r. L. is influenced by the vibrations of the water. Below this range (up to drying up to 105 ° C), no influence of the variable water content on the spectroscopic result was found, which is a huge advantage over geoelectric methods, since the water content does not have to be additionally determined.

Erkennbar ist dabei, dass die beschriebene Verfahrensweise bei feuchtem und vor allem bei nassem Gestein nur bedingt angewendet werden kann. Bei nassem Gestein sollte zweckmäßig eine Vortrocknung erfolgen. Eine weitere Einschränkung der Anwendbarkeit dieser Methode kann durch die Anwesenheit von dem Tonmineral Kaolinit resultieren, da die Kaolinitbanden mit denen der Smektite koinzidieren. Kaolinit ist allerdings in Basalten ein sehr seltenes Mineral, weshalb eine Anwendung des Verfahrens besonders bevorzugt in Basalten erfolgt.It can be seen that the described procedure can only be used to a limited extent in damp and, above all, in wet rock. For wet rock, it is advisable to pre-dry. Further limitation of the applicability of this method may result from the presence of the clay mineral kaolinite as the kaolinite bands coincide with those of the smectites. However, kaolinite is a very rare mineral in basalts, which is why it is particularly preferred to use the method in basalts.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

b

baseline

C

processor

D

display unit

f

factor

fl

band surface

g1

lower limit

g2

upper limit

G

Device for determining a mineral content

IO

Input / output device

k

Especially for calibration

KAK

Cation exchange capacity

m

Near-infrared range handsets

mc

Near-infrared spectrum laboratory

M

storage unit

M1-M6

in the rock possible minerals

O

rock to be investigated

r

measuring signal

RI

Measuring signal input

S

spectrometer unit

s

infrared transmission signal

SG

mineral content

T

spectral library

TI

input keyboard

Claims

Method for determining a mineral content (SG) of a clay mineral, in particular of a swellable clay mineral, in a rock (O), in which A transmission signal (s) in the infrared range is radiated onto the rock (O) and a measurement signal (r) reflected by the rock (O) is detected, - Values of the measurement signal (r) in a wave number range between a lower limit (g1) and an upper limit (g2) are determined quantitatively and - From this the mineral content of the clay mineral is determined.

Method according to Claim 1, in which a band area (fl) is calculated from the values of the measurement signal (r) in the wavenumber range between the limit values (g1, g2).

Method according to Claim 2, in which a harmonic of a stretching vibration in the wavenumber range between the limit values (g1, g2) is evaluated, and for the quantitative detection of the band a linear background correction between the limit values (g1, g2) is carried out and the resulting band area is determined.

Method according to Claim 2 or 3, in which, according to a previous calibration of a measuring device, the mineral content (SG) is determined from the band surface (fl).

Method according to claim 4, in which different samples are tested in the laboratory for the band area (fl) and the mineral content (SG) and the calibration results from a comparison of the band area (fl) and the mineral content (SG) of the samples.

A method according to any preceding claim, wherein as the mineral fraction (SG) in the rock (O) a proportion of smectite is determined, wherein for calculating a wavenumber range of the measuring signal (r) between a lower limit (g1) of 6750 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 7500 cm ^-1 enters the calculation and / or between a lower limit (g1) of 4100 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 4600 cm ^-1 and / or between a lower limit (g1) of 5000 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 5400 cm ^-1 is included in the calculation, in particular for calculating values of the measurement signal (r) in a wave number range between a lower limit (g1) of 6900 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 7230 cm ^-1 enter into the calculation and / or between a lower limit (g1) of 4100 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 4600 cm ^-1 and / or between a lower limit (g1) of 5000 cm ^-1 and an upper limit (g2) of 5400 cm ^-1 to enter into the calculation.

Method according to any preceding claim, wherein the mineral content (SG) is calculated by means of a least mean square method and rock or mineral profiles of a spectral library (T).

Method according to one of the preceding claims, in which values of the measurement signal (r) outside the limit values (g1, g2) are disregarded.

A method according to any preceding claim, wherein as the mineral content (SG) a smectite content in a basaltic rock is determined as the rock (O).

Rock determination device, in particular portable device (G) for determining a mineral content (SG) of a clay mineral, in particular a swellable clay mineral, in a rock (O) with A measurement signal input (RI) for reading in values of a measurement signal (r) having at least infrared waveband components, A processor (C) for calculating the mineral content (SG) of the clay mineral from at least the values of the measurement signal (r) and - An output device (D, IO) for outputting the calculated mineral content (SG) of the clay mineral.

Apparatus according to claim 10, wherein the processor (C) is arranged or executes a stored program for carrying out a method according to any one of claims 1 to 9.

Apparatus according to claim 10 or 11, wherein the measuring signal input (RI) is connected to the measuring signal (r) providing infrared spectrometer unit (S), in particular a near-infrared spectrometer unit, which is incorporated in the device (G).

Device according to one of claims 10 to 12 with a memory unit (M) or with an interface (IO) and a memory unit connected thereto, wherein in the memory unit (M) a spectral library (T) is stored with spectra data sets of rock or mineral profiles ,

Apparatus according to claim 13, wherein the processor (C) or an arithmetic unit connected thereto is programmed or designed, the mineral fraction (SG) by means of the rock or mineral profiles stored in the spectral library (T) and by means of a least mean square method to calculate.

Apparatus according to claim 13 or 14, wherein in the spectral library (T) values of minerals, in particular main minerals, are tapped off to determine the mineral content.

Use of a near-infrared spectrometer for determining a mineral content (SG) of a particular swellable clay mineral in a rock (O), wherein the near-infrared spectrometer is used in conjunction with a method according to one of claims 1 to 9 and / or with a device according to one Of the claims 10 to 15 equipped or to the device data of a measuring signal (r) is connected transmitting.