Illit i sedimentære bjergarter

Man kan ikke diskutere illit uden at berøre emnet blandede lag af illit/smectit (I/S), et mineral, hvor lag af illit og smectit på enhedscelleskala blandes som et spil kort. Lermineraloger opdeler typisk en prøve og fremstiller en eller flere kornstørrelsesfraktioner som orienterede aggregater (10) på et objektglas med henblik på røntgenpulverdiffraktion (XRD) med et fokuserende diffraktometer. Da partiklerne er orienteret med 00l parallelt med objektglasset, er det kun 00l-reflektionerne, der vises i dataene. Illit har en række 00l-reflektioner baseret på en periodicitet på 1 nm; smektit med vand i mellemlagene har en periodicitet på 1,4 nm, som kan variere med fugtighed eller behandling med organiske stoffer. XRD-mønstre (00l-serien) for I/S er typisk ikke-periodiske (ikke-integrale; de adlyder ikke Braggs lov) og ligner ikke en fysisk blanding af illit og smectit. De fortolkes (6) som et resultat af en enkelt diffraktion fra en fejlslagen lagstruktur bestående af to typer af enhedsceller. Der findes en moden teknologi (10) til kvantificering og modellering af XRD-data fra blandede lag lermineraler.

I/S er almindelig i skifer; faktisk kan en stor del af illitten i skifer være i form af I/S. Andelen af illit i I/S stiger typisk med dybden og temperaturen i de fleste af verdens sedimentære bassiner og med den geologiske alder (6). Dette er blevet fortolket (eller udledt) som tegn på en progressiv fast tilstand eller lagvis omdannelse af smektit til illit, hvor smektitens oprindelige struktur overtages af illit (11). For nylig har Nadeau (6, 10, 12) introduceret de dobbelte begreber fundamentale partikler og interpartikeldiffraktion for at forklare blandede lerlag. Ifølge dette synspunkt udfældes tynde illitkrystaller (2- til 10-enhedsceller) i skifer, mens smektit, feltspat og andre mineraler opløses. Diffraktionseffekterne af I/S skyldes kohærent (i 00l) spredning blandt tynde illitkrystaller, der står ansigt til ansigt, med hydrerede grænseflader, der opfører sig som smektit (er turbostratiske). Efterhånden som krystallerne bliver tykkere, falder antallet af grænseflader, hvilket ses i XRD-dataene som et fald i smectitkomponenten af I/S. Observationen af tynde ideomorfe krystaller af 1M illit med 1 nm overfladetrin i sandsten og skifer (13) støtter Nadeaus ideer. Emnet I/S er fortsat kontroversielt, men her antager jeg, at stigningen i illitindholdet i I/S med begravelsesdybden simpelthen repræsenterer væksten af progressivt tykkere illitkrystaller.

For at uddrage brugbar kronologisk information fra K-Ar datering af illit, har jeg fundet begrebet kornstørrelse vs. aldersspektre (størrelse-alders-spektre) nyttigt (Fig. 1a). En prøve opdeles rutinemæssigt i tre lerstørrelsesfraktioner: groft (C = 0,2-2,0 μm), medium (M = 0,02-0,2 μm) og fint (F = <0,02 μm), og for hver af dem fås en rutinemæssig K-Ar alder. Ved at anvende fraktionen <2-μm udelukkes generelt feldspat, således at de eneste K-holdige faser er illit og micas. Ved at plotte disse som simple søjlediagrammer er der blevet afsløret tre hovedspektrumsformer for sedimentære bjergarter: skråt, fladt og bøjet. Disse er typiske for henholdsvis skifer, K-bentonit og sandsten.

Et skråt spektrum (Fig. 1a) er typisk for skifer, som er aflejret med et bredt indledende størrelsesinterval af detrital micas. Normalt er C-fraktionen ældre end aflejringsalderen, men dette afhænger af andelen af diagenetisk illit. F-fraktionen er typisk yngre end aflejringsalderen på grund af dominansen af diagenetisk illit. Som påpeget for 35 år siden af Hower et al. (9) er det vigtigt, at der ikke er nogen måde at bruge disse datoer på, undtagen som grove grænser. Alle fraktioner ser ud til at være fysiske blandinger, og vi kender ikke proportionerne. Blandingen af gammel og ung illit i skifer kan for nogle prøver give K-Ar-alder, der tilfældigvis ligger tæt på aflejringsalderen (9). Bemærk, at K-Ar-data fra skifer ikke kan fortolkes med succes ved hjælp af isokronmetoden, fordi skifer er blandinger af ting, der er dannet på forskellige tidspunkter. De giver dog ofte flotte, lineære, men ubrugelige “mixochroner.”

Bentonitter (stratigrafisk definition) er en ualmindelig klasse af skiferlag, der består af luftfaldsglasagtig vulkansk aske, der er ændret til smektit (3). K-bentonitter (3) er dem, der har undergået efterfølgende diagenese til illit eller I/S. De er af stor værdi for illitstudier, fordi de ikke indeholder detritale dioktaedriske micas, men kun diagenetisk illit. Størrelses-alders-spektret for en K-bentonit er typisk fladt (Fig. 1b); dvs. at alle størrelsesfraktioner har den samme K-Ar-alder, yngre end aflejringsalderen. Bentonitter giver den gennemsnitlige diagenetiske alder direkte. Hvis bentonitter var almindelige i stratigrafiske optegnelser, kunne vi glemme alt om at forsøge at få meningsfulde aldre fra almindelige skifre. De er nyttige for vores dateringsproblem, fordi de giver os en idé om, hvordan den uberørte diagenetiske illit er. Mineralogiske undersøgelser af K-bentonitter er talrige, og XRD viser, at illit og I/S udelukkende er 1M-polytype med moderate mængder af 120° rotationsforstyrrelser (14, 15). 2M1-muscovit findes aldrig som diagenetisk fase i K-bentonitter fra sedimentære bassiner. Dette er gode nyheder, fordi det giver os en mulig måde at differentiere og kvantificere de diagenetiske og detritale komponenter i skifer.

Atomkraftmikroskopi (AFM) viser, at K-bentonit illitkrystallerne kun er få nanometer tykke (Fig. 2), med en overvægt af 1-nm væksttrin. Førstnævnte bekræftes af XRD-undersøgelser af 00l-reflektionerne (16); sidstnævnte stemmer overens med deres 1M-polytype. Den ekstraordinære tyndhed forklarer sandsynligvis den rigelige forekomst af diagenetisk illit i de fine fraktioner af skifer.

Sandsten med en skiferlignende aflejringsmatrix eller rigelige lithiske korn har størrelses-alders-spektre, der ligner skifer, og vil ikke blive diskuteret yderligere. Rene sandsten består kun af sandstore korn af kvarts, feldspat, glimmer m.m. og mangler aflejringsler. De er aflejret i et miljø med høj energi (som f.eks. en strand), hvor de fine partikler er blevet fjernet. Under diagenese kan feldspat og andre bjergartsbestanddele reagere med porevæske og udfælde illit eller andre diagenetiske lerarter; derfor har finmaterialet i disse sandsten en tendens til at være overvejende diagenetisk, og det i højere grad end i skifersten. Et typisk sandstens størrelses-alders-spektrum (Fig. 3) er bænkformet; dvs. C-fragmentet er ældre end aflejringsalderen, mens M- og F-fraktionerne har samme alder, dvs. yngre end aflejringsalderen. Denne udfladning i de finere fraktioner tillader os at konkludere, at fint detrital glimmer er fraværende i disse fraktioner, og at vi har målt den gennemsnitlige alder for illitdannelsen. Desværre er diagenetisk illit ikke så almindeligt forekommende i sandsten som i skifer, og ikke alle sandsten er rene sandsten.

Der findes mange undersøgelser af porefyldningsillitter, både mineralogiske og K-Ar-dateringer (2, 6, 10). Den righoldige litteratur skyldes primært den negative effekt illit har på permeabiliteten i sandstens olieforekomster. Illitterne er typisk ideomorfe med en udpræget fibrøs (lath) habitus (den lange akse er den krystallografiske a-akse), hvilket gør dem interessante emner for mikroskopi (fig. 4). De kaldes ofte “behårede illitter” i olieindustrien. Krystallerne er ideomorfe, fordi de udfældes uhindret fra væske i en relativt stor pore. De er alle af 1M polytype med en mindre 120° rotationsforstyrrelse. Som i K-bentonitter er de tynde (2-10 nm) med væksttrin på 1 nm og nogle tegn på spiralvækst. Prøver bestående af særligt tynde krystaller er I/S ved XRD. Der er ingen tegn på en smectitforløber. Individuelle lameller kan vokse sammen ved 120° for at danne stjernelignende aggregater eller tvillinger (fig. 5). Tvillingen (en rotation på 120° i forhold til spejlplanet, der indeholder det tomme oktaedriske sted) er efter “den almindelige glimmer-tvillingslov” (8) og forklarer sandsynligvis en stor del af den roterende uorden, der ses i XRD-dataene.

Det foregående har fastslået, at tynde diagenetiske illitkrystaller vokser i sedimentære bjergarter, og at de har tydelige mineralogiske træk, såsom I/S XRD-effekter og 1M-polytype, der adskiller dem fra 2M1-muskovit. En stor del af vores viden om uordnede illitpolytyper og I/S stammer fra brugen af programmerne newmod (10) og wildfire (14), som gør det let at beregne de komplette pulver-XRD-mønstre for lermineraler i pulverform. Disse programmer danner grundlaget for “udblanding” af de blandinger, som vi har diskuteret. I processen med at matche beregnede og eksperimentelle data om polytyper og uorden i illit er der fremkommet nogle generaliseringer. Bentonitter og fibrøse (sandsten) illitter ligner hinanden i mange henseender (1M med en rotationsforstyrrelse på ca. 120°), men adskiller sig ved, at den cis-vakante form (15, 17) er mere almindelig i bentonitter og den trans-vakante form (den traditionelle 1M-struktur) er mere typisk for fibre .

Skifer er forskellige, idet de fleste skiferillitter (bortset fra 2M1-komponenten) viser næsten maksimal rotationsforstyrrelse, herunder både 120°- og 60°-rotationer (14), og derfor er 1Md-polytypen (8). Det betyder, at hvert på hinanden følgende 1-nm lag ikke er relateret til laget under det, bortset fra at de hexagonale iltringe retter sig ind efter K. På grundlag af morfologiske AFM-observationer vokser bentonit- og sandstensillitter primært ved spiral- eller trinmekanismer, mens skiferillitter vokser ved kernedannelse (fødsel og spredning). Illitter i skifer (fig. 6) viser mange små 1 nm tykke kerner på 00l af et større substrat, som kan være detrital glimmer. Disse ser ud til at være tilfældigt placerede epitaxialvækster. Fortsat lignende vækst ville skabe en 1Md illit. Bentonit og fiberholdige illitter har næsten karakterløse 00l-flader med et eller flere parallelle væksttrin. De kontrasterende mekanismer (vækst vs. kernedannelse) er nogenlunde i overensstemmelse med den tidlige diskussion om polytypers oprindelse (8).

Transmissionselektronmikroskopi tegner et tilsyneladende noget anderledes billede af skiferillit (18), men det er ikke klart for mig, hvor meget af denne forskel der er relateret til undersøgelsesmetoden (transmissionselektronmikroskopi vs. XRD). F.eks. er kravene til kohærens sandsynligvis strengere for XRD end for transmissionselektronmikroskopi. Overvægten af 2M1-polytypen i ionmalede prøver af hele bjergarter (18) skyldes muligvis detrital muscovit; det er i hvert fald hvad skiferens K-Ar-data (ældre end aflejringsalderen) antyder. Yderligere diskussion ligger uden for rammerne af denne gennemgang, men de spørgsmål, der er rejst af arbejdet med transmissionselektronmikroskopi på illit, giver spændende retninger for fremtidig forskning.