Illite em Rochas Sedimentares

Não se pode discutir ilite sem tocar no assunto de ilite de camada mista/smectite (I/S), um mineral em que camadas de célula unitárias de ilite e smectite são embaralhadas como um baralho de cartas. Os mineralogistas de argila tipicamente desagregam uma amostra e preparam uma ou mais frações granulométricas como agregados orientados (10) em uma lâmina para difração de pó de raios X (DRX) com um difratômetro de foco. Como as partículas orientam com 00l paralelamente à lâmina, apenas os reflexos de 00l aparecem nos dados. Illite tem uma série de reflexos de 00l baseados em uma periodicidade de 1nm; smectite, com água entre camadas, tem uma periodicidade de 1,4nm que pode variar com a umidade ou tratamento com orgânicos. Os padrões XRD (série 00l) para I/S são tipicamente não periódicos (não integrais; não obedecem à Lei de Bragg) e não parecem uma mistura física de illite e esmectita. Eles são interpretados (6) para resultar de uma única difração de uma estrutura de camada defeituosa composta de dois tipos de células unitárias. Existe uma tecnologia madura (10) para quantificar e modelar dados de DRX de minerais de argila de camada mista.

I/S é comum em xistos; de fato, grande parte da illite em xistos pode estar na forma de I/S. A percentagem de illite em I/S tipicamente aumenta com a profundidade e temperatura na maioria das bacias sedimentares do mundo e com a idade geológica (6). Isto tem sido interpretado (ou inferido) para indicar um estado sólido progressivo ou transformação camada por camada da esmectita em ilite na qual a estrutura inicial da esmectita é herdada pela ilite (11). Mais recentemente, Nadeau (6, 10, 12) introduziu os conceitos duplos de partículas fundamentais e difração interpartículas para explicar as argilas de camada mista. Nesta visão, cristais finos (células de 2 a 10 unidades) de illite precipitam-se em xistos enquanto a esmectita, feldspatos e outros minerais dissolvem-se. Os efeitos de difração do I/S resultam da dispersão coerente (em 00l) entre cristais finos de illite face-a-face com interfaces hidratadas que se comportam como esmectita (são turboestáticas). À medida que os cristais se espessam, o número de interfaces diminui, o que é visto nos dados do XRD como uma diminuição do componente esmectita do I/S. A observação de cristais ideomórficos finos de illite 1M com passos de crescimento superficial de 1nm em arenitos e xistos (13) suporta as idéias de Nadeau. O assunto de I/S permanece controverso, mas aqui eu assumo que o aumento do conteúdo de illite de I/S com profundidade de enterramento simplesmente representa o crescimento de cristais de illite progressivamente mais espessos.

Para extrair informações cronológicas úteis da datação K-Ar da illite, eu achei útil o conceito de espectros de tamanho de grão vs. espectros de idade (size-age spectra) (Fig. 1a). Uma amostra é rotineiramente dividida em três frações de tamanho de argila: grossa (C = 0,2-2,0 μm), média (M = 0,02-0,2 μm), e fina (F = <0,02 μm), e, para cada uma delas, é obtida uma rotina de idade K-Ar. Usando a fração <2-μm geralmente exclui o feldspato, de modo que as únicas fases que suportam K são illite e micas. A plotagem destes como gráficos de barras simples revelou três grandes formas de espectros para rochas sedimentares: inclinado, plano e bancado. Estes são típicos dos xistos, K-bentonitos e arenitos, respectivamente.

Um espectro inclinado (Fig. 1a) é típico para os xistos, que são depositados com uma ampla faixa de tamanho inicial de micas detríticas. Normalmente a fração C é mais velha que a idade de depósito, mas isso depende da proporção de ilite diagenética. A fracção F é tipicamente mais nova do que a idade deposicional devido ao predomínio da ilite diagenética. É importante ressaltar que, como apontado há 35 anos por Hower et al. (9), não há como usar essas datas, exceto como limites brutos. Todas as frações parecem ser misturas físicas, e não sabemos as proporções. A mistura de illite velha e jovem em xistos pode, para algumas amostras, dar idade K-Ar fortuitamente próxima da idade deposicional (9). Note que os dados de K-Ar dos xistos não podem ser interpretados com sucesso usando o método isochron porque os xistos são misturas de coisas que se formaram em momentos diferentes. Eles dão, no entanto, muitas vezes uma aparência agradável, linear, mas inútil, “mixochrons”

Bentonites (definição estratigráfica) são uma classe incomum de leito de xisto consistindo de cinzas vulcânicas vítreas de queda de ar alteradas para esmectita (3). K-bentonitas (3) são aquelas que sofreram diagênese subseqüente à illite ou I/S. São de grande valor para estudos de illite porque não contêm micas dioctaédricas detríticas, apenas illite diagenetica. O espectro da idade de um K-bentonita é tipicamente plano (Fig. 1b); ou seja, todas as fracções de tamanho têm a mesma idade de K-Ar, mais nova do que a idade deposicional. As bentonitas dão diretamente a média da idade diagenética. Se as bentonitas fossem comuns no registro estratigráfico, poderíamos esquecer a tentativa de obter idades significativas a partir de xistos comuns. Eles são úteis para o nosso problema de namoro porque nos dão uma idéia de como é a ilite diagenética imaculada. Os estudos mineralógicos de K-bentonites são numerosos, e o XRD mostra a illite e I/S a ser inteiramente 1M politílotipo com quantidades moderadas de 120° de distúrbio rotacional (14, 15). A moscovite 2M1 nunca é encontrada como fase diagenética em K-bentonitas de bacias sedimentares. Esta é uma boa notícia porque nos dá uma maneira possível de diferenciar e quantificar os componentes diagenéticos e detríticos em xistos.

Microscopia de força atômica (AFM) mostra os cristais de illite K-bentonita como sendo apenas alguns nanômetros de espessura (Fig. 2), com predominância de etapas de crescimento de 1nm. O primeiro é confirmado pelos estudos de DRX das reflexões de 00l (16); o segundo concorda com o seu politipo de 1M. A extraordinária espessura explica provavelmente a abundância da illite diagenética nas frações finas dos xistos.

Pedras com uma matriz deposicional parecida com xisto ou grãos líticos abundantes têm espectros de tamanho semelhante a xistos e não serão discutidos mais. Os arenitos limpos consistem apenas em grãos do tamanho de areia de quartzo, feldspatos, mica, etc., e carecem de argila deposicional. Eles são depositados em um ambiente de alta energia (como uma praia), no qual as finas são levadas pelo vento. Durante a diagênese, os feldspatos e outros constituintes rochosos podem reagir com fluidos porosos para precipitar illite ou outras argilas diagenéticas; por isso, o material fino nestes arenitos tende a ser principalmente diagenético, e mais do que para os xistos. Um espectro típico da idade do arenito (Fig. 3) tem a forma de bancada; isto é, a fracção C é mais velha do que a idade deposicional enquanto que as fracções M e F têm a mesma idade, mais nova do que a idade deposicional. Este achatamento nas fracções mais finas permite-nos concluir que a mica fina detrital está ausente nestas fracções e que medimos a idade média de formação da illite. Infelizmente, a illite diagenética não é tão universalmente abundante nos arenitos como nos xistos, e nem todos os arenitos são arenitos limpos.

Há muitos estudos de ilites de preenchimento de poros, tanto mineralógicos como de datação K-Ar (2, 6, 10). A literatura abundante é principalmente devido ao efeito negativo que a illite tem na permeabilidade dos reservatórios de petróleo de arenito. Os ilites são tipicamente ideomórficos com um hábito fibroso (ripado) pronunciado (eixo longo é eixo cristalográfico) tornando-os sujeitos interessantes para microscopia (Fig. 4). Eles são frequentemente chamados de “ilites peludos” na indústria do petróleo. Os cristais são ideomórficos porque precipitam sem constrangimentos do fluido em um poro relativamente grande. São todos do tipo 1M, com um pequeno distúrbio de rotação de 120°. Como em K-bentonitas, são finos (2-10 nm), com passos de crescimento de 1nm e algumas evidências de crescimento em espiral. As amostras compostas de cristais especialmente finos são I/S por DRX. Não há evidências de um precursor esmectita. As ripas individuais podem ser intercaladas a 120° para produzir agregados tipo estrela ou gêmeos (Fig. 5). A geminação (uma rotação de 120° em relação ao plano espelhado que contém o sítio octaédrico vazio) é posterior à “lei comum da mica gêmea” (8) e provavelmente é responsável por grande parte do distúrbio de rotação visto nos dados do DRX.

O precedente estabeleceu que cristais finos de illite diagenética crescem em rochas sedimentares e que possuem características mineralógicas distintas, como efeitos I/S XRD e 1M polifisos, que os distinguem do moscovite 2M1. Muito do nosso conhecimento dos politipos de illite desordenados e I/S vem do uso dos programas newmod (10) e wildfire (14), que permitem o cálculo fácil dos padrões completos de pó XRD de minerais argilosos. Estes programas formam a base para “unmixar” as misturas que temos vindo a discutir. No processo de correspondência calculado com dados experimentais sobre os politipos e desordens na ilite, algumas generalizações surgiram. Bentonitas e ilites fibrosas (arenito) são semelhantes em muitos aspectos (1M com cerca de 120° de desordem rotacional), mas diferem em que a forma cis-vacant (15, 17) é mais comum nas bentonitas e a forma trans-vacant (a estrutura tradicional 1M) é mais típica das fibras .

Os xistos são diferentes na medida em que a maioria dos xistos (excluindo o componente 2M1) apresentam uma desordem rotacional quase máxima, incluindo as rotações de 120° e 60° (14) e são, portanto, o politipo 1Md (8). Isto significa que cada camada sucessiva de 1-nm não está relacionada com a camada abaixo dela, exceto que os anéis hexagonais de oxigênio se alinham para acomodar K. Com base nas observações morfológicas do AFM, bentonita e ilites de arenito crescem principalmente por mecanismos em espiral ou em degrau, enquanto os ilites de xisto crescem por nucleação (nascimento e disseminação). Os ilites de xisto (Fig. 6) mostram muitos núcleos pequenos de 1nm de espessura no 00l de um substrato maior que pode ser mica detrital. Estes parecem ser epitaxiais colocados aleatoriamente. Um crescimento semelhante contínuo criaria uma illite de 1Md. A bentonita e as ilites fibrosas têm quase 00l de faces sem características com um ou mais passos de crescimento paralelo. Os mecanismos contrastantes (crescimento vs. nucleação) estão aproximadamente de acordo com a discussão inicial sobre a origem dos politipos (8).

Microscopia eletrônica de transmissão pinta uma visão aparentemente um pouco diferente da illite de xisto (18), mas não está claro para mim o quanto dessa diferença está relacionada ao método de investigação (microscopia eletrônica de transmissão vs. DRX). Por exemplo, os requisitos de coerência são provavelmente mais rigorosos para a DRX do que para a microscopia eletrônica de transmissão. A predominância de 2M1 polifenilos em amostras de rochas inteiras fresadas com íons (18) é possivelmente devida à moscovite detrital; pelo menos é isso que os dados de xisto K-Ar (mais velhos que a idade deposicional) sugerem. Mais discussão está além do escopo desta revisão, mas as questões levantadas pelo trabalho de microscopia eletrônica de transmissão sobre illite oferecem direções estimulantes para pesquisas futuras.