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Influence of Sample Preparation on Portable XRF-analyses of Aeolian Sediments: a Case Study
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Inverkan av provberedning på röntgenfluorescensanalys av eoliska sediment: en fallstudie (Swedish)
Abstract [en]

The geochemical composition of aeolian sediments like windblown dust particles is of major importance for the exploration of dust origin and weathering conditions. This allows for the reconstruction of dust transport pathways and thus wind directions and palaeoclimate conditions. The loess deposits of the Carpathian Basin are the most complete terrestrial sediment climate archive in Europe, yet their development is still not fully understood. With the advancement of accurate field portable X-ray fluorescence (XRF) spectrometers, field applications have become possible, allowing in-situ geochemical analysis and potential advances in understanding the source of Carpathian Basin loess. However, previous work has failed to address the question of sample preparation and device interchangeability in the context of loess analyses.

This study uses both Bruker Tracer 5i and Titan S1, as well as secondary data obtained with an Ametek SpectroXepos, to investigate sample preparation influences on aeolian sediment samples from Irig (Serbia) and Madaras (Hungary). Results showed that although absolute values deviate substantially between devices using different calibrations, some elemental ratios like Ca/Ti or Rb/Sr can still be compared when only relative changes are interpreted. Absolute concentrations of light elements, such as magnesium and calcium, were strongly influenced by milling or acid treatment. Absolute concentrations of light elements were also strongly influenced by changes in sample moisture, whereas the effect on the absolute concentrations of heavier elements was comparably small. Results also show that the influence of sample moisture needs to be considered when computing paleoclimatic indicator ratios involving aluminium or strontium, as sample moisture has a strong effect on the absolute concentration of these elements.

Most deviations in measured absolute concentrations between untreated and prepared samples were attributed to the special nature of compositional data and could be removed through the application of additive or centred log-ratio transformations. This highlights the importance of considering the closure effect, using proper and robust statistical analyses in sediment provenance research.The geochemical data provided in this study shed light on dust provenance and the paleoclimatic development of the southeast European loess and highlight the effects of analysis technique on interpretation of this geochemical data.

Abstract [sv]

Lössjordar består av finkornigt atmosfäriskt stoft som kan transporteras långa sträckor med vinden. Stoftet kan bildas av till exempel glaciärer som maler ner sten till finkornigt pulver. Detta finkorniga pulver transporteras sedan med glaciärernas smältvatten till vattendrag som avsätter det transporterade sedimentet i flackare områden. När sedimentet torkar kan det upptas av vinden och, beroende på kornstorlek och vindintensitet, transporteras olika långt från dess härkomstområden. Atmosfäriskt stoft kan över perioder av tusentals år ackumuleras i tjocka stoftlager och bilda lössjordar. Detta skedde till exempel under den senaste istiden, för ca 20.000 år sedan, i östra Europa längsmed floden Donau.

Lössjordarna är därför antingen direkt eller indirekt kopplade till glaciärutbredning och dess kemiska sammansättning kan möjliggöra rekonstruktion av klimatförhållanden tusentals år tillbaka. Röntgenfluorescensspektrometrar kan användas för att analysera den kemiska sammansättningen av sediment. Dessa mäter den sekundära strålning, s.k. röntgenfluorescens, som ett sedimentprov sombestrålats med röntgenstrålning avger. Då våglängden för denna sekundära strålning är specifik för varje grundämne, kan röntgenfluorescensanalys användas för att bestämma sedimentprovers kemiska sammansättning. Med utvecklingen av bärbara röntgenfluorescensspektrometrar är det nu möjligt att bestämma den kemiska sammansättningen av sediment eller bergarter på plats i fält. Röntgenfluorescensanalyspåverkas dock av flera parametrar, såsom provets kornstorlek och fuktinnehåll, vilket komplicerar applikationen i fält. Normalt justeras dessa parametrar för genom arbetsintensiv provberedning i labbet, för att ge homogena prover and därmed pålitliga resultat. Denna studie undersöker inverkan av provberedning på analytiska resultat av bärbara röntgenfluorescensspektrometrar. Lössjord från Ungern och Serbien har analyserats och resultatenjämförts efter varje steg i provberedningsprotokollet. Provberedningen av sedimentproverna inkluderar siktning, avlägsnande av karbonater och organiska komponenter, samt malning. Dessutom mättes och jämfördes fuktiga prover med torra prover för att undersöka inverkan av fuktinnehåll på analytiskaresultat.

De bärbara röntgenfluorescensspektrometrarnas analytiska resultat jämfördes med resultat från konventionella röntgenfluorescensspektrometrar för att undersöka potentiella skillnader i noggrannhetoch precision. Resultaten visar att provberedning med flourvätesyra hade den förväntade största inverkan på absoluta resultat, medan malning och siktning hade en mycket svagare inverkan.

Det bör understrykas att de absoluta förändringar av analytiska resultat som uppmätts ofta har kunnattillskrivas de speciella statistiska egenskaper som är specifikt för data kopplad till provers kemiska sammansättning (compositional data). Observerade skillnader mellan torra och fuktiga prover är till exempel mycket mindre än de skenbara skillnaderna mellan absoluta koncentrationer av olika grundämnen. Det är därför absolut nödvändigt att enbart jämföra relativa trender av förändringar i sedimentprovers kemiskasammansättning och därmed avstå från tolkningar baserade på absoluta förändringar.

Abstract [de]

Löss ist feinkörniger Staub, welcher durch Wind über lange Strecken transportiert werden kann. Gebildet wird er zum Beispiel, wenn Gletscher Gesteinsmassen zu feinem Pulver zermahlen. Dieses wird dann im Schmelzwasser des Gletschers weitertransportiert und landet von dort in Flüssen, welche das transportierte Sediment dann in flacheren Regionen ablagern. Fällt das Sediment trocken, kann der Wind den feinen Staub wegblasen und über weite Strecken transportieren. Der Staub fällt dann, je nach Intensität des Windes und der größe der Staubpartikel, irgendwann wieder hinunter. Geschiet dies über einen längeren Zeitraum von mehreren tausend Jahren, können sich so mächtige Staubschichten bilden und man spricht von Lössablagerungen. So geschehen ist dies zum Beispiel während der letzten Eiszeit vor ca. 20.000 Jahren, in Osteuropa entlang der Donau.

Diese Lössablagerungen stehen also entweder direkt oder indirekt in Zusammenhang mit Vereisungen durch Gletscher und erlauben uns deshalb anhand ihrer Mächtigkeit und ihrer chemischen und mineralogischen Zusammensetzung, Aussagen über die klimatischen Bedingungen vor vielen tausend Jahren zu treffen.Um die chemische Zusammensetzung von Sedimenten zu ermitteln, kann man zum Beispiel Röntgenfluoreszensspektrometer verwenden. Diese basieren auf dem Phänomen, dass eine Probe wenn sie mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird, mit dieser reagiert und reflektiert. Diese Reaktion, auch Röntgenfluoreszenz genannt, ist spezifisch für jedes Element und bietet daher die Möglichkeit, Aussagen über die Elementzusammensetzung einer Probe zu treffen.

Mit der Entwicklung von tragbaren Handspektrometern ist es nun möglich, die chemische Zusammensetzung von Sedimenten oder Gesteinen direkt im Gelände zu bestimmen. Allerdings ist die Röntgenfluoreszenanalyse abhängig von Parametern wie Korngröße oder Feuchtigkeit in der Probe, welches die Anwendung im Gelände erschwert. Normalerweise werden diese Parameter durch aufwendige Probenaufbereitung im Labor neutralisiert um eine homogene Probe und damit ausagekräftige Analyse zu erreichen. Im Rahmen dieser Studie wurde versucht herauszufinden, in wie weit Probenaufbereitung die Messergebnisse tragbarer Handspektrometer beeinflusst. Hierfür wurden Lössproben aus Serbien und Ungarn analysiert und Analyseergebnisse nach jedem Schritt der Probenaufbereitung verglichen. Die Probenaufbereitung umfasste sieben des Sedimentes, entfernen von Karbonaten und organischen Komponenten und mahlen des Sedimentes. Zusätzlich wurden Proben in trockenem und nassen Zustand gemessen um den Einfluss von Feuchtigkeit auf Messergebnisse zu ermitteln. Ferner wurden ebenfallls Handspektormeter mit klassischen Röntgenfluoreszenzspektrometern verglichen um eventuelle Differenzen in der Präzision und Genauigkeit zu ermitteln. Es konnte gezeigt werden dass die Behandlung der Proben mit Salzsäure erwartungsgemäß den größten Einfluss auf Messergebnisse hatte. Mahlen und Sieben der Proben hatte weit weniger Einfluss auf Messergebnisse.

Hervorzuheben ist die Erkenntnis, dass absolute Änderungen von Messergebnissen (compositional data) oft auf ihre statistische Besonderheiten beruhen. So sind zum Beispiel beobachtete Messergebnisse zwischen nassen und trockenen Pulverproben weit geringer als von den absoluten Analysewerten ersichtlich. Daher ist es notwendig, relative Trends zu vergleichen und Interpretationen von Messwerten basierend auf absoluten Änderungen zu vermeiden.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , 72 p.
Series
Examensarbete vid Institutionen för geovetenskaper, ISSN 1650-6553 ; 410
Keyword [en]
portable XRF, loess, sediment
Keyword [sv]
bärbar XRF, lössjord, sediment
National Category
Geochemistry Physical Geography Geosciences, Multidisciplinary Geology Climate Research Analytical Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-329459OAI: oai:DiVA.org:uu-329459DiVA: diva2:1141653
Educational program
Master Programme in Earth Science
Presentation
2017-08-24, Norrland I, Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-09-18 Created: 2017-09-15 Last updated: 2017-09-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

The full text will be freely available from 2019-08-01 08:01
Available from 2019-08-01 08:01

By organisation
Department of Earth Sciences
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