Illite dans les roches sédimentaires

On ne peut pas parler de l’illite sans aborder le sujet de l’illite/smectite à couches mixtes (I/S), un minéral dans lequel les couches d’illite et de smectite à l’échelle de la cellule unitaire sont mélangées comme un jeu de cartes. Les minéralogistes des argiles désagrègent généralement un échantillon et préparent une ou plusieurs fractions granulométriques sous forme d’agrégats orientés (10) sur une lame pour la diffraction des rayons X sur poudre (XRD) avec un diffractomètre à focalisation. Comme les particules sont orientées avec 00l parallèle à la lame, seules les réflexions 00l apparaissent dans les données. L’illite a une série de réflexions 00l basée sur une périodicité de 1 nm ; la smectite, avec de l’eau entre les couches, a une périodicité de 1,4 nm qui peut varier avec l’humidité ou le traitement avec des produits organiques. Les diagrammes XRD (série 00l) pour I/S sont typiquement non périodiques (non intégraux ; ils n’obéissent pas à la loi de Bragg) et ne ressemblent pas à un mélange physique d’illite et de smectite. Ils sont interprétés (6) comme résultant d’une seule diffraction d’une structure de couche faillée composée de deux types de cellules unitaires. Il existe une technologie mature (10) pour quantifier et modéliser les données XRD des minéraux argileux à couches mixtes.

L’I/S est commun dans les schistes ; en effet, une grande partie de l’illite dans les schistes peut être sous forme d’I/S. Le pourcentage d’illite dans l’I/S augmente généralement avec la profondeur et la température dans la plupart des bassins sédimentaires du monde et avec l’âge géologique (6). Cela a été interprété (ou déduit) comme indiquant une transformation progressive à l’état solide ou couche par couche de la smectite en illite dans laquelle la structure initiale de la smectite est héritée par l’illite (11). Plus récemment, Nadeau (6, 10, 12) a introduit le double concept de particules fondamentales et de diffraction interparticulaire pour expliquer les argiles à couches mixtes. Dans cette optique, de fins cristaux d’illite (cellules de 2 à 10 unités) précipitent dans les schistes alors que la smectite, les feldspaths et d’autres minéraux se dissolvent. Les effets de diffraction de l’I/S résultent d’une diffusion cohérente (en 00l) parmi de minces cristaux d’illite face à face avec des interfaces hydratées qui se comportent comme la smectite (sont turbostratiques). Au fur et à mesure que les cristaux deviennent plus épais, le nombre d’interfaces diminue, ce qui se traduit dans les données XRD par une diminution de la composante smectite de l’I/S. L’observation de minces cristaux idéomorphes d’illite 1M avec des étapes de croissance de surface de 1 nm dans les grès et les schistes (13) appuie les idées de Nadeau. Le sujet de l’I/S reste controversé, mais ici je suppose que l’augmentation de la teneur en illite de l’I/S avec la profondeur d’enfouissement représente simplement la croissance de cristaux d’illite progressivement plus épais.

Pour extraire des informations chronologiques utiles de la datation K-Ar de l’illite, j’ai trouvé utile le concept de spectres de taille de grain par rapport à l’âge (spectres taille-âge) (Fig. 1a). Un échantillon est systématiquement divisé en trois fractions de taille d’argile : grossière (C = 0,2-2,0 μm), moyenne (M = 0,02-0,2 μm) et fine (F = <0,02 μm) et, pour chacune, un âge K-Ar de routine est obtenu. L’utilisation de la fraction <2-μm exclut généralement le feldspath, de sorte que les seules phases porteuses de K sont l’illite et les micas. Le tracé de ces derniers sous forme de simples graphiques à barres a révélé trois formes principales de spectres pour les roches sédimentaires : incliné, plat, et bancal. Celles-ci sont typiques des schistes, des bentonites K et des grès, respectivement.

Un spectre incliné (Fig. 1a) est typique des schistes, qui sont déposés avec une large gamme de tailles initiales de micas détritiques. Habituellement, la fraction C est plus ancienne que l’âge de dépôt, mais cela dépend de la proportion d’illite diagénétique. La fraction F est généralement plus jeune que l’âge du dépôt en raison de la dominance de l’illite diagénétique. Il est important de noter que, comme l’ont souligné il y a 35 ans Hower et al. (9), il n’y a aucune façon d’utiliser ces dates, sauf comme des limites grossières. Toutes les fractions semblent être des mélanges physiques, et nous ne connaissons pas les proportions. Le mélange d’illite ancienne et jeune dans les schistes peut, pour certains échantillons, donner des âges K-Ar fortuitement proches de l’âge du dépôt (9). Notez que les données K-Ar des schistes ne peuvent pas être interprétées avec succès en utilisant la méthode isochrone parce que les schistes sont des mélanges de choses qui se sont formées à des moments différents. Cependant, ils donnent souvent de beaux « mixochrons » linéaires, mais inutiles.

Les bentonites (définition stratigraphique) sont une classe peu commune de lit de schiste constitué de cendres volcaniques vitreuses de chute d’air altérées en smectite (3). Les bentonites K (3) sont celles qui ont subi une diagenèse ultérieure en illite ou I/S. Elles sont d’une grande valeur pour l’étude des illites car elles ne contiennent pas de micas dioctaédriques détritiques, mais seulement de l’illite diagénétique. Le spectre taille-âge d’une bentonite K est typiquement plat (Fig. 1b) ; c’est-à-dire que toutes les fractions de taille ont le même âge K-Ar, plus jeune que l’âge de dépôt. Les bentonites donnent directement l’âge diagénétique moyen. Si les bentonites étaient courantes dans les archives stratigraphiques, nous pourrions oublier d’essayer d’obtenir des âges significatifs à partir de schistes ordinaires. Elles sont utiles pour notre problème de datation car elles nous donnent une idée de ce qu’est l’illite diagénétique vierge. Les études minéralogiques des K-bentonites sont nombreuses, et la XRD montre que l’illite et l’I/S sont entièrement de polytype 1M avec des quantités modérées de désordre rotationnel à 120° (14, 15). La muscovite 2M1 n’est jamais trouvée comme phase diagénétique dans les K-bentonites des bassins sédimentaires. C’est une bonne nouvelle car cela nous donne un moyen possible de différencier et de quantifier les composants diagénétiques et détritiques dans les schistes.

La microscopie à force atomique (AFM) montre que les cristaux d’illite de K-bentonite ne sont épais que de quelques nanomètres (Fig. 2), avec une prédominance d’étapes de croissance de 1 nm. La première observation est confirmée par les études XRD des réflexions 00l (16) ; la seconde concorde avec leur polytype 1M. L’extraordinaire minceur explique probablement l’abondance d’illite diagénétique dans les fractions fines des schistes.

Les grès avec une matrice de dépôt de type schiste ou des grains lithiques abondants ont des spectres taille-âge similaires aux schistes et ne seront pas discutés plus avant. Les grès propres sont constitués uniquement de grains de quartz, de feldspaths, de mica, etc. de la taille d’un grain de sable et sont dépourvus d’argile de dépôt. Ils se sont déposés dans un environnement à haute énergie (comme une plage) dans lequel les fines sont éliminées. Au cours de la diagenèse, les feldspaths et d’autres constituants de la roche peuvent réagir avec les fluides interstitiels pour précipiter l’illite ou d’autres argiles diagénétiques ; par conséquent, les matériaux fins de ces grès ont tendance à être principalement diagénétiques, et plus que pour les schistes. Le spectre taille-âge d’un grès typique (Fig. 3) est en forme de banc, c’est-à-dire que la fraction C est plus ancienne que l’âge du dépôt, tandis que les fractions M et F ont le même âge, plus jeune que l’âge du dépôt. Cet aplatissement dans les fractions plus fines nous permet de conclure que le mica détritique fin est absent de ces fractions et que nous avons mesuré l’âge moyen de formation de l’illite. Malheureusement, l’illite diagénétique n’est pas aussi universellement abondante dans les grès qu’elle l’est dans les schistes, et tous les grès ne sont pas des grès propres.

Il existe de nombreuses études sur les illites de remplissage de pores, tant minéralogiques que de datation K-Ar (2, 6, 10). L’abondante littérature est principalement due à l’effet négatif de l’illite sur la perméabilité des réservoirs pétroliers gréseux. Les illites sont typiquement idéomorphes avec un habitus fibreux (latte) prononcé (le grand axe est l’axe a cristallographique) ce qui en fait des sujets intéressants pour la microscopie (Fig. 4). Ils sont souvent appelés « illite chevelue » dans l’industrie pétrolière. Les cristaux sont idéomorphes car ils précipitent sans contrainte à partir du fluide dans un pore relativement large. Ils sont tous de polytype 1M, avec un désordre rotationnel mineur de 120°. Comme dans les K-bentonites, ils sont minces (2-10 nm), avec des étapes de croissance de 1-nm et quelques preuves de croissance en spirale. Les échantillons composés de cristaux particulièrement minces sont I/S par XRD. Il n’y a aucune évidence pour un précurseur de smectite. Les lattes individuelles peuvent être entrecroisées à 120° pour produire des agrégats en étoile ou des jumeaux (Fig. 5). Le jumelage (une rotation de 120° par rapport au plan miroir contenant le site octaédrique vide) est après la « loi de jumelage du mica commun » (8) et explique probablement une grande partie du désordre rotationnel vu dans les données XRD.

Ce qui précède a permis d’établir que de minces cristaux d’illite diagénétique se développent dans les roches sédimentaires et qu’ils présentent des caractéristiques minéralogiques distinctes, comme les effets I/S par XRD et le polytype 1M, qui les distinguent de la muscovite 2M1. Une grande partie de notre connaissance des polytypes désordonnés de l’illite et de l’I/S provient de l’utilisation des programmes newmod (10) et wildfire (14), qui permettent de calculer facilement les diagrammes complets de XRD sur poudre des minéraux argileux. Ces programmes constituent la base du « démixage » des mélanges dont nous avons discuté. En faisant correspondre les données calculées aux données expérimentales sur les polytypes et le désordre dans l’illite, certaines généralisations sont apparues. Les bentonites et les illites fibreuses (grès) sont similaires à bien des égards (1M avec un désordre rotationnel d’environ 120°) mais diffèrent en ce que la forme cis-vacante (15, 17) est plus commune dans les bentonites et la forme trans-vacante (la structure 1M traditionnelle) est plus typique des fibres .

Les schistes sont différents en ce que la plupart des illites de schistes (à l’exclusion du composant 2M1) présentent un désordre rotationnel presque maximal, incluant à la fois des rotations de 120° et 60° (14) et sont donc du polytype 1Md (8). Cela signifie que chaque couche successive de 1 nm n’est pas liée à la couche qui lui est inférieure, sauf que les anneaux hexagonaux d’oxygène s’alignent pour s’adapter à K. Sur la base des observations morphologiques AFM, les illites de bentonite et de grès croissent principalement par des mécanismes en spirale ou en escalier, tandis que les illites de schiste croissent par nucléation (naissance et étalement). Les illites dans les schistes (Fig. 6) montrent de nombreux petits noyaux de 1-nm d’épaisseur sur le 00l d’un substrat plus grand qui peut être du mica détritique. Ceux-ci semblent être des croissances épitaxiales placées au hasard. Une croissance similaire continue créerait une illite 1Md. La bentonite et les illites fibreuses ont des faces 00l presque sans caractéristiques avec une ou plusieurs étapes de croissance parallèles. Les mécanismes contrastés (croissance vs nucléation) sont à peu près en accord avec les premières discussions sur l’origine des polytypes (8).

La microscopie électronique à transmission peint une vue apparemment quelque peu différente de l’illite de schiste (18), mais il n’est pas clair pour moi combien de cette différence est liée à la méthode d’investigation (microscopie électronique à transmission vs XRD). Par exemple, les exigences en matière de cohérence sont probablement plus strictes pour la XRD que pour la microscopie électronique à transmission. La prédominance du polytype 2M1 dans les échantillons de roche entière broyés par ionisation (18) est peut-être due à la muscovite détritique ; c’est du moins ce que suggèrent les données K-Ar des schistes (plus anciens que l’âge du dépôt). Une discussion plus approfondie dépasse le cadre de cette revue, mais les questions soulevées par les travaux de microscopie électronique à transmission sur l’illite offrent des directions passionnantes pour les recherches futures.