Illit in Sedimentgesteinen
Man kann nicht über Illit sprechen, ohne das Thema gemischter Illit/Smektit (I/S) zu berühren, ein Mineral, bei dem die Schichten aus Illit und Smektit im Maßstab der Einheitszelle wie ein Kartenspiel gemischt sind. Tonmineralogen zerlegen in der Regel eine Probe und bereiten eine oder mehrere Korngrößenfraktionen als orientierte Aggregate (10) auf einem Objektträger für die Röntgenpulverdiffraktometrie (XRD) mit einem fokussierenden Diffraktometer vor. Da sich die Teilchen mit 00l parallel zum Objektträger ausrichten, erscheinen nur die 00l-Reflexe in den Daten. Illit weist eine Reihe von 00l-Reflexen auf, die auf einer Periodizität von 1 nm basieren; Smektit mit Wasser in der Zwischenschicht hat eine Periodizität von 1,4 nm, die je nach Feuchtigkeit oder Behandlung mit organischen Stoffen variieren kann. XRD-Muster (00l-Reihe) für I/S sind in der Regel nicht periodisch (nicht integral; sie gehorchen nicht dem Braggschen Gesetz) und sehen nicht wie eine physikalische Mischung aus Illit und Smektit aus. Sie werden so interpretiert (6), dass sie aus einer einzigen Beugung an einer gestörten Schichtstruktur resultieren, die aus zwei Arten von Einheitszellen besteht. Es gibt eine ausgereifte Technologie (10) zur Quantifizierung und Modellierung von XRD-Daten von gemischtschichtigen Tonmineralen.
I/S ist in Schiefer häufig anzutreffen; tatsächlich kann ein Großteil des Illits in Schiefer in Form von I/S vorliegen. Der prozentuale Anteil von Illit in I/S nimmt in den meisten Sedimentbecken der Welt mit der Tiefe und der Temperatur sowie mit dem geologischen Alter zu (6). Dies wurde als Hinweis auf eine fortschreitende Umwandlung von Smektit in Illit in festem Zustand oder von Schicht zu Schicht interpretiert (oder daraus abgeleitet), wobei die ursprüngliche Struktur des Smektits an den Illit weitergegeben wird (11). In jüngerer Zeit hat Nadeau (6, 10, 12) das duale Konzept der fundamentalen Teilchen und der Beugung zwischen den Teilchen eingeführt, um gemischtschichtige Tone zu erklären. Nach dieser Auffassung fallen dünne (2- bis 10-Zellen) Illitkristalle in Schiefer aus, während sich Smektit, Feldspat und andere Mineralien auflösen. Die Beugungseffekte von I/S resultieren aus der kohärenten (in 00l) Streuung zwischen dünnen, gegenüberliegenden Illitkristallen mit hydratisierten Grenzflächen, die sich wie Smektit verhalten (turbostratisch sind). Mit zunehmender Dicke der Kristalle nimmt die Zahl der Grenzflächen ab, was sich in den XRD-Daten als Abnahme der Smektitkomponente von I/S zeigt. Die Beobachtung dünner ideomorpher Kristalle aus 1M-Illit mit 1-nm-Oberflächenwachstumsstufen in Sandsteinen und Schiefergesteinen (13) unterstützt die Ideen von Nadeau. Das Thema I/S bleibt umstritten, aber hier nehme ich an, dass die Zunahme des Illitgehalts von I/S mit der Vergrabungstiefe einfach das Wachstum zunehmend dickerer Illitkristalle darstellt.
Um nützliche chronologische Informationen aus der K-Ar-Datierung von Illit zu gewinnen, habe ich das Konzept der Korngrößen-Alters-Spektren (Abb. 1a) für nützlich befunden. Eine Probe wird routinemäßig in drei Tongrößenfraktionen unterteilt: grob (C = 0,2-2,0 μm), mittel (M = 0,02-0,2 μm) und fein (F = <0,02 μm), und für jede wird routinemäßig ein K-Ar-Alter bestimmt. Die Verwendung der <2-μm-Fraktion schließt im Allgemeinen Feldspat aus, so dass die einzigen K-tragenden Phasen Illit und Glimmer sind. Die Darstellung als einfache Balkendiagramme hat drei Hauptformen von Spektren für Sedimentgestein ergeben: geneigt, flach und schräg. Diese sind typisch für Schiefer, K-Bentonite bzw. Sandsteine.
(a) Größen-Alters-Spektrum für Schiefer. Die Probe ist in drei Tongrößenfraktionen unterteilt: grob (C = 0,2-2,0 μm), mittel (M = 0,02-0,2 μm) und fein (F = <0,02 μm). Ein geneigtes Spektrum ist typisch für Schiefer, die mit einem breiten ursprünglichen Größenbereich von detritischem Glimmer abgelagert werden. In der Regel ist die C-Fraktion älter als das Ablagerungsalter, was jedoch vom Anteil des detritischen Glimmers abhängt. Die F-Fraktion ist in der Regel jünger als das Ablagerungsalter, da der diagenetische Illit dominiert. (b) Das Größen-Alters-Spektrum für einen K-Bentonit ist flach, d. h. alle Größenfraktionen haben das gleiche K-Ar-Alter, das jünger als das Ablagerungsalter ist. Bentonite geben das diagenetische Alter direkt an, da sie keinen detritischen Illit enthalten.
Ein geneigtes Spektrum (Abb. 1a) ist typisch für Schiefer, die mit einem breiten anfänglichen Größenbereich von detritischem Glimmer abgelagert werden. Normalerweise ist die C-Fraktion älter als das Ablagerungsalter, was jedoch vom Anteil des diagenetischen Illits abhängt. Die F-Fraktion ist in der Regel jünger als das Ablagerungsalter, da diagenetischer Illit überwiegt. Wie Hower et al. (9) bereits vor 35 Jahren feststellten, lassen sich diese Daten nur als grobe Grenzwerte verwenden. Alle Fraktionen scheinen physikalische Mischungen zu sein, und wir kennen die Anteile nicht. Die Mischung von altem und jungem Illit in Schiefer kann bei einigen Proben K-Ar-Alter ergeben, die zufällig dem Ablagerungsalter nahe kommen (9). Es ist zu beachten, dass K-Ar-Daten aus Schiefer nicht erfolgreich mit der Isochronenmethode interpretiert werden können, da Schiefer Mischungen von Dingen sind, die sich zu unterschiedlichen Zeiten gebildet haben. Sie ergeben jedoch oft schön anzusehende, lineare, aber nutzlose „Mixochronen“.
Bentonite (stratigraphische Definition) sind eine seltene Klasse von Schieferschichten, die aus glasiger, zu Smektit umgewandelter vulkanischer Asche bestehen (3). K-Bentonite (3) sind solche, die eine anschließende Diagenese zu Illit oder I/S durchlaufen haben. Sie sind für Illitstudien von großem Wert, da sie keine detritischen dioktaedrischen Glimmer, sondern nur diagenetischen Illit enthalten. Das Größen-Alters-Spektrum eines K-Bentonits ist in der Regel flach (Abb. 1b), d. h. alle Größenfraktionen haben das gleiche K-Ar-Alter, das jünger als das Ablagerungsalter ist. Bentonite geben das mittlere diagenetische Alter direkt an. Wenn Bentonite in den stratigraphischen Aufzeichnungen häufig vorkämen, könnten wir den Versuch vergessen, aussagekräftige Altersangaben aus gewöhnlichen Schiefergesteinen zu erhalten. Sie sind für unser Datierungsproblem nützlich, weil sie uns eine Vorstellung davon vermitteln, wie der ursprüngliche diagenetische Illit beschaffen ist. Mineralogische Untersuchungen von K-Bentoniten sind zahlreich, und das XRD zeigt, dass Illit und I/S vollständig 1M-Polytypen mit mäßigen Mengen an 120°-Rotationsstörungen sind (14, 15). 2M1-Muskovit wird nie als diagenetische Phase in K-Bentoniten von Sedimentbecken gefunden. Dies ist eine gute Nachricht, denn sie gibt uns eine Möglichkeit, die diagenetischen und detritischen Komponenten in Schiefer zu unterscheiden und zu quantifizieren.
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) zeigt, dass die K-Bentonit-Illit-Kristalle nur wenige Nanometer dick sind (Abb. 2), wobei 1-nm-Wachstumsstufen vorherrschen. Ersteres wird durch XRD-Studien der 00l-Reflexe (16) bestätigt; letzteres stimmt mit ihrem 1M-Polytyp überein. Die außergewöhnliche Dünnheit erklärt wahrscheinlich die Häufigkeit von diagenetischem Illit in den feinen Fraktionen der Schiefer.
AFM-Ablenkungsbild von Illitkristallen aus dem Tioga K-Bentonit. Die Skala ist in Nanometern. Die einzelnen Wachstumsstufen sind 1 nm groß; der größte Kristall ist 7 nm dick. Das Bild wurde an der Luft im Kontaktmodus mit einem MultiMode-Nannoskop IIIa von Digital Instruments (Santa Barbara, CA) aufgenommen.
Sandsteine mit einer schieferähnlichen Ablagerungsmatrix oder reichlich lithischen Körnern weisen ähnliche Größen-Alters-Spektren wie Schiefer auf und werden nicht weiter behandelt. Reine Sandsteine bestehen nur aus sandgroßen Quarz-, Feldspat-, Glimmerkörnern usw. und haben keinen Ton als Ablagerungsmaterial. Sie wurden in einer energiereichen Umgebung (z. B. an einem Strand) abgelagert, in der die Feinanteile ausgewaschen wurden. Während der Diagenese können Feldspäte und andere Gesteinsbestandteile mit Porenflüssigkeiten reagieren, um Illit oder andere diagenetische Tone auszufällen; daher ist das Feinmaterial in diesen Sandsteinen meist diagenetisch, und zwar in stärkerem Maße als bei Schiefer. Ein typisches Sandstein-Größen-Alters-Spektrum (Abb. 3) ist bänkchenförmig, d. h. die C-Fraktion ist älter als das Ablagerungsalter, während die M- und F-Fraktionen das gleiche Alter haben und jünger als das Ablagerungsalter sind. Diese Abflachung in den feineren Fraktionen lässt den Schluss zu, dass in diesen Fraktionen kein feiner detritischer Glimmer vorhanden ist und dass wir das mittlere Alter der Illitbildung gemessen haben. Leider ist diagenetischer Illit in Sandsteinen nicht so häufig anzutreffen wie in Schiefer, und nicht alle Sandsteine sind reine Sandsteine.
Größen-Alters-Spektrum von Sandstein. Das Spektrum ist typischerweise bänkchenförmig, d. h. die C-Fraktion ist älter als das Ablagerungsalter, während die M- und F-Fraktionen das gleiche Alter haben, also jünger als das Ablagerungsalter sind. Die Abflachung in den feineren Fraktionen deutet darauf hin, dass in diesen Fraktionen kein feiner detritischer Glimmer vorhanden ist und dass wir das mittlere Alter der Illitbildung gemessen haben. Die Symbole sind dieselben wie in Abb. 1.
Es gibt viele Studien über porenfüllende Illite, sowohl mineralogische als auch K-Ar-Datierungen (2, 6, 10). Die umfangreiche Literatur ist in erster Linie auf die negativen Auswirkungen von Illit auf die Durchlässigkeit von Sandstein-Erdöllagerstätten zurückzuführen. Die Illite sind typischerweise ideomorph mit einem ausgeprägten faserigen (lattenförmigen) Habitus (die lange Achse ist die kristallographische a-Achse), was sie für die Mikroskopie interessant macht (Abb. 4). Sie werden in der Erdölindustrie oft als „haariger Illit“ bezeichnet. Die Kristalle sind ideomorph, weil sie sich ohne Zwang aus einer Flüssigkeit in einer relativ großen Pore ausscheiden. Sie sind alle vom 1M-Polytyp, mit einer geringen 120°-Drehungsstörung. Wie bei K-Bentoniten sind sie dünn (2-10 nm), mit 1-nm-Wachstumsschritten und einigen Anzeichen für spiralförmiges Wachstum. Proben, die aus besonders dünnen Kristallen bestehen, sind durch XRD I/S. Es gibt keine Hinweise auf einen Smektitvorläufer. Einzelne Leisten können bei 120° miteinander verwachsen sein und sternförmige Aggregate oder Zwillinge bilden (Abb. 5). Die Zwillingsbildung (eine Drehung um 120° gegenüber der Spiegelebene, die den leeren Oktaederplatz enthält) folgt dem „allgemeinen Glimmerzwillingsgesetz“ (8) und ist wahrscheinlich für einen Großteil der in den XRD-Daten beobachteten Rotationsstörung verantwortlich.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von porenfüllendem faserigem Illit in einem Sandstein.
(A) AFM-Ablenkungsbild von Sandstein-Illit. Latten sind unter 120° in einem sternförmigen Aggregat oder Zwilling nach dem allgemeinen Glimmerzwillingsgesetz (eine Drehung von 120° gegenüber der Spiegelebene, die den leeren Oktaederplatz enthält) (8) miteinander verwachsen. Bei den körnigen Materialien, die am Illit haften (vor allem rechts), handelt es sich um Salze, die bei der Probenvorbereitung ausgefällt wurden. Die Skala ist in Mikrometern angegeben; der Kristall ist ≈1 μm lang. Dieses und die folgenden Bilder wurden in Luft, im Kontaktmodus, mit einem Universal AFM (ThermoMicroscopes, Sunnyvale, CA) aufgenommen. (B) Nahaufnahme des Zentrums in A. Die Linien zeigen Messungen der Stufenhöhe, die auf dem Höhenbild (nicht gezeigt) vorgenommen wurden. Man beachte das verschachtelte Wachstum von 1-nm- (10-Å) Wachstumsschritten. Einzelne Leisten haben eine Dicke von 6-8 nm. Nach dem Pulver-XRD-Verfahren ist diese Probe 1M, mit einer geringfügigen 120°-Drehungsstörung. Nur das Zentrum trägt zur Störung bei, die vorstehenden Lamellen (A) nicht. Die Skala ist in Angström angegeben.
Das Vorangegangene hat gezeigt, dass dünne diagenetische Illitkristalle in Sedimentgesteinen wachsen und dass sie deutliche mineralogische Merkmale aufweisen, wie z. B. I/S-XRD-Effekte und 1M-Polytypen, die sie von 2M1-Muskovit unterscheiden. Ein Großteil unseres Wissens über ungeordnete Illit-Polytypen und I/S stammt aus der Verwendung der Programme newmod (10) und wildfire (14), die eine einfache Berechnung der vollständigen Pulver-XRD-Muster von Tonmineralen ermöglichen. Diese Programme bilden die Grundlage für die „Entmischung“ der besprochenen Mischungen. Bei der Gegenüberstellung von berechneten und experimentellen Daten über Polytypen und Unordnung in Illit haben sich einige Verallgemeinerungen ergeben. Bentonite und faserige (Sandstein-)Illite sind in vielerlei Hinsicht ähnlich (1M mit etwa 120° Rotationsunordnung), unterscheiden sich aber insofern, als die cis-vacante Form (15, 17) in Bentoniten häufiger vorkommt und die trans-vacante Form (die traditionelle 1M-Struktur) eher für Fasern typisch ist.
Schiefer unterscheiden sich insofern, als die meisten Schiefer-Illite (mit Ausnahme der 2M1-Komponente) eine nahezu maximale Rotationsunordnung aufweisen, die sowohl 120°- als auch 60°-Rotationen einschließt (14), und daher zum 1Md-Polytyp gehören (8). Das bedeutet, dass jede aufeinanderfolgende 1-nm-Schicht nicht mit der darunter liegenden Schicht verwandt ist, mit der Ausnahme, dass die hexagonalen Sauerstoffringe so ausgerichtet sind, dass sie K aufnehmen. Auf der Grundlage der morphologischen AFM-Beobachtungen wachsen Bentonit- und Sandstein-Illite hauptsächlich durch Spiral- oder Stufenmechanismen, während Schiefer-Illite durch Keimbildung (Geburt und Ausbreitung) wachsen. Illite in Schiefer (Abb. 6) zeigen viele kleine 1 nm dicke Kerne auf dem 00l eines größeren Substrats, bei dem es sich um detritischen Glimmer handeln könnte. Es scheint sich um zufällig angeordnete epitaktische Wucherungen zu handeln. Ein fortgesetztes ähnliches Wachstum würde zu einem 1Md-Illit führen. Bentonit und faserhaltige Illite haben nahezu strukturlose 00l-Flächen mit einer oder mehreren parallelen Wachstumsstufen. Die gegensätzlichen Mechanismen (Wachstum vs. Keimbildung) stimmen in etwa mit der frühen Diskussion über den Ursprung von Polytypen überein (8).
AFM-Ablenkungsbild eines Schiefer-Illit-Kristalls. Die Oberfläche ist mit kleinen, 1 nm dicken Wucherungen oder Kernen bedeckt, möglicherweise auf dem 00l eines größeren Substrats, bei dem es sich um detritischen Glimmer handeln könnte. Es scheint sich um zufällig angeordnete epitaktische Wucherungen zu handeln. Ein fortgesetztes ähnliches Wachstum würde zu einem 1Md-Illit führen. Das XRD zeigt 60 % 1Md, der Rest ist 2M1. Das XRD-Muster für diese Probe ist in Abb. 9b (C) dargestellt. Die Skala ist in Angström angegeben.
Die Transmissions-Elektronenmikroskopie zeigt ein offensichtlich etwas anderes Bild von Schiefer-Illit (18), aber mir ist nicht klar, inwieweit dieser Unterschied mit der Untersuchungsmethode (Transmissions-Elektronenmikroskopie vs. XRD) zusammenhängt. Beispielsweise sind die Anforderungen an die Kohärenz bei XRD wahrscheinlich strenger als bei der Transmissionselektronenmikroskopie. Der vorherrschende 2M1-Polytyp in ionengemahlenen Ganzgesteinsproben (18) ist möglicherweise auf detritischen Muskovit zurückzuführen; zumindest legen dies K-Ar-Daten aus Schiefer (älter als das Ablagerungsalter) nahe. Weitere Erörterungen würden den Rahmen dieser Übersichtsarbeit sprengen, aber die Fragen, die durch die transmissionselektronenmikroskopischen Arbeiten an Illit aufgeworfen wurden, bieten spannende Ansatzpunkte für künftige Forschungen.