Hoofdmenu openen

Zware-mineraalanalyse is het onderzoek van de in (meestal) ongeconsolideerd zand aanwezige mineralen met een hogere soortelijke dichtheid dan 2.87.

Inhoud

Het belang van de zware mineralenBewerken

In het algemeen vormen de lichte mineralen het grootste deel van de totale zandfractie van een sediment. Daarvan vormt kwarts meestal het leeuwendeel en doordat dit mineraal zo overvloedig en wijdverspreid voorkomt geeft het weinig of geen specifieke informatie over een te onderzoeken sediment.[1] Het zijn daarom vooral de zware mineralen waarmee zandige sedimenten gekarakteriseerd kunnen worden en waarmee informatie over de herkomst van het zand geleverd kan worden.[2][3] Onderzoek van de zware mineralenfractie geeft informatie die belangrijk is voor het begrijpen van de opbouw en de ontstaanswijze van een ondergrond die vooral uit klastisch sediment bestaat. In Nederland is tijdens de tweede helft van de 20e eeuw heel veel van dit onderzoek gedaan, vooral ter ondersteuning van de geologische kartering.

De analyseBewerken

Het aandeel van de zware fractie in Nederlandse sedimenten bedraagt meestal niet meer dan 1%. In Nederland wordt dit onderzoek verricht aan zandkorrels tussen 63 micrometer en 0,5 millimeter. Grotere zandkorrels worden routinematig niet geanalyseerd. Om de zwaardere mineralen in een zandmonster te kunnen onderzoeken dienen zij gescheiden te worden van de algemenere lichtere mineralen. Het scheiden gebeurt met een scheidingsvloeistof waarvan de soortelijke dichtheid 2.87 is. Deze dichtheid is gekozen omdat de lichte mineralen een kleinere dichtheid hebben waardoor zij blijven drijven en afgevangen kunnen worden. Zo heeft kwarts, het meest voorkomende lichte bestanddeel van zand, een soortelijke dichtheid van 2.65. De lichtste zware mineralen die nog binnen deze groep bestudeerd worden hebben een dichtheid van 3.1 (alteriet, andalusiet en toermalijn), de zwaarste is zirkoon met 4.6. Als scheidingsvloeistof zijn bromoform en natriumpolywolframaat in gebruik. Bromoform wordt echter om gezondheidsredenen vaak niet meer toegepast.

Voordat de lichte van de zware mineralen gescheiden kunnen worden wordt het sediment met water gespoeld en gezeefd en ondergaat de te onderzoeken deelfractie verschillende chemische behandelingen om oa kleidelen, ijzerhuidjes, kalkresten en organische bestanddelen te verwijderen. Na deze voorbereidende behandelingen wordt het schoongemaakte restant gedroogd en in de scheidingsvloeistof gedeponeerd. Drijvende lichte en gezonken zware korrels worden afzonderlijk afgevangen en gedroogd. Van de gedroogde zware fractie wordt van alle korrels, of een gedeelte daarvan, een strooipreparaat gemaakt waarbij de korrels gelijkmatig verdeeld worden over een preparaatglaasje. Over de korrels gaat een dekglaasje en om de korrels op hun plaats te houden worden ze opgesloten in een inbeddingsmiddel. Als inbeddingsmiddel wordt doorgaans canadabalsem gebruikt dat een gelijke brekingsindex heeft als glas.

Met behulp van een polarisatiemicroscoop wordt het monster vervolgens bij doorvallend licht geanalyseerd. Daarbij wordt door de analyst van elke transparante korrel bepaald tot welk mineraal het behoort en worden de korrels per mineraalsoort geteld. Daartoe wordt het preparaat langs een rechte lijn onder het microscoopbeeld doorgeschoven. Alle korrels die op deze wijze het kruispunt van een draadkruis passeren worden geteld. Deze werkwijze dient om een voorkeur voor het tellen van bepaalde soorten mineralen uit te sluiten en daarmee een willekeurige telling te verkrijgen.

De resultaten van tellingen aan bij elkaar horende monsters (bijvoorbeeld een serie van op opvolgende diepten genomen monsters uit een ontsluiting of een grondboring) worden in tabelvorm opgeslagen en in diagrammen weergegeven waarin per monster de cumulatieve percentages van gegroepeerde zware mineralen tegen de diepte worden uitgezet.[4] Er wordt indien mogelijk doorgeteld tot een som van 200 transparante korrels.

Bij deze procedure worden de niet-transparante, de zogenoemde opake mineralen buiten beschouwing gelaten. Soms wordt het gehalte aan opake mineralen wel in de gepubliceerde resultaten vermeld.

De mineraalsoorten worden weliswaar apart geteld maar niet alle mineraalsoorten kunnen individueel in het diagram opgenomen worden. Het diagram zou daardoor heel onoverzichtelijk worden waardoor de informatie niet gelezen kan worden. Daarom worden verwante mineralen gegroepeerd. Dat kan echter op verschillende manieren gedaan worden en hoewel de groepenindelingen van Europese specialisten op elkaar lijken, bestaat er geen Europese standaard. Sinds eind veertiger jaren van de twintigste eeuw bestaat er wel een Nederlandse standaard die sindsdien niet principieel veranderd is. In een typisch Nederlands zwaremineraaldiagram zijn volgens deze standaard (in het diagram van links naar rechts geplaatst) de volgende groepen opgenomen:

  1. Granaat (oa 'kleurloos/roze' , 'rood tot geelbruin' , 'Maastype' (groen), 'overig troebel' )
  2. Epidoot
  3. Saussuriet
  4. Alteriet
  5. Hoornblende (oa onderscheiden: alkalisch, 'bruin' , 'groen' )
  6. Bruine hoornblende (apart weergegeven hoornblendevariëteit echter vaak opgenomen bij hoornblende)
  7. Vogezenhoornblende (apart weergegeven hoornblendevariëteit)
  8. Chloritoid ( 'Maastype' )
  9. Chloritoid ( 'helder' )
  10. Vulkanische mineralen (oa onderscheiden: augiet, hyperstheen, Olivijn, Titaniet ( 'Eifel type' ))
  11. Restgroep (oa onderscheiden: Anataas, Brookiet, Pumpellyiet, Rutiel, Titaniet ( in wijdere zin ), Zirkoon)
  12. Topaas
  13. Stauroliet (metamorf maar apart weergegeven)
  14. Metamorfe mineralen (oa onderscheiden: Andalusiet, Distheen en Sillimaniet)
  15. Toermalijn

Enkele mineraalsoorten die eigenlijk bij een groep horen, worden toch apart in het diagram afgebeeld. Het gaat vaak om mineralen met een bijzondere stratigrafische betekenis. Het mineraaldiagram wordt op de 15 groepen gebaseerd. Alteriet wordt door sommige onderzoekers wel apart geteld maar in het diagram met saussuriet samengevoegd.

De mineralen in de lijst staan gerangschikt volgens een toename van de stabiliteit. De verschillende mineralen zijn niet allemaal even bestand tegen verwering. Er zijn met andere woorden gradaties in 'stabiliteit'. Gemakshalve worden stabiele en instabiele mineralen onderscheiden. Veel afbraakproducten van oude vaste gesteenten bevatten aanvankelijk veel instabiele mineralen, dat wil zeggen mineralen die vrij snel verweren. Met het verstrijken van de tijd neemt dat aandeel af. Oude sedimenten kunnen daardoor voornamelijk of soms geheel uit stabiele mineralen bestaan. Bij doorgaande verwering neemt ook het aandeel van de zwaremineraalfractie in zijn geheel af en kan een zand achterblijven dat vrijwel of geheel uit kwarts bestaat. Een voorbeeld daarvan zijn de zogenoemde zilverzanden uit het Mioceen in de provincie Limburg. Voor een zware-mineraaldiagram is de conventie dat links de instabiele en rechts de stabiele mineralen staan. Van links naar rechts neemt de stabiliteit van de mineralen die in een diagram zijn uitgezet dus toe. Verschillen in stabiliteit tussen mineraalassociaties kunnen belangrijke stratigrafische waarde hebben.

Globaal is het zo dat de rivieren die de Belgische Kempen naar het Noorden tijdens het Vroeg Pleistoceen afwaterden, veel oude landoppervlakken hebben geërodeerd. De zware mineraalassociaties van deze rivieren in de afzettingen in Nederland zijn daardoor vooral gekarakteriseerd door stabiele mineralen die tegen de langdurige verwering bestand zijn. De Rijn erodeert betrekkelijk jong gesteente in de Alpen en de Noordelijker gelegen gebieden. Ook voert zij sediment af dat afkomstig is uit verschillende vulkanische gebieden waaronder de Eifel en de Vogezen. Daardoor bevat Rijnsediment vooral instabiele zware mineralen. Zand dat is aangevoerd door de Maas zit daar enigszins tussenin: meer stabiele mineralen dan Rijnzand en minder dan zand van de Kempische rivieren. Andere Nederlandse riviersystemen zoals de verdwenen Baltische Rivier en de Noord Duitse rivieren (onder andere voorlopers van de Wezer) voeren vooral stabiele mineralen aan. Deze hebben ook weer kenmerkende eigenschappen. Zo maakt topaas een weliswaar meestal laag maar wel opvallend deel uit van zanden van de Duitse Rivieren.

Zwaremineraalonderzoek in NederlandBewerken

Belangrijke Nederlandse pioniers zijn J.H. Druif[5], C.H. Edelman[2], R.D. Crommelin[6], D.J. Doeglas[7]Tj.H. van Andel[3], en J.I.S. Zonneveld[8], [9] Het mineraalonderzoek tijdens de eerste helft van de twintigste eeuw was voornamelijk kwalitatief: de verschillende mineraalsoorten werden niet geteld, er werd alleen vermeld welke mineraalsoorten aanwezig waren. Dit was een belangrijk beletsel voor vooruitgang in het onderzoek. Desondanks kon Druif voor de löss in Limburg waarschijnlijk maken dat bepaalde mineralen alleen een Noordelijke (groene amfibool, blauwe amfibolen, glaucofaan, geelgroene epidoot) of juist een Zuidelijke herkomst hadden (andalusiet, brookiet, idiomorfe titaniet).[10]

Edelman toonde aan dat de sedimenten van de Nederlandse riviersystemen ieder gekenmerkt zijn door een eigen mineraalassociatie waarvoor hij de term 'provincie' gebruikte.[2] Van dit resultaat kon pas goed gebruik gemaakt worden nadat begonnen was om van zoveel mogelijk plaatsen systematisch de zwaremineralen kwantitatief te analyseren. Dergelijk onderzoek kwam in Nederland na de tweede wereldoorlog vooral met het werk van J.I.S. Zonneveld bij de Geologische Stichting op gang.[8], [11] Deze onderzoeker heeft het meeste invloed gehad op de stratigrafie van het Kwartair van Nederland met de gestandaardiseerde toepassing van kwantitatieve zware mineraalanalyse en een standaard voor zware mineraaldiagrammen die ook door zijn opvolgers bij de Rijks Geologische Dienst werden gebruikt. Aangezien diverse onderzoekers van verschillende generaties zich houden aan dezelfde standaarden kan men spreken van de Nederlandse school in het zware-mineraalonderzoek.[3] In de Toelichting bij de Geologische Kaart van Nederland en andere publicaties van de Rijks Geologische Dienst zijn veel van dergelijke diagrammen opgenomen. Zonneveld kon mineralogische verschillen in de sedimenten van de Maasterrassen aantonen, introduceerde zware mineraalzones en gebruikte de resultaten voor de onderscheiding van lithostratigrafische eenheden zoals de Formaties van Sterksel, Urk en Veghel (nu onderdeel van de Formatie van Beegden).

Bij de Geologische Stichting en haar opvolgers Rijks Geologische Dienst en Nederlands Instituut voor Toegepaste Geowetenschappen TNO (nu TNO Nederlandse Geologische Dienst) zijn tussen 1949 en 2000 ruim 3100 plaatsen (grondboringen en geologische ontsluitingen) onderzocht.

Van Andel onderzocht het sediment van de huidige Rijn. Hij bemonsterde een transect dat liep van Arnhem naar Etzgen Het doel van zijn onderzoek was de herkomst van de verschillende mineralen te traceren.[3] Hij kon dit traject in drie gedeelten opsplitsen, elk met een kenmerkende mineraalsamenstelling. Enkele conclusies uit dit onderzoek luiden dat het transport van zware mineralen langzaam verloopt en dat de hoeveelheid toegevoegde mineralen uit een bepaald gebied niet afhankelijk is van de grootte van dat gebied maar van de relatieve hoeveelheid van de betreffende mineralen in het oorspronkelijk sediment en de oorspronkelijke korrelgrootte.

Nederlandse mineraalzones in Kwartaire afzettingenBewerken

Als voorbeeld de Formatie van Sterksel:

Binnen de Formatie van Sterksel zijn door Zonneveld in zuidelijk Nederland [8] vier zware-mineraalzones onderscheiden. Van onder naar boven zijn dat: Sterksel Zone, Budel Zone, Woensel Zone en Weert Zone. Binnen de Sterksel Zone wordt nog de granaat subzone die soms aan de basis van de zone voorkomt, onderscheiden. De zones komen altijd in de genoemde volgorde voor alhoewel locaal een of meer zones kunnen ontbreken. Verder heeft de Budel Zone een beperktere verspreiding: ze reikt minder ver naar het Noorden als de overige drie zones. Een overzicht van de globale verschillen geeft onderstaande tabel.

Toepassing in de Nederlandse stratigrafieBewerken

Saussuriet/alteriet is een kenmerkend mineraal in Rijnzanden. Het wordt een belangrijk mineraal in de Weert Zone als gevolg van de onthoofding van de Aare door de Rijn tijdens het vroege Midden Pleistoceen.[12]


  1. Augiet
  2. Topaas
  3. Vogezenhoornblende en Maaschloritoid
  4. Sillimaniet fibroliet en korrels (komen beide zeer weinig voor en daarom gelumpt in diagram maar hebben verschillende herkomst en eigenlijk dus een verschillende betekenis

Het zware-mineraalonderzoek leverde de basis voor het onderscheid van diverse lithostratigrafische eenheden. Daar heeft vooral het werk van Zonneveld veel aan bijgedragen. Aanvankelijk als mineraalzones beschreven eenheden zoals de zones van Urk en Veghel werden later als formaties ingevoerd[13] Hoewel in de lithostratigrafie van Westerhoff[14]





OPMERKINGEN:

  1. Het lemma kwantitatieve analyse is onvolledig want alleen op scheikunde toegespitst. AANPASSEN!
  2. Er zijn nog geen lemma's voor de betekenis van associatie in de petrologie en de paleontologie.
  3. Het lemma diagram behandelt het cumulatief procentueel diagram niet.
  4. Van Andel geeft een historisch overzicht van de discipline. Hieruit kunnen nog zaken in dit lemma verwerkt worden.
  5. Aan dit lemma nog een plaatje toevoegen van een diagram met de vier zones
  6. Nog een tabel toevoegen met de mineralogische verschillen tussen de zones. Zie Zonneveld.
  7. Voorbeelden van dateringen/toepassingen van mineralen, cq zones toevoegen (augiet, vogezenhoornblende?)
  1. Een lemma over grindanalyse?
  2. Een lemma over zwerfsteentellingen?