La illita en las rocas sedimentarias

No se puede hablar de la illita sin tocar el tema de la illita/esmectita de capas mixtas (I/S), un mineral en el que las capas a escala de célula unitaria de illita y esmectita se barajan como una baraja. Los mineralogistas de arcilla suelen disgregar una muestra y preparar una o más fracciones de tamaño de grano como agregados orientados (10) en un portaobjetos para la difracción de polvo de rayos X (XRD) con un difractómetro de enfoque. Dado que las partículas se orientan con 00l en paralelo al portaobjetos, en los datos sólo aparecen las reflexiones 00l. La illita tiene una serie de reflexiones 00l basada en una periodicidad de 1 nm; la esmectita, con agua intercalada, tiene una periodicidad de 1,4 nm que puede variar con la humedad o el tratamiento con orgánicos. Los patrones de DRX (serie 00l) para I/S suelen ser no periódicos (no integrales; no obedecen a la Ley de Bragg) y no parecen una mezcla física de illita y esmectita. Se interpreta (6) que son el resultado de una difracción única de una estructura de capas con fallas compuesta por dos tipos de células unitarias. Existe una tecnología madura (10) para cuantificar y modelar los datos de DRX de los minerales de arcilla de capa mixta.

La I/S es común en las lutitas; de hecho, gran parte de la illita en las lutitas puede estar en forma de I/S. El porcentaje de illita en I/S suele aumentar con la profundidad y la temperatura en la mayoría de las cuencas sedimentarias del mundo y con la edad geológica (6). Esto se ha interpretado (o deducido) como indicación de una transformación progresiva en estado sólido o capa por capa de esmectita a illita en la que la estructura inicial de la esmectita es heredada por la illita (11). Más recientemente, Nadeau (6, 10, 12) ha introducido los conceptos duales de partículas fundamentales y difracción entre partículas para explicar las arcillas de capas mixtas. Desde este punto de vista, los cristales finos (células de 2 a 10 unidades) de illita precipitan en las pizarras mientras que la esmectita, los feldespatos y otros minerales se disuelven. Los efectos de difracción de I/S son el resultado de la dispersión coherente (en 00l) entre cristales delgados de illita cara a cara con interfaces hidratadas que se comportan como la esmectita (son turbostáticos). A medida que los cristales se hacen más gruesos, el número de interfaces disminuye, lo que se ve en los datos de DRX como una disminución del componente de esmectita de I/S. La observación de cristales ideomórficos delgados de illita 1M con pasos de crecimiento superficial de 1 nm en areniscas y esquistos (13) apoya las ideas de Nadeau. El tema de la I/S sigue siendo controvertido, pero aquí asumo que el incremento en el contenido de illita de la I/S con la profundidad de enterramiento representa simplemente el crecimiento de cristales de illita progresivamente más gruesos.

Para extraer información cronológica útil de la datación K-Ar de la illita, he encontrado útil el concepto de espectros de tamaño de grano frente a la edad (espectros de tamaño-edad) (Fig. 1a). Una muestra se divide rutinariamente en tres fracciones de tamaño de arcilla: gruesa (C = 0,2-2,0 μm), media (M = 0,02-0,2 μm), y fina (F = <0,02 μm), y, para cada una, se obtiene una edad K-Ar rutinaria. El uso de la fracción <2-μm generalmente excluye el feldespato, de modo que las únicas fases portadoras de K son la illita y las micas. El trazado de estos como simples gráficos de barras ha revelado tres formas principales de espectros para las rocas sedimentarias: inclinadas, planas y con bancos. Éstas son típicas de las pizarras, las K-bentonitas y las areniscas, respectivamente.

Un espectro inclinado (Fig. 1a) es típico de las pizarras, que se depositan con un amplio rango de tamaños iniciales de micas detríticas. Normalmente la fracción C es más antigua que la edad de depósito, pero esto depende de la proporción de illita diagenética. La fracción F suele ser más joven que la edad de depósito debido al predominio de la illita diagenética. Es importante destacar que, como señalaron hace 35 años Hower et al. (9), no hay forma de utilizar estas fechas, excepto como límites brutos. Todas las fracciones parecen ser mezclas físicas, y no conocemos las proporciones. La mezcla de illita vieja y joven en los esquistos puede dar, para algunas muestras, edades K-Ar fortuitamente cercanas a la edad de depósito (9). Obsérvese que los datos K-Ar de las pizarras no pueden interpretarse con éxito utilizando el método de la isócrona porque las pizarras son mezclas de cosas que se formaron en diferentes momentos. Sin embargo, a menudo dan «mixocrones» lineales, pero inútiles, de buen aspecto.»

Las bentonitas (definición estratigráfica) son una clase poco común de lecho de pizarra que consiste en cenizas volcánicas vítreas de caída aérea alteradas a esmectita (3). Las bentonitas K (3) son aquellas que han sufrido una diagénesis posterior a illita o I/S. Son de gran valor para los estudios de la illita porque no contienen micas dioctaédricas detríticas, sólo illita diagenética. El espectro tamaño-edad de una bentonita K es típicamente plano (Fig. 1b); es decir, todas las fracciones de tamaño tienen la misma edad K-Ar, más joven que la edad deposicional. Las bentonitas dan directamente la edad diagenética media. Si las bentonitas fueran comunes en el registro estratigráfico, podríamos olvidarnos de intentar obtener edades significativas de los esquistos ordinarios. Son útiles para nuestro problema de datación porque nos dan una idea de cómo es la illita diagenética prístina. Los estudios mineralógicos de las K-bentonitas son numerosos, y la DRX muestra que la illita y la I/S son enteramente del tipo 1M con cantidades moderadas de desorden rotacional de 120° (14, 15). La muscovita 2M1 nunca se encuentra como fase diagenética en las K-bentonitas de las cuencas sedimentarias. Esto es una buena noticia porque nos da una posible manera de diferenciar y cuantificar los componentes diagenéticos y detríticos en los esquistos.

La microscopía de fuerza atómica (AFM) muestra que los cristales de illita de K-bentonita tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor (Fig. 2), con un predominio de pasos de crecimiento de 1 nm. Lo primero lo confirman los estudios de DRX de las reflexiones 00l (16); lo segundo concuerda con su politema 1M. La extraordinaria delgadez explica probablemente la abundancia de illita diagenética en las fracciones finas de los esquistos.

Las areniscas con una matriz deposicional similar a la de las pizarras o con abundantes granos líticos tienen espectros de tamaño y edad similares a los de las pizarras y no se discutirán más. Las areniscas limpias están formadas únicamente por granos de tamaño arena de cuarzo, feldespato, mica, etc., y carecen de arcilla de depósito. Se depositan en un entorno de alta energía (como una playa) en el que los finos son arrastrados. Durante la diagénesis, los feldespatos y otros constituyentes de la roca pueden reaccionar con los fluidos de los poros para precipitar illita u otras arcillas diagenéticas; por lo tanto, el material fino de estas areniscas tiende a ser mayoritariamente diagenético, y más que en el caso de los esquistos. Un espectro típico de tamaño-edad de las areniscas (Fig. 3) tiene forma de banco; es decir, la fracción C es más antigua que la edad de depósito, mientras que las fracciones M y F tienen la misma edad, más joven que la edad de depósito. Este aplanamiento en las fracciones más finas nos permite concluir que la mica fina detrítica está ausente en estas fracciones y que hemos medido la edad media de formación de la illita. Desafortunadamente, la illita diagenética no es tan universalmente abundante en las areniscas como lo es en las lutitas, y no todas las areniscas son areniscas limpias.

Hay muchos estudios sobre las illitas de relleno de poros, tanto mineralógicos como de datación K-Ar (2, 6, 10). La abundante literatura se debe principalmente al efecto negativo que la illita tiene sobre la permeabilidad de los yacimientos petrolíferos de arenisca. Las illitas son típicamente ideomórficas con un pronunciado hábito fibroso (en forma de listón) (el eje largo es el eje a cristalográfico) lo que las hace interesantes para la microscopía (Fig. 4). A menudo se les llama «illita peluda» en la industria del petróleo. Los cristales son ideomórficos porque precipitan sin restricciones desde el fluido en un poro relativamente grande. Son todos de tipo 1M, con un desorden rotacional menor de 120°. Como en las K-bentonitas, son delgados (2-10 nm), con pasos de crecimiento de 1 nm y algunas evidencias de crecimiento en espiral. Las muestras compuestas por cristales especialmente delgados son I/S por DRX. No hay evidencia de un precursor de esmectita. Las láminas individuales pueden estar intercaladas a 120° para producir agregados en forma de estrella o maclas (Fig. 5). La macla (una rotación de 120° con respecto al plano del espejo que contiene el sitio octaédrico vacío) es posterior a la «ley de macla común de la mica» (8) y probablemente explica gran parte del desorden rotacional observado en los datos de DRX.

Lo anterior ha establecido que los cristales delgados de illita diagenética crecen en las rocas sedimentarias y que tienen características mineralógicas distintas, tales como los efectos de I/S XRD y el poliotipo 1M, que los distinguen de la moscovita 2M1. Gran parte de nuestros conocimientos sobre los politípos desordenados de la ilita y el I/S provienen del uso de los programas newmod (10) y wildfire (14), que permiten calcular fácilmente los patrones completos de DRX en polvo de los minerales de arcilla. Estos programas constituyen la base para «desmezclar» las mezclas que hemos estado discutiendo. En el proceso de cotejar los datos calculados con los experimentales sobre los politípos y el desorden en la illita, han surgido algunas generalizaciones. Las bentonitas y las illitas fibrosas (areniscas) son similares en muchos aspectos (1M con algún desorden rotacional de 120°) pero difieren en que la forma cis-vacante (15, 17) es más común en las bentonitas y la forma trans-vacante (la estructura 1M tradicional) es más típica de las fibras .

Las pizarras se diferencian en que la mayoría de las illitas de pizarra (excluyendo el componente 2M1) muestran un desorden rotacional casi máximo, incluyendo rotaciones de 120° y 60° (14) y son, por tanto, del tipo 1Md (8). Esto significa que cada capa sucesiva de 1 nm no está relacionada con la capa inferior, excepto que los anillos hexagonales de oxígeno se alinean para acomodar K. Sobre la base de las observaciones morfológicas de AFM, las illitas de bentonita y arenisca crecen principalmente por mecanismos de espiral o escalón, mientras que las illitas de esquisto crecen por nucleación (nacimiento y propagación). Las illitas de esquisto (Fig. 6) muestran muchos núcleos pequeños de 1 nm de grosor en el 00l de un sustrato mayor que puede ser mica detrítica. Estos parecen ser crecimientos epitaxiales colocados al azar. Un crecimiento similar continuado crearía una ilita de 1Md. La bentonita y las illitas fibrosas tienen caras 00l casi sin rasgos con uno o más pasos de crecimiento paralelos. Los mecanismos contrastantes (crecimiento vs. nucleación) están más o menos de acuerdo con la discusión temprana sobre el origen de los politípos (8).

La microscopía electrónica de transmisión pinta una visión aparentemente algo diferente de la illita de esquisto (18), pero no está claro para mí cuánto de esa diferencia está relacionada con el método de investigación (microscopía electrónica de transmisión vs. XRD). Por ejemplo, los requisitos de coherencia son probablemente más estrictos para la DRX que para la microscopía electrónica de transmisión. El predominio del polipo 2M1 en las muestras de roca entera molida con iones (18) se debe posiblemente a la muscovita detrítica; al menos, eso es lo que sugieren los datos de K-Ar de las pizarras (más antiguas que la edad de depósito). Una mayor discusión está más allá del alcance de esta revisión, pero las cuestiones planteadas por el trabajo de microscopía electrónica de transmisión sobre la illita ofrecen interesantes direcciones para futuras investigaciones.