Mapping of geological samples using the LIBS method

Mgr. Ivo Krempl, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Tato disertační práce se zabývá využitím laserem indukované rozkladové spektros-kopie (LIBS) pro elementární a mineralogické zobrazování rudných mineralizací a její integrací s referenčními technikami využívajícími elektronový svazek, konkrétně s mikroanalýzou elektronovou sondou (EPMA/EDX) a automatizovanou mineralogií (TIMA). Cílem bylo vyvinout a ověřit pracovní postup LIBS zobrazování pro charakte-rizaci komplexních geologických materiálů, včetně detekce lehkých prvků, které jsou pro elektronové metody nedostupné. Práce vychází ze dvou případových studií. První z nich se zaměřuje na rozlišení pri-mární a sekundární uranové mineralizace ve vzorku z uranového ložiska Zálesí. Kombinované zobrazování pomocí technik LIBS a EPMA/EDX umožnilo spolehlivě rozlišit uraninit, uranofán a doprovodný křemen. Byly vytvořeny semikvantitativní kalibrační modely pro uran a křemík, přičemž k posouzení oxidace uranu byly použi-ty poměry intenzity související s kyslíkem (O/U). Detekce vodíku na emisní čáře H I 656,28 nm potvrdila přítomnost hydroxylových skupin a strukturálně vázané vody v uranofánu, čímž se prokázala jedinečná schopnost metody LIBS mapovat vodík a kys-lík a sledovat oxidační a hydratační procesy. Druhá studie se zaměřila na zobrazování selenových mineralizací ze západomorav-ských lokalit Bukov, Petrovice a Habří. Byly vybrány a experimentálně ověřeny ana-lytické spektrální čáry selenu a souvisejících prvků (Cu, Ni, Co, Fe, Tl, Ag a Ca). Vý-sledné mapy rozložení prvků vykazovaly vynikající shodu s referenčními snímky TI-MA, což potvrdilo vhodnost metody LIBS pro rychlou charakterizaci komplexních selenidových soustav. Hlavním metodologickým přínosem této disertační práce je klasifikace minerál-ních fází na základě spektrálních otisků jednotlivých pixelů LIBS. Tento přístup umožnil segmentaci minerálních fází, vizualizaci gradientů složení a vytvoření map specifických pro jednotlivé fáze bez nutnosti použití externích spektrálních knihoven. Výsledky dokazují, že LIBS je rychlá a univerzální zobrazovací technika, která dopl-ňuje elektronovou mikroskopii a automatizovanou mineralogii a má značný potenci-ál pro charakterizaci kritických surovin a environmentální monitorování těžebních odpadů.

Abstract:

This dissertation investigates the application of Laser-Induced Breakdown Spectros-copy (LIBS) for elemental and mineralogical imaging of ore mineralization and its integration with reference electron-beam techniques, namely electron probe micro-analysis (EPMA/EDX) and automated mineralogy (TIMA). The aim was to develop and validate a LIBS imaging workflow for the characterization of complex geological materials, including the detection of light elements inaccessible to electron-based methods. The work is based on two case studies. The first focuses on distinguishing primary and secondary uranium mineralization in a sample from the Zálesí uranium deposit. Combined LIBS and EPMA/EDX imaging enabled reliable differentiation between uraninite, uranophane, and associated quartz. Semi-quantitative calibration models for uranium and silicon were established, while oxygen-related intensity ratios (O/U) were used to assess uranium oxidation. Detection of hydrogen at the H I 656.28 nm emission line confirmed the presence of hydroxyl groups and structurally bound wa-ter in uranophane, demonstrating the unique ability of LIBS to map hydrogen and oxygen and to monitor oxidation and hydration processes. The second study focused on imaging selenium-bearing mineralization from the West Moravian localities of Bukov, Petrovice, and Habří. Analytical lines of selenium and associated elements (Cu, Ni, Co, Fe, Tl, Ag, and Ca) were selected and experimentally validated. The resulting elemental distribution maps showed excellent agreement with reference TIMA images, confirming the suitability of LIBS for rapid characteriza-tion of complex selenide assemblages. The principal methodological contribution of this dissertation is the classification of mineral phases based on the spectral fingerprints of individual LIBS pixels. This ap-proach enabled mineral phase segmentation, visualization of compositional gradi-ents, and generation of phase-specific maps without the need for external spectral libraries. The results demonstrate that LIBS is a rapid and versatile imaging tech-nique complementary to electron microscopy and automated mineralogy, with con-siderable potential for the characterization of critical raw materials and the envi-ronmental monitoring of mining wastes.

Keywords

LIBS, Elemental imaging, Mineral imaging, Uranium, Uranium mineralization, Secondary mineralization, Geological samples, Selenium

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 3. 8. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 25. 9. 2026
• Vedoucí: doc. Mgr. Karel Novotný, Ph.D.
• Oponent: doc. Ing. Tomáš Černohorský, CSc., Assoc. Prof. Johannes David Pedarnig, Dr., Mgr. Ota Samek, Dr.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Analytický geochemik / Analytický geochemik