Weiterentwicklung der Methode der Induzierten Polarisation zur Abschätzung und Differenzierung metallischer Minerale

• Antragstellerin: Dr. Saeideh Ahmadi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 584339879

Neuere Forschung zur Induzierten Polarisation (IP) hat die Abschätzung und Differenzierung metallischer Minerale verbessert. Die Aufladbarkeit (engl. chargeability) korreliert bis etwa 22 Vol% mit dem Mineralvolumen; darüber wird die Beziehung unklar– eine Forschungslücke. Jüngste Studien hinterfragen die Effektiv-Medium-Theorie, da höhere Mineralgehalte die Aufladbarkeit reduzieren können. Daher ist die Aufladbarkeit allein kein zuverlässiger Indikator für das Mineralvolumen. Aktuelle mechanistische IP-Modelle vereinfachen die Korngeometrie, vernachlässigen bei hohen Konzentrationen Partikelwechselwirkungen und bilden die Halbleitereigenschaften metallischer Minerale unzureichend ab. Sie ignorieren oder übervereinfachen elektrochemische Reaktionen an der MetallElektrolyt-Grenzfläche. Elektrochemische Modelle bieten eine genauere physikalische Beschreibung, enthalten aber schlecht definierte Parameter, was ihre Anwendung erschwert. Empirische Modelle (z. B. Cole-Cole) passen experimentelle Daten gut, besitzen jedoch keine physikalische Fundierung, was die Dateninterpretation erschwert. Um diese Mängel zu beheben, entwickelt dieses Projekt einen numerischen Ansatz mittels Finite-ElementeSimulation, der die Poisson-Nernst–Planck-Gleichungen löst. Aufbauend auf einem etablierten Polarisationsmodell werden die Ladungsträgerbeweglichkeit und die Polarisation der inneren Oberfläche von Halbleitern integriert. Das Modell simuliert die IP-Signatur einzelner Partikel und bildet die Oberflächenkapazitäten an der Grenzfläche (innerhalb, Stern-Schicht, diffuse Schicht) explizit ab. Schlüsselparameter wie Mineralvolumen, Grenzflächenpotential und Mineralleitfähigkeit werden variiert, um deren Einfluss auf Aufladbarkeit und Relaxationszeit zu untersuchen. Variationen des Grenzflächenpotenzials bewerten elektrochemische Reaktionen; Leitfähigkeitssimulationen decken verschiedene Minerale ab. Partikel-Partikel-Wechselwirkungen werden berücksichtigt, um geometrische Vereinfachungen zu minimieren. Ergänzende Laborversuche dienen der Validierung und Verfeinerung. Zwanzig synthetische Sand-MineralGemische mit unterschiedlichen halbleitenden Mineraltypen (Galenit, Chalkopyrit, Bornit, Chalkosin, Pyrit) und Konzentrationen (15–50 Vol%) werden hergestellt und charakterisiert. Nach Sättigung werden die komplexe Leitfähigkeit (10 mHz bis 45 kHz) gemessen. Die Impedanzspektren werden mit dem Cole– Cole-Modell oder der Debye-Zerlegung angepasst, um Aufladbarkeits- und Relaxationsparameter zu extrahieren. Deren Abhängigkeit von Mineralgehalt und -typ wird mit den numerischen Vorhersagen verglichen. Der integrierte numerisch-experimentelle Ansatz soll das Verständnis der Elektrodenpolarisation und der physikalisch-chemischen Faktoren, die das IP-Verhalten bestimmen, verbessern. Das Modell wird das physikalisches Verständnis und die Vorhersagekraft der IP-Methoden in der Mineralexploration deutlich steigern und die Basis für neue Interpretationswerkzeuge schaffen.

• DFG-Verfahren: Stelle