Analisa mineral - mikroskop binokuler

Analisa mineral

- mikroskop binokuler - mikroskop optik

- mikroskop elektron dan Automated Mineralogy - Bagian-2

Dr.mont. Andy Yahya Al Hakim

Pemetaan elemen - pirit

Bagian-1

2

 Analisa kimia non destruktif yang menggunakan prinsip radiasi sinar-X (XRF) – memanfaatkan energi yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron dari kulit atom

 Energi ini dideteksi dengan 2 mekanisme:

• Wavelength Dispersive System (WDS), atau

• Energy Dispersive System (EDS)

 Sinar-X diarahkan ke suatu kristal (titik) dan terdifraksi menurut hukum Bragg

 Dua mekanisme di atas digabung dengan sistem imaging yang menggunakan mikroskop elektron Scanning Electron Microscope atau Electron Micro Probe Analyzer (EMPA)

9 April 2020

Mikroskop elektron

3

 Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang sekitar 0,01-10 nm

 Jika elektron yang memborbardir mempunyai energi yang cukup (brehmstrahlung – braking radiation), elektron dapat berpindah dari inti ke kulit yang lebih luar

9 April 2020

Apa itu sinar-X?

Ilustrasi X-ray tube

X-ray tube: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xtube.html

Intensitas energi X-ray: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xrayc.html Spektrumhttps://www.e-education.psu.edu/geog160/node/1958

4 9 April 2020

Perambatan gelombang

λ

 Panjang gelombang sinar-X menyerupai panjang gelombang antar atom, sehingga sinar-X dapat digunakan untuk mengukur jarak antar atom pada spesimen

5 9 April 2020

Hukum Bragg (1914)

d = jarak antar bidang kisi

θ

2θ

DA+AE = dsinθ + dsinθ nλ = 2dsinθ

A C

D E

6 9 April 2020

Hukum Bragg (1914)

https://www.iycr2014.org/events/postage_stamps/philately

DA+AE = dsinθ + dsinθ nλ = 2dsinθ

n = intejer, ditentukan dari orde (n = 1, 2, 3, …….)

d = jarak antar bidang dalam kisi atom (plane spacing in the atomic lattice)

Θ = sudut datang (incidence) dan sudut pantul (reflection) λ = panjang gelombang dari sinar datang

“Hukum tentang hubungan difraksi antara panjang gelombang datang dengan jarak antar bidang (d) dari kristal difraksi”

7

 Orbital elektron ( ) terisi secara merata dalam bergabai tingakatan energi, pada kulit K, L, M… dengan K pada bagian

terdalam

9 April 2020

Eksitasi atom oleh sinar-X

M

L

K

Sinar-X

8 9 April 2020

Eksitasi atom oleh sinar-X

M

L

K

Panjang gelombang (λ)

Intensitas(cps)

9

 Panjang gelombang sinar-X ditentukan dengan menggunakan: EDS dan/atau WDS

9 April 2020

10

 Disebut juga WDX

 Analisa kuantitatif non-destruktif dari titik yang sangat kecil (beberapa mikrometer) dengan batas deteksi yang rendah (10 ppm)

 Untuk analisa unsur dengan nomor atom 5 (Boron) atau lebih tinggi

 WDS digunakan untuk padatan alami dan sintetis, seperti mineral, kaca, enamel gigi, semi-konduktor, keramik, logam, dll

 Resolusi spasial sangat tinggi membuat adanya zonasi (zoning) pada mineral bisa dilakukan

 Pemetaan unsur dengan WDS mempunyai resolusi tinggi

9 April 2020

Karakteristik WDS

11

 WDS tidak dapat menganalisa elemen dengan nomor atom dibawah 5 (cth. H, Li dan Be)

 Terdapat beberapa overlap peak (cth. VK_α dan TiK_β)

 WDS lebih lama dibandingkan EDS, namun deteksinya lebih baik dibandingkan EDS

 WDS tidak dapat membedakan valensi unsur (cth. Fe²⁺ atau Fe³⁺)

 perlu analisa lain (mis. Spektroskopi Mossbauer)

 Perbedaan kelimpahan massa (isotop) dari unsur tidak dapat ditentukan  analisa dengan spektroskopi massa

9 April 2020

Karakteristik WDS - limitasi

12

 Sering disebut EDX, EDAX

 Dikombinasikan dengan instrument imaging mikroskop elektron – Scanning Electron Microscopy

 Mengetahui konsentrasi unsur/ komposisi kimia dari unsur pada sampel

 Analisa unsur natrium (Na) hingga Uranium (U)

 Konsentrasi dari 100% hingga skala ppm, deteksi limit bergantung dari unsur dan matriks sampel, unsur berat akan mempunyai

deteksi limit lebih baik dibanding unsur ringan

9 April 2020

Karakteristik EDS

13

 Sering disebut EDX, EDAX

 Dikombinasikan dengan instrument imaging mikroskop elektron – Scanning Electron Microscopy

 Mengetahui konsentrasi unsur/ komposisi kimia dari unsur pada sampel

 Analisa unsur natrium (Na) hingga Uranium (U)

 Konsentrasi dari 100% hingga skala ppm, deteksi limit bergantung dari unsur dan matriks sampel, unsur berat akan mempunyai

deteksi limit lebih baik dibanding unsur ringan

9 April 2020

Karakteristik EDS

14

 Perpindahan elektron dari kulit terdalam ke kulit lebih luar memerlukan energi

 Besar energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron

bergantung dari kulit mana elektron berasal, dan ke arah mana elektron berpindah

 Akibat adanya posisi yang kosong kemudian ditempati oleh elektron dengan energi yang lebih besar dari kulit terluar

 Spektrum EDS dinyatakan dalam

• Elemen

• Tipe sinar-X dari mana elektron berasal dan ke kulit mana elektron berpindah

9 April 2020

Karakteristik EDS

15

 Contoh 1: Energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari kulit-L turun ke kulit-K disebut

sebagai peak K-Alpha

 Contoh 2: Energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari kulit-M ke kulit-K disebut sebagai peak K-Beta

 Perpindahan:

• 1 tingkatan kulit: α

• 2 tingkatan kulit: β

• 3 tingkatan kulit: γ

9 April 2020

Spektra EDS

Seri-K Seri-L

Seri-M

β α

α

α β γ

K L

N M

Transfer dari kulit energi lebih besar ke kulit dengan energi lebih kecil

16 9 April 2020

Spektra EDS

Pirit Elektrum

andyyahya, 2020

andyyahya, 2020

17

 pemisahan spektrum yang berdekatan (dekonvolusi - pemisahan spektrum X-ray menjadi spektrum individual) tidak dapat dilakukan

 Cth: Au dan Pt mempunyai

spektra berimpit pada 2.0-2.2 keV

 Cth: Spektra Pb-Mo-S saling berhimpitan (implikasi

galena dan molibdenit tidak dapat dibedakan dengan EDS)

9 April 2020

EDS dan WDS

andyyahya

18 9 April 2020

EDS dan WDS (membedakan BaTiO

₃

dan MoS

₂

)

http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/wds.html

N. Maloney (https://www.slideserve.com/nonnie/x-ray-microanalysis

19

 Electron beam dihasilkan dari filament tungsten atau field emission gun

 Electron beam difokuskan pada satu

titik atau bisa electron beam melakukan pemindaian (scan) pada area tertentu

 Intensitas sinyal BSE berkorelasi dengan nomor atom dari sampel

 Mineral yang mengandung dengan nomor atom kecil  silikat, karbonat

 Mineral dengan nomor atom besar  sulfida, REE

9 April 2020

Prinsip electron beam

Sindern dan Michael-Meyer, 2016 – Physical Sciences Reviews

Interaksi electron beam dengan sampel, tidak untuk diskalakan

20

 Characteristic Xray radiation

 Cathodoluminescence (visible light fluorescence) ~ CL

 Secondary electrons ~ SE

 Backscattered electrons ~ BSE

9 April 2020

Detektor EMPA

Sample surface

SE BSE XRAY CL

XRAY

BSE SE CL

Permukaan sampel

EDS SEM

21 9 April 2020

Electron Micro Probe Analyzer (EMPA)

WDS

EDS EOS

• WDS menghasilkan data yang bersifat kuantitatif dengan ketelitian tinggi

• WDS menggunakan

berbagai kristal difraksi untuk mengisolasi peak sinar-X

• Menggunakan standard

• Biaya analisa mahal dibandingkan SEM

andyyahya, 2020

22 9 April 2020

Skema EMPA

https://serc.carleton.edu/details/images/8435.html

23 9 April 2020

Kristal difraksi

https://rohmin.unileoben.ac.at/de/3386/dari J. Border

andyyahya

24 9 April 2020

Kristal difraksi

Unsur yang teranalisa

PETJ, PETH Kα dari unsur Si hingga Cr;

Lα dari unsur Kr hingga Eu Mα dari unsur Lu hingga Bi;

dari unsur Th hingga U TAP Kα dari unsur O hingga Si,

Lα; dari unsur Cr hingga Zr, Mα dari La hingga Pt

LiF, LIFH Kα dari unsur Ca hingga Rb;

Lα dari Sb hingga U

LDEC Lα dari unsur B hingga O

Kristal difraksi

TAP = Thallium Acid Phtalate PET = Pentaerythriol

LiF = Lithium Fluoride

LDEC = Light Element Diffracting pseudo-Crystal

modifikasi dari N. Maloney (https://www.slideserve.com/nonnie/x- ray-microanalysis) dan F. Zaccarini

25

 Sampel biologi, geologi, dan material dapat ditentukan komposisinya untuk analisa EMPA

 Sampel harus PADATAN dan KERING bersifat konduktif dan stabil pada kondisi vakum pada karena energi yang besar (keV)

 Karena sampel mineral umumnya tidak konduktif, maka sampel harus dilapis dengan karbon (carbon coating)

 Sampel harus dipoles dengan sangat baik dan harus datar, serta meminimalisir artefak saat analisa kuantitatif

9 April 2020

Preparasi analisa kuantitatif dengan EMPA

26

 Sampel harus muat di dalam kolom

 Sampel bisa berupa sayatan tipis yang dipoles atau sayatan poles

 Umumnya ditandai lokasi yang akan diamati, baru setelah itu di lapis dengan karbon

9 April 2020

Preparasi analisa kuantitatif dengan EMPA

Carbon coating

andyyahya

Hasil scan sampel pada sample holder

andyyahya

27

 Sayatan tipis biasa umumnya ditutupi dengan kaca

penutup

 Elektron tidak dapat berinteraksi dengan mineral, sehingga

tidak dapat dianalisa dengan mikroskop elektron

9 April 2020

Preparasi analisa kuantitatif dengan EMPA

28

 Harus terstandardisasi

 Harus homogen

 Harus dianalisa dengan kondisi sama dengan ketika analisa sampel yang tidak diketahui komposisinya (UNKNOWN)

 Harus mempunyai ketebalan karbon yang sama dengan sampel UNKNOWN

 Unsur murni dapat digunakan, secara teknis akan lebih baik

menggunakan mineral karena menghasilkan hasil yang lebih baik

9 April 2020

Material standar

29 9 April 2020

Material standar

https://www.astimex.com/com/catalog/min.html

30

 Material standar telah diketahui komposisinya

 Cth. Pirit standard (46,8 wt% Fe dan 53,2% S)

 Hasil analisa sampel UNKNOWN dibandingkan dengan standard

9 April 2020

Material standar

50 wt%

25 wt%

12.5 wt%

(I_x)_u/(I_x)_s = (C_x)_u/(C_x)_s

(I_x)_u = intensity of x-ray peak for element x in the unknown (I_x)_s = intensity of x-ray peak for element x in the standard

(C_x)_u = concentration element x in the unknown (C_x)_s = concentration element x in the standard

31 9 April 2020

Kecerahan pada BSE

 Material dengan nomor atom lebih tinggi akan nampak lebih cerah

 Cth. Emas vs limonit

Emas (Au) = 112,41

Limonit - Fe(OOH) =

55,85 + 16 + 16 + 1 = 88,85

andyyahya andyyahya

32 9 April 2020

Kecerahan pada BSE

 Pirit (Py) dan galena (Gn)

Pirit - FeS₂ = 55,85+ 32 + 32 = 119,85

Galena - PbS = 207.2 + 32 = 239.2

andyyahya

andyyahya

33

 Cth. analisa amfibol

9 April 2020

Analisa kuantitatif – analisa titik

Mineral Material

standard Elemen Kristal difraksi

Peak counting

time

Background counting

time

Mika, piroksen, albit, amfibol, pumpellyit, epidot, klorit Sanidine Na

K

TAP PETH

20s 10s

Albite Al

Si

TAP PETH

20s 10s

Wollastoni te

Ca PETJ 20s

20s

10s 10s

Kaersutite Mg TAP 20s 10s

Almandine Fe LIFH 20s 10s

Rutile Ti LIFH 20s 10s

Rhodonite Mn PETJ 20s 10s

S53- 10.90

S98- 34.90 SiO₂ 58.04 58.04 TiO₂ 0.06 0.25 Al₂O₃ 1.01 0.54

FeO 8.88 8.57

MnO 0.27 0.15

MgO 19.29 19.48

CaO 12.14 11.74

Na₂O 0.20 0.26

K₂O 0.051 0.01

Total 99.94 99.03

Material standard Hasil EMPA

34 9 April 2020

Analisa kuantitatif – analisa garis (beberapa titik)

andyyahya

Py Qz

Ab

Ab = albit; Py = pirit; Qz = kuarsa

35 9 April 2020

Analisa kuantitatif – pemetaan elemen (area)

andyyahya, 2020

Gambar BSE Unsur

36 9 April 2020

Secondary electron (SE) vs Backscattered electron (BSE)

Secondary electron Backscattered electron (BSE)

https://bsclarified.wordpress.com/2011/05/18/scanning-electron-microscopy-part-i-imaging/

Topografi/ permukaan material

V V Kontras unsur berat dan ringan

Alumina fiber terlihat

Darker and lighter regions

37 9 April 2020

Secondary electron (SE) vs Cathodoluminescence (CL)

Secondary electron Cathodoluminescence

https://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/semcl.html

Sampel batupasir (dominasi kuarsa) difoto dengan menggunakan mode berbeda.

CL dapat menunjukkan perbedaan sumber kuarsa dan ditandai dengan warna.

SE menghasilkan gambar

38 9 April 2020

BSE vs. CL dari mineral REE - fluorapatit (Ca₅(PO₄)₃[F,Cl,OH]

Gross dkk. 2016 – Mineralogy and Petrology micro-proton-induced X-ray/gamma ray emission (μPIXE/μPIGE)

39

 SEM umumnya dilengkapi dengan detektor EDS

 tidak dilengkapi dengan standard internal, sehingga hasil analisa EDS bersifat semi-kuantitatif

 pemisahan spektrum yang berdekatan (dekonvolusi -

pemisahan spektrum X-ray menjadi spektrum individual). tidak dapat dilakukan

9 April 2020

Scanning Electron Microscope

Tekstur trellis pada magnetit-ilmenit, Wayang Windu

andyyahya

40 9 April 2020

Identifikasi mineral lempung dengan SEM/EDS

Piropilit Kaolinit

andyyahya andyyahya

41

 Memberikan informasi tentang komposisi mineral secara kuantitatif dan tekstur dari mineral pada batuan/ produk pengolahan

 Komposisi terdiri dari:

• Proporsi relatif dari mineral dalam %berat (%massa) atau %volume dari mineral dominan hingga mineral aksesoris

• Butir dinyatakan dalam bentuk dan ukurannya

 Dari data tersebut, jenis mineral dan distribusi ukuran mineral pada masing-masing fraksi dapat ditentukan

Quantitative mineralogy

9 April 2020

42

 Selain data yang sifatnya kuantitatif, hal penting yang menjadi informasi adalah gambar (imaging) dengan resolusi yang tinggi

 Hal ini penting untuk menggambarkan tekstur dari mineral yang diamati, terutama pada fraksi mineral yang berukuran halus

 Identifikasi fase mineral dilakukan dengan menggunakan SEM, dimana tiap titik akan mewakili satu spektrum tertentu

 Sampel yang dipoles atau sayatan tipis (tanpa penutup) dipilih karena sampel butiran yang ditabur menghasilkan efek

permukaan  pengaruh intensitas gelap terang

 Sampel dilapisi dengan karbon untuk membuat permukaan konduktif

Quantitative mineralogy

9 April 2020

43

 SEM/EDS namun dapat melakukan analisa mode kuantitatif

 Terdapat algoritma untuk mencari dari database (mineral libraries) di dalam instrumen

Instrumen automated mineralogy

 FEI QEMSCAN

 FEI MLA (Mineral Liberation Analyzer)

 Tescan TIMA (Integrated Mineral Analyzer)

 Zeiss Mineralogic mining

9 April 2020

SEM – automated quantitative mineralogy

44

 Mining (umpan - feed)

• Modal mineralogy

• Assay

• Distribusi komposisi kimia

• Kuantifikasi tekstur

 Mining (konsentrat)

• sda (sama dengan atas)

• Liberasi

• Mineral asosiasi

9 April 2020

Analisa mineral dengan quantitative mineralogy

44

 Ore evaluation

 Grade determination

 Feed forward analysis

 Optimasi grinding dan proses

pemisahan (benefisiasi)

 Grade determination

 Refinery penalty Task

https://www.zeiss.com/content/dam/Microscopy/us/download/pdf/Products/mineralogic/en-productinfo-mineralogic-mining_rel-3-0.pdf

45

 Mining (tailing)

• Penaatan lingkungan

• Quality assurance and control

• Proses optimasi

 Mineralogi, geologi ekonomi, geokronologi, dst

• Quantitative mineralogy

• Mineral asosiasi

• Analisa tekstur

• Korelasi dengan mikroskop

optik, elektron (BSE, SE, CL) , X- ray

9 April 2020

Analisa mineral dengan quantitative mineralogy

45

 Bulk mineralogy

 Assay

 Kuantifikasi tekstur

 Studi kelayakan

 Mineral processing

 Komposisi mineral presisi

 peneltian

 Penentuan umur batuan dengan zirkon

Task

https://www.zeiss.com/content/dam/Microscopy/us/download/pdf/Products/mineralogic/en-productinfo-mineralogic-mining_rel-3-0.pdf

46

a) Pola grid dari sayatan tipis yang sudah dilapis dgn karbon

b) Tiap titik dipindai dengan jarak spasi antara 0.8-10 μm

c) Akusisi data dengan EDS antara 1000-5000 cps (count per second)

9 April 2020

Workflow QEMSCAN

Sindern dan Michael-Meyer, 2016 – Physical Sciences Reviews

47

d) Penyimpanan di komputer dan

pencocokan dengan database

e) Pembuatan foto dengan berbagai warna (colour coded) untuk berbagai fasa mineral

f) Analisis foto secara kuantitatif (i.e. modal mineralogy, ukuran partikel, distribusi,

mineral asosiasi, bentuk, tekstur)

9 April 2020

Workflow QEMSCAN

Sindern dan Michael-Meyer, 2016 – Physical Sciences Reviews

48 9 April 2020

Modal mineralogy

https://www.petrolab.co.uk/automated-mineralogy-petrography/

49 9 April 2020

Zeiss Mineralogic Mining

https://www.zeiss.com/microscopy/int/solutions/raw-materials/mining-industry/mining-extraction.html

Kalkopirit Pirit

 Mengurutkan mineral dari ukuran kasar hingga halus berdasarkan diameter (Feret max)

 Liberasi

50 9 April 2020

Peralkaline granite with fluorite veins and zircon

https://zeiss.wistia.com/medias/p59p16oyjx

Peralkalin = batuan beku yang mengalami kekurangan aluminium (Al) dibandingkan sodium (Na) dan potassium (K). Batuan indikator pemekaran lantai benua (continental rift-basin) akibat vulkanisme

Fluorit = anisotropik (gelap)pada pengamatan nikol silang, menunjukkan zonasi (zoning) Zirkon = heksagonal, relief tinggi

51

Dr.mont. Andy Yahya Al Hakim KK Eksplorasi Sumber Daya Bumi

Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan Institut Teknologi Bandung

Email: andyyahya@mining.itb.ac.id Materi kuliah dapat di download di:

andyyahya.com > menu dropdown GEOLOGI >

 Materi kuliah boleh untuk disebarluaskan HANYA untuk keperluan

pendidikan dan bukan untuk keperluan komersial, dengan tetap menyebut penulis awal sebagai penghargaan Hak Atas Kekayaan Intelektual (HAKI)

 NB: Semua gambar/ garis yang ada di slide perkuliahan telah saya gambar ulang untuk keperluan perkuliahan atau berasal dari koleksi foto/ sampel pribadi kecuali diindikasikan dengan sitasi

9 April 2020

Disclaimer