Illliitti sedimenttikivissä

Illliitistä ei voi puhua käsittelemättä aihetta sekakerroksinen illliitti/smektiitti (I/S), mineraali, jossa yksikkösolujen mittakaavassa olevat illliitti- ja smektiittikerrokset ovat sekaisin kuin korttipakka. Savimineralogit tyypillisesti hajottavat näytteen ja valmistavat yhden tai useamman raekokojakeen suuntautuneina aggregaatteina (10) objektilasille röntgenjauhediffraktiota (XRD) varten fokusointidiffraktometrillä. Koska hiukkaset suuntautuvat siten, että 00l on yhdensuuntainen objektilasiin nähden, vain 00l-heijastukset näkyvät datassa. Illitiitillä on sarja 00l-heijastumia, jotka perustuvat 1 nm:n jaksollisuuteen; smektiitillä, jossa on vettä kerrosten välissä, on 1,4 nm:n jaksollisuus, joka voi vaihdella kosteuden tai orgaanisilla aineilla tehdyn käsittelyn myötä. I/S:n XRD-kuviot (00l-sarja) ovat tyypillisesti epäjaksollisia (epäintegraalisia; ne eivät noudata Braggin lakia) eivätkä näytä illiitin ja smektiitin fyysiseltä sekoitukselta. Niiden tulkitaan (6 ) johtuvan yhdestä diffraktiosta, joka on peräisin kahdentyyppisistä yksikkösoluista koostuvasta rikkoutuneesta kerrosrakenteesta. On olemassa kypsä tekniikka (10) sekoittuneista savimineraaleista saatujen XRD-tietojen kvantifioimiseksi ja mallintamiseksi.

I/S on yleistä liuskeissa; itse asiassa suuri osa liuskeissa olevasta illitiitistä voi olla I/S-muodossa. I/S:n sisältämän illiitin osuus kasvaa tyypillisesti syvyyden ja lämpötilan myötä useimmissa maailman sedimenttialtaissa sekä geologisen iän myötä (6). Tämän on tulkittu (tai päätelty) viittaavan smektiitin asteittaiseen kiinteään tilaan tai kerros kerrokselta tapahtuvaan muuttumiseen illitiitiksi, jossa smektiitin alkuperäinen rakenne periytyy illittiin (11). Viime aikoina Nadeau (6, 10, 12) on ottanut käyttöön perushiukkasten ja hiukkasten välisen diffraktion kaksoiskäsitteet selittääkseen sekoittuneita savikerroksia. Tämän näkemyksen mukaan liuskeissa saostuu ohuita (2- tai 10-yksikköisiä soluja) illitiittikiteitä, kun taas smektiitti, maasälpä ja muut mineraalit liukenevat. I/S:n diffraktiovaikutukset johtuvat koherentista (00l:ssä) sironnasta ohuiden, kasvokkain olevien illitiittikiteiden välillä, joilla on hydratoitunut rajapinta ja jotka käyttäytyvät kuten smektiitti (ovat turbostratisia). Kun kiteet kasvavat paksummiksi, rajapintojen määrä vähenee, mikä näkyy XRD-tiedoissa I/S:n smektiittikomponentin vähenemisenä. Nadeaun ajatuksia tukee havainto ohuista ideomorfisista 1M-illliitin kiteistä, joissa on 1 nm:n pinnan kasvuportaita hiekkakivissä ja liuskeissa (13). I/S:n aihe on edelleen kiistanalainen, mutta tässä yhteydessä oletan, että I/S:n illiittipitoisuuden kasvu hautautumissyvyyden kasvaessa edustaa yksinkertaisesti asteittain paksumpien illiittikiteiden kasvua.

Hyödyllisen kronologisen informaation poimimiseksi illiitin K-Ar-datasta olen havainnut hyödylliseksi rakeiden koon ja iän välisen suhteen spektrien (size-age spectra) käsitteen (kuva 1a). Näyte jaetaan rutiininomaisesti kolmeen savikokojakeeseen: karkeaan (C = 0,2-2,0 μm), keskikokoiseen (M = 0,02-0,2 μm) ja hienoon (F = <0,02 μm), ja jokaiselle saadaan rutiininomainen K-Ar-ikä. Käyttämällä <2 μm:n fraktiota suljetaan yleensä pois maasälpä, jolloin ainoat K-pitoiset faasit ovat illiitti ja mikaalit. Kun nämä piirretään yksinkertaisina pylväsdiagrammeina, saadaan selville kolme tärkeintä sedimenttikivien spektrin muotoa: kalteva, tasainen ja penkkimainen. Nämä ovat tyypillisiä liuskeille, K-bentoniiteille ja hiekkakiville.

Kalteva spektri (kuva 1a) on tyypillinen liuskeille, jotka on laskeutettu siten, että detritaalisten mikamien alkuperäinen kokoväli on laaja. Yleensä C-fraktio on laskeutumisikää vanhempi, mutta tämä riippuu diageneettisen illiitin osuudesta. F-fraktio on tyypillisesti laskeutumisikää nuorempi, koska diageneettisen illiitin osuus on hallitseva. Kuten Hower et al. 35 vuotta sitten totesivat (9), näitä päivämääriä voidaan käyttää vain karkeina raja-arvoina. Kaikki fraktiot näyttävät olevan fysikaalisia sekoituksia, emmekä tiedä niiden suhteita. Vanhan ja nuoren illiitin sekoittuminen liuskeissa voi joissakin näytteissä antaa K-Ar-ikiä, jotka ovat sattumalta lähellä kerrostumisikää (9). On huomattava, että liuskeista saatuja K-Ar-tietoja ei voida tulkita menestyksekkäästi isokronimenetelmällä, koska liuskeet ovat eri aikoina muodostuneiden ainesten seoksia. Ne antavat kuitenkin usein mukavan näköisiä, lineaarisia, mutta hyödyttömiä ”mixochroneja”.

Bentoniitit (stratigrafinen määritelmä) ovat harvinainen liuskekivikerrostuman luokka, joka koostuu ilmasta pudonneesta lasimaisesta vulkaanisesta tuhkasta, joka on muuttunut smektiitiksi (3). K-bentoniitit (3) ovat sellaisia, jotka ovat myöhemmin diagenoosin kautta muuttuneet illitiitiksi tai I/S:ksi. Ne ovat erittäin arvokkaita illiittitutkimusten kannalta, koska ne eivät sisällä detritaalisia dioktaedrisiä miksejä, vaan ainoastaan diageneettistä illiittiä. K-bentoniitin koko- ja ikäspektri on tyypillisesti tasainen (kuva 1b), eli kaikilla kokojakeilla on sama K-Ar-ikä, joka on nuorempi kuin kerrostumisikä. Bentoniitit antavat suoraan keskimääräisen diageenisen iän. Jos bentoniitit olisivat yleisiä stratigrafisessa aineistossa, voisimme unohtaa yrittää saada mielekkäitä aikoja tavallisista liuskeista. Ne ovat käyttökelpoisia ajoitusongelmamme kannalta, koska niiden avulla saamme käsityksen siitä, millainen on diageenisesti puhdas diageneettinen illiitti. K-bentoniiteista on tehty lukuisia mineralogisia tutkimuksia, ja XRD osoittaa, että illiitti ja I/S ovat kokonaan 1M-polytyyppiä, jossa on kohtalainen määrä 120°:n rotaatiohäiriötä (14, 15). 2M1-muskoviittia ei koskaan esiinny diageenisena faasina sedimenttialtaiden K-bentoniiteissa. Tämä on hyvä uutinen, koska se antaa meille mahdollisen tavan erottaa ja kvantifioida diageneettiset ja detritaaliset komponentit liuskeissa.

Atomivoimamikroskopian (AFM) mukaan K-bentoniitti-illliitti-kiteet ovat vain muutaman nanometrin paksuisia (kuva 2), ja niissä vallitsevat 1 nm:n mittaiset kasvun vaiheet. Edellinen vahvistetaan 00l-heijastusten XRD-tutkimuksissa (16); jälkimmäinen vastaa niiden 1M-polytyyppiä. Poikkeuksellinen ohuus selittää todennäköisesti diageenisen illiitin runsauden liuskeiden hienojakoisissa fraktioissa.

Hiekkakivillä, joissa on liuskekivimäinen laskeumamatriisi tai runsaasti kivirakeita, on liuskekivien kaltaiset koko- ja ikäspektrit, eikä niitä käsitellä tarkemmin. Puhtaat hiekkakivet koostuvat ainoastaan hiekan kokoisista kvartsi-, maasälpä-, kiille- ym. rakeista, eikä niissä ole kerrostumissavea. Ne ovat kerrostuneet suurienergisessä ympäristössä (kuten rannalla), jossa hienoaines on siivilöity pois. Diageneesin aikana maasälpä ja muut kiviaineksen ainesosat voivat reagoida huokosnesteiden kanssa saostamalla illiittia tai muita diageneettisia savia; näin ollen näiden hiekkakivien hienoaines on yleensä enimmäkseen diageneettistä, ja enemmän kuin liuskeissa. Tyypillinen hiekkakiven koko- ja ikäspektri (kuva 3) on penkinmuotoinen, eli C-fraktio on laskeutumisikää vanhempi, kun taas M- ja F-fraktiot ovat samanikäisiä eli laskeutumisikää nuorempia. Tämä tasoittuminen hienommissa fraktioissa antaa meille mahdollisuuden päätellä, että hieno detritaalinen kiille puuttuu näistä fraktioista ja että olemme mitanneet illiitin muodostumisen keski-ikää. Valitettavasti diageenista illiittiä ei ole hiekkakivissä yhtä runsaasti kuin liuskeissa, eivätkä kaikki hiekkakivet ole puhtaita hiekkakiviä.

Huokostäytteisistä illiiteistä on tehty monia tutkimuksia, sekä mineralogisia että K-Ar-datoituksia (2, 6, 10). Runsas kirjallisuus johtuu ensisijaisesti illiitin negatiivisesta vaikutuksesta hiekkakivisten öljysäiliöiden läpäisevyyteen. Illiitit ovat tyypillisesti ideomorfisia, ja niillä on selvä kuitumainen (rima) asu (pitkä akseli on kiteinen a-akseli), mikä tekee niistä mielenkiintoisia mikroskopointikohteita (kuva 4). Niitä kutsutaan öljyteollisuudessa usein ”karvaiseksi illiitiksi”. Kiteet ovat ideomorfisia, koska ne saostuvat vapaasti nesteestä suhteellisen suuressa huokosessa. Ne ovat kaikki 1M-polytyyppisiä, ja niissä on pieni 120°:n kiertohäiriö. Kuten K-bentoniiteissa, ne ovat ohuita (2-10 nm), ja niissä on 1 nm:n kasvuportaita ja joitakin merkkejä spiraalikasvusta. Erityisen ohuista kiteistä koostuvat näytteet ovat I/S XRD:ssä. Smektiitin esiasteesta ei ole todisteita. Yksittäiset säleet voivat kasvaa yhteen 120°:n kulmassa muodostaen tähtimäisiä aggregaatteja tai kaksosia (kuva 5). Kaksoset (120°:n kierto suhteessa tyhjän oktaedrisen paikan sisältävään peilitasoon) ovat ”yleisen kiilteen kaksoslain” (8 ) mukaisia ja selittävät todennäköisesti suuren osan XRD-tiedoissa havaitusta kiertohäiriöstä.