Illit v sedimentárních horninách

Nelze diskutovat o illitu, aniž bychom se dotkli tématu smíšené vrstvy illitu/smectitu (I/S), minerálu, v němž jsou vrstvy illitu a smectitu v měřítku jednotkových buněk zamíchány jako balíček karet. Jíloví mineralogové obvykle dezagregují vzorek a připraví jednu nebo více zrnitostních frakcí jako orientované agregáty (10) na sklíčku pro rentgenovou práškovou difrakci (XRD) pomocí fokusačního difraktometru. Protože částice jsou orientovány rovnoběžně se sklíčkem, v datech se objevují pouze odrazy 00l. Illit má řadu odrazů 00l založenou na periodicitě 1 nm; smektit s mezivrstvou vody má periodicitu 1,4 nm, která se může měnit s vlhkostí nebo ošetřením organickými látkami. Vzorky XRD (série 00l) pro I/S jsou obvykle neperiodické (neintegrální; nepodléhají Braggovu zákonu) a nevypadají jako fyzikální směs illitu a smektitu. Jsou interpretovány (6) jako výsledek jediné difrakce z poruchové struktury vrstvy složené ze dvou typů jednotkových buněk. Existuje vyspělá technologie (10) pro kvantifikaci a modelování XRD dat ze smíšených vrstevnatých jílových minerálů.

I/S je v břidlicích běžný; skutečně, velká část illitu v břidlicích může být ve formě I/S. Procento illitu v I/S se obvykle zvyšuje s hloubkou a teplotou ve většině světových sedimentárních pánví a s geologickým stářím (6). To bylo interpretováno (nebo odvozeno) jako důkaz postupné přeměny smectitu v pevném stavu nebo přeměny vrstvy po vrstvě na illit, při níž je původní struktura smectitu zděděna illitem (11). Nedávno Nadeau (6, 10, 12) zavedl dvojí koncepci základních částic a mezičásticové difrakce pro vysvětlení smíšených vrstev jílů. Podle tohoto pohledu se v břidlicích srážejí tenké (2 až 10jednotkové) krystaly illitu, zatímco smektit, živce a další minerály se rozpouštějí. Difrakční efekty I/S jsou důsledkem koherentního (v 00l) rozptylu mezi tenkými krystaly illitu s hydratovanými rozhraními, které se chovají jako smektit (jsou turbostratické). S rostoucí tloušťkou krystalů počet rozhraní klesá, což se v XRD datech projevuje jako pokles smektitové složky I/S. Pozorování tenkých ideomorfních krystalů 1M illitu s 1nm povrchovými růstovými stupni v pískovcích a břidlicích (13) podporuje Nadeauovy myšlenky. Téma I/S zůstává kontroverzní, ale zde předpokládám, že nárůst obsahu illitu v I/S s hloubkou pohřbení jednoduše představuje růst postupně tlustších krystalů illitu.

Pro získání užitečných chronologických informací z K-Ar datování illitu jsem považoval za užitečný koncept spekter závislosti velikosti zrn na stáří (size-age spectra) (obr. 1a). Vzorek se rutinně rozdělí na tři jílovité frakce: hrubou (C = 0,2-2,0 μm), střední (M = 0,02-0,2 μm) a jemnou (F = <0,02 μm) a pro každou se získá rutinní K-Ar stáří. Použití frakce <2 μm obecně vylučuje živec, takže jedinými K-nosnými fázemi jsou illit a slídy. Vykreslení těchto grafů jako jednoduchých sloupcových grafů odhalilo tři hlavní tvary spekter pro sedimentární horniny: šikmé, ploché a lavicovité. Ty jsou typické pro břidlice, K-bentonity a pískovce.

Skloněné spektrum (obr. 1a) je typické pro břidlice, které se ukládají s širokým počátečním rozsahem velikostí detritických slíd. Obvykle je frakce C starší než stáří uložení, ale to závisí na podílu diagenetického illitu. Frakce F je obvykle mladší než stáří uložení, protože převažuje diagenetický illit. Důležité je, že jak upozornili před 35 lety Hower et al. (9), nelze tato data použít jinak než jako hrubé limity. Všechny frakce jsou zřejmě fyzikální směsi a neznáme jejich poměry. Směs starého a mladého illitu v břidlicích může u některých vzorků poskytnout K-Ar stáří náhodně blízké depozičnímu stáří (9). Všimněte si, že K-Ar data z břidlic nelze úspěšně interpretovat pomocí izochronní metody, protože břidlice jsou směsí věcí, které vznikly v různých dobách. Často však poskytují pěkně vypadající, lineární, ale nepoužitelné „mixochrony“.

Bentonity (stratigrafická definice) jsou neobvyklou třídou břidlicového podloží tvořeného vzduchem padajícím sklovitým vulkanickým popelem změněným na smektit (3). K-bentonity (3) jsou ty, které prošly následnou diagenezí na illit nebo I/S. Pro studium illitu jsou velmi cenné, protože neobsahují detritické dioktaedrické slídy, ale pouze diagenetický illit. Velikostně-věkové spektrum K-bentonitu je typicky ploché (obr. 1b); tj. všechny velikostní frakce mají stejné K-Ar stáří, mladší než depoziční. Bentonity udávají průměrné diagenetické stáří přímo. Pokud by bentonity byly ve stratigrafickém záznamu běžné, mohli bychom zapomenout na snahu získat smysluplné stáří z běžných břidlic. Pro náš problém datování jsou užitečné, protože nám dávají představu o tom, jaký je původní diagenetický illit. Mineralogických studií K-bentonitů je celá řada a XRD ukazuje, že illity a I/S jsou výhradně polytypy 1M s mírným množstvím rotační poruchy 120° (14, 15). Muskovit 2M1 se nikdy nevyskytuje jako diagenetická fáze v K-bentonitech sedimentárních pánví. To je dobrá zpráva, protože nám to dává možný způsob, jak rozlišit a kvantifikovat diagenetickou a detritickou složku v břidlicích.

Mikroskopie atomárních sil (AFM) ukazuje, že krystaly K-bentonitu illitu jsou silné jen několik nanometrů (obr. 2) s převahou 1nm růstových stupňů. První z nich potvrzují XRD studie 00l odrazů (16); druhý souhlasí s jejich 1M polytypem. Mimořádná tenkost pravděpodobně vysvětluje hojnost diagenetického illitu v jemných frakcích břidlic.

Pískovce s břidlicovou úložnou matricí nebo hojnými litickými zrny mají velikostně-věkové spektrum podobné břidlicím a nebudou dále diskutovány. Čisté pískovce se skládají pouze ze zrn křemene, živců, slídy atd. o velikosti písku a postrádají depoziční hlínu. Usazují se v prostředí s vysokou energií (např. na pláži), kde dochází k odvátí jemných částic. Během diageneze mohou živce a další horninové složky reagovat s pórovými tekutinami a vysrážet illit nebo jiné diagenetické jíly; proto je jemný materiál v těchto pískovcích většinou diagenetický, a to ve větší míře než u břidlic. Typické spektrum velikosti a stáří pískovce (obr. 3) má tvar lavice; tj. frakce C je starší než stáří usazování, zatímco frakce M a F mají stejné stáří, mladší než stáří usazování. Toto zploštění v jemnějších frakcích nám dovoluje usoudit, že jemná detritická slída v těchto frakcích chybí a že jsme změřili střední stáří vzniku illitu. Bohužel diagenetický illit není v pískovcích tak univerzálně hojný jako v břidlicích a ne všechny pískovce jsou čisté pískovce.

Existuje mnoho studií o illitech vyplňujících póry, jak mineralogických, tak datovaných podle K-Ar (2, 6, 10). Důvodem hojné literatury je především negativní vliv illitu na propustnost pískovcových ropných ložisek. Illity jsou typicky ideomorfní s výrazným vláknitým (latovitým) habitem (dlouhá osa je krystalografickou osou a), což z nich činí zajímavé objekty pro mikroskopování (obr. 4). V ropném průmyslu se jim často říká „chlupatý illit“. Krystaly jsou ideomorfní, protože se vysrážejí neomezeně z tekutiny v relativně velkém póru. Všechny jsou polytypu 1M, s menší rotační poruchou 120°. Stejně jako u K-bentonitů jsou tenké (2-10 nm), s 1nm růstovými stupni a určitými známkami spirálního růstu. Vzorky složené ze zvláště tenkých krystalů jsou I/S pomocí XRD. Neexistují žádné důkazy o prekurzoru smektitu. Jednotlivé lamely mohou být prorostlé pod úhlem 120° a vytvářet hvězdicovité agregáty nebo dvojčata (obr. 5). Dvojčatění (rotace o 120° vzhledem k zrcadlové rovině obsahující prázdné oktaedrické místo) je podle „běžného zákona slídových dvojčat“ (8) a pravděpodobně vysvětluje velkou část rotačního nepořádku pozorovaného v XRD datech.

Předchozí ukázalo, že tenké diagenetické krystaly illitu rostou v sedimentárních horninách a že mají výrazné mineralogické vlastnosti, jako jsou efekty I/S XRD a polytyp 1M, které je odlišují od muskovitu 2M1. Velká část našich znalostí o neuspořádaných polytypech illitu a I/S pochází z použití programů newmod (10) a wildfire (14), které umožňují snadný výpočet kompletních práškových XRD vzorů jílových minerálů. Tyto programy tvoří základ pro „rozmíchání“ směsí, o kterých jsme hovořili. V procesu porovnávání vypočtených a experimentálních údajů o polytypech a neuspořádanosti v illitu se objevila některá zobecnění. Bentonity a vláknité (pískovcové) illity jsou si v mnoha ohledech podobné (1M s přibližně 120° rotační poruchou), ale liší se tím, že cis-volná forma (15, 17) je častější u bentonitů a trans-volná forma (tradiční 1M struktura) je typičtější pro vlákna .

Břidlice se liší tím, že většina břidlicových illitů (kromě složky 2M1) vykazuje téměř maximální rotační neuspořádanost, včetně 120° i 60° rotace (14), a jsou tedy polytypem 1Md (8). To znamená, že každá následující 1nm vrstva nesouvisí s vrstvou pod ní s výjimkou toho, že se hexagonální kyslíkové kruhy zarovnávají tak, aby vyhovovaly K. Na základě AFM morfologických pozorování rostou bentonitové a pískovcové illity především spirálním nebo stupňovitým mechanismem, zatímco břidlicové illity rostou nukleací (zrodem a šířením). Illity v břidlicích (obr. 6) vykazují mnoho malých 1 nm silných jader na 00l větším substrátu, kterým může být detritická slída. Zdá se, že se jedná o náhodně umístěné epitaxní výrůstky. Pokračování podobného růstu by vytvořilo 1Md illity. Bentonit a vláknité illity mají téměř beztvaré 00l plochy s jedním nebo více paralelními růstovými stupni. Kontrastní mechanismy (růst vs. nukleace) jsou zhruba v souladu s dřívější diskusí o vzniku polytypů (8).

Přenosová elektronová mikroskopie vykresluje zřejmě poněkud odlišný pohled na břidlicový illit (18), ale není mi jasné, nakolik tento rozdíl souvisí s metodou zkoumání (přenosová elektronová mikroskopie vs. XRD). Například požadavky na koherenci jsou u XRD pravděpodobně přísnější než u transmisní elektronové mikroskopie. Převaha polytypu 2M1 v iontově frézovaných celokamenných vzorcích (18) je pravděpodobně způsobena detritickým muskovitem; alespoň to naznačují K-Ar data z břidlic (starší než depoziční stáří). Další diskuse přesahuje rámec tohoto přehledu, ale otázky, které vyvolala práce s transmisní elektronovou mikroskopií illitu, nabízejí zajímavé směry budoucího výzkumu.

.