Illit az üledékes kőzetekben

Az illitről nem beszélhetünk anélkül, hogy ne érintenénk a vegyes rétegű illit/szmektit (I/S) témáját, amely ásványban az illit és a szmektit egységsejt méretű rétegei úgy keverednek, mint egy kártyapakli. Az agyagmineralógusok általában szétbontanak egy mintát, és egy vagy több szemcseméretű frakciót orientált aggregátumként (10) preparálnak egy tárgylemezen a röntgenpor-diffrakcióhoz (XRD) fókuszáló diffraktométerrel. Mivel a részecskék a tárgylemezzel párhuzamos 00l irányban orientálódnak, csak a 00l visszaverődések jelennek meg az adatokban. Az illitnek 1 nm-es periodicitáson alapuló 00l visszaverődések sorozata van; a rétegközi vízzel rendelkező szmektitnek 1,4 nm-es periodicitása van, amely a páratartalomtól vagy a szerves anyagokkal való kezeléstől függően változhat. Az I/S XRD-minták (00l-sorozat) jellemzően nem periódusosak (nem integrálisak; nem engedelmeskednek a Bragg-törvénynek), és nem illit és szmektit fizikai keverékére hasonlítanak. Ezeket úgy értelmezik (6 ), hogy egy kétféle egységcellából álló hibás rétegszerkezet egyetlen diffrakciójából származnak. A vegyes rétegű agyagásványok XRD-adatainak számszerűsítésére és modellezésére létezik egy kiforrott technológia (10).

Az I/S gyakori a palákban; sőt, a palákban lévő illit nagy része I/S formájában lehet. A világ legtöbb üledékes medencéjében az illit aránya az I/S-ben jellemzően a mélységgel és a hőmérséklettel, valamint a geológiai korral növekszik (6). Ezt úgy értelmezték (vagy arra következtettek), hogy a szmektitnek illitté történő fokozatos szilárd állapotú vagy rétegenkénti átalakulására utal, amelyben a szmektit kezdeti szerkezetét az illit örökli (11). Nemrégiben Nadeau (6, 10, 12) bevezette az alaprészecskék és a részecskék közötti diffrakció kettős fogalmát a vegyes rétegű agyagok magyarázatára. E felfogás szerint a vékony (2-10 egységnyi cellákból álló) illitkristályok kicsapódnak a palában, míg a szmektit, a földpátok és más ásványok kioldódnak. Az I/S diffrakciós hatásai a szmektithez hasonlóan viselkedő (turbostratikus), hidratált határfelülettel rendelkező vékony illitkristályok közötti koherens (00l-ben) szórásból erednek. Ahogy a kristályok vastagodnak, a határfelületek száma csökken, ami az XRD-adatokban az I/S szmektitkomponensének csökkenéseként jelenik meg. Az 1M illit vékony ideomorf kristályainak megfigyelése 1 nm-es felületi növekedési lépésekkel homokkövekben és palákban (13) alátámasztja Nadeau elképzeléseit. Az I/S témája továbbra is ellentmondásos, de itt azt feltételezem, hogy az I/S illittartalmának növekedése a temetési mélységgel egyszerűen a fokozatosan vastagabb illitkristályok növekedését jelenti.

Az illit K-Ar kormeghatározásából hasznos kronológiai információk kinyeréséhez hasznosnak találtam a szemcseméret kontra kor spektrumok (méret-kor spektrumok) fogalmát (1a. ábra). Egy mintát rutinszerűen három agyagméret-frakcióra osztunk: durva (C = 0,2-2,0 μm), közepes (M = 0,02-0,2 μm) és finom (F = <0,02 μm), és mindegyikre rutinszerűen K-Ar kort kapunk. A <2 μm-es frakció használata általában kizárja a földpátot, így az egyetlen K-tartalmú fázisok az illit és a micák. Ezek egyszerű oszlopdiagramok formájában történő ábrázolása az üledékes kőzetek három fő spektrumformáját tárta fel: ferde, lapos és padkás. Ezek jellemzőek a palákra, a K-bentonitokra, illetve a homokkövekre.

A ferde spektrum (1a. ábra) jellemző a palákra, amelyek a detritális mikrák széles kezdeti mérettartományával rakódtak le. Általában a C-frakció idősebb, mint a lerakódási kor, de ez függ a diagenetikus illit arányától. Az F-frakció a diagenetikus illit dominanciája miatt jellemzően fiatalabb a lerakódási kornál. Fontos, hogy amint arra 35 évvel ezelőtt Hower és társai (9) rámutattak, ezeket a dátumokat csak durva határértékként lehet használni. Úgy tűnik, hogy minden frakció fizikai keverék, és nem ismerjük az arányokat. Az öreg és fiatal illit keveréke a palában egyes minták esetében K-Ar korokat adhat, amelyek szerencsésen közel állnak a lerakódási korhoz (9). Megjegyzendő, hogy a palákból származó K-Ar adatok nem értelmezhetők sikeresen az izokron módszerrel, mivel a palák különböző időpontokban keletkezett dolgok keverékei. Gyakran adnak azonban szépen kinéző, lineáris, de haszontalan “mixochronokat”.”

A bentonitok (rétegtani meghatározás) a léghullásból származó, szmektitté módosult üveges vulkáni hamuból álló, nem gyakori pala rétegosztály (3). A K-bentonitok (3) olyanok, amelyek utólagos diagenezisen mentek keresztül illitté vagy I/S-zé. Ezek nagy értéket képviselnek az illit tanulmányozása szempontjából, mivel nem tartalmaznak detritális dioktaéderes mikrákat, csak diagenetikus illitet. A K-bentonit méret-kor spektruma jellemzően lapos (1b. ábra); azaz minden méretfrakciónak ugyanaz a K-Ar kora, fiatalabb, mint a lerakódási kor. A bentonitok közvetlenül adják meg az átlagos diagenetikus kort. Ha a bentonitok gyakoriak lennének a sztratigráfiai feljegyzésekben, elfelejthetnénk, hogy a közönséges palákból értelmes korokat próbáljunk meghatározni. A kormeghatározási problémánk szempontjából azért hasznosak, mert képet adnak arról, hogy milyen az érintetlen diagenetikus illit. A K-bentonitokról számos ásványtani tanulmány készült, és az XRD szerint az illit és az I/S teljes egészében 1M polytípusú, mérsékelt mennyiségű 120°-os forgási rendezetlenséggel (14, 15). A 2M1 muszkovit soha nem fordul elő diagenetikus fázisként az üledékes medencék K-bentonitjaiban. Ez jó hír, mert lehetőséget ad a diagenetikus és detritális komponensek megkülönböztetésére és számszerűsítésére a palákban.

Az atomerő-mikroszkópia (AFM) azt mutatja, hogy a K-bentonit illitkristályok csak néhány nanométer vastagok (2. ábra), és túlsúlyban vannak az 1 nm-es növekedési lépések. Az előbbit megerősítik a 00l reflexiók XRD-vizsgálatai (16); az utóbbi megegyezik az 1M polytípusukkal. A rendkívüli vékonyság valószínűleg megmagyarázza a diagenetikus illit bőségét a pala finom frakcióiban.

A palaszerű lerakódási mátrixú vagy bőséges kőzetszemcsékkel rendelkező homokkövek méret-életkor spektruma hasonló a palákéhoz, ezért a továbbiakban nem tárgyaljuk őket. A tiszta homokkövek csak homokméretű kvarc-, földpát-, csillám- stb. szemcsékből állnak, és nincs bennük lerakódási agyag. Nagy energiájú környezetben (pl. tengerparton) rakódtak le, ahol a finomszemcsék kiszűrődtek. A diagenezis során a földpátok és más kőzetalkotók reakcióba léphetnek a pórusfolyadékokkal, hogy illit vagy más diagenetikus agyagok kiváljanak; ezért ezekben a homokkövekben a finom anyag általában többnyire diagenetikus, még inkább, mint a palák esetében. Egy tipikus homokkő méret-kor spektrum (3. ábra) pad alakú; azaz a C frakció idősebb a lerakódási kornál, míg az M és F frakciók azonos korúak, fiatalabbak a lerakódási kornál. Ez az ellaposodás a finomabb frakciókban arra enged következtetni, hogy ezekben a frakciókban nincs finom detritális csillám, és hogy az illitképződés átlagos korát mértük. Sajnos a diagenetikus illit nem olyan általános mennyiségben fordul elő a homokkövekben, mint a palákban, és nem minden homokkő tiszta homokkő.

A pórustöltő illitekkel kapcsolatban számos tanulmány született, mind ásványtani, mind K-Ar kormeghatározási szempontból (2, 6, 10). A bőséges irodalom elsősorban az illitnek a homokkő kőolaj-tározók permeabilitására gyakorolt negatív hatásának köszönhető. Az illitek jellemzően ideomorfikusak, kifejezett szálas (léces) habitussal (a hosszú tengely a kristályrajzi a tengely), ami a mikroszkópia számára érdekes témává teszi őket (4. ábra). A kőolajiparban gyakran “szőrös illitnek” nevezik őket. A kristályok ideomorfak, mert viszonylag nagy pórusban lévő folyadékból korlátlanul csapódnak ki. Mindegyik 1M polytípusú, kisebb, 120°-os forgási rendellenességgel. A K-bentonitokhoz hasonlóan vékonyak (2-10 nm), 1 nm-es növekedési lépésekkel és némi spirális növekedésre utaló jelekkel. A különösen vékony kristályokból álló minták XRD-vel I/S-ek. Nincs bizonyíték szmektit prekurzorra. Az egyes lécek 120°-on egymásba nőhetnek, így csillagszerű aggregátumok vagy ikrek keletkeznek (5. ábra). Az ikerképződés (az üres oktaéderes helyet tartalmazó tükörsíkhoz viszonyított 120°-os elfordulás) a “közönséges csillám ikertörvény” (8) szerint történik, és valószínűleg az XRD-adatokban látható forgási rendezetlenség nagy részét magyarázza.

Az előzőekben megállapítottuk, hogy vékony diagenetikus illitkristályok nőnek az üledékes kőzetekben, és hogy ezek határozott ásványtani jellemzőkkel rendelkeznek, mint például az I/S XRD hatások és az 1M polytípus, amelyek megkülönböztetik őket a 2M1 muszkovittól. A rendezetlen illit-politípusokra és az I/S-re vonatkozó ismereteink nagy része a newmod (10) és a wildfire (14) programok használatából származik, amelyek lehetővé teszik az agyagásványok teljes por-XRD-mintázatának egyszerű kiszámítását. Ezek a programok képezik az alapját az általunk tárgyalt keverékek “kikeverésének”. A számított és a kísérleti adatok összevetése során az illit polytípusaira és rendezetlenségére vonatkozóan néhány általánosítás született. A bentonitok és a szálas (homokkő) illitek sok tekintetben hasonlóak (1M, mintegy 120°-os forgási rendezetlenséggel), de abban különböznek, hogy a cisz-üres forma (15, 17) gyakoribb a bentonitokban, a transz-üres forma (a hagyományos 1M szerkezet) pedig inkább a szálakra jellemző.

A palák abban különböznek, hogy a legtöbb palaillit (a 2M1 komponens kivételével) közel maximális forgási rendezetlenséget mutat, beleértve a 120°-os és a 60°-os forgásokat is (14), és ezért az 1Md polytípusba tartoznak (8). Ez azt jelenti, hogy minden egyes egymást követő 1 nm-es rétegnek nincs köze az alatta lévő réteghez, kivéve, hogy a hexagonális oxigéngyűrűk a K. befogadásához igazodnak. Az AFM morfológiai megfigyelések alapján a bentonit és a homokkő illitek elsősorban spirális vagy lépcsőzetes mechanizmusokkal nőnek, míg a pala illitek nukleációval (születés és terjedés) nőnek. A pala illitekben (6. ábra) sok apró, 1 nm vastagságú magot láthatunk egy nagyobb szubsztrátum 00l-jén, amely lehet detritális csillám. Ezek véletlenszerűen elhelyezkedő epitaxiális növekedéseknek tűnnek. Hasonló növekedés folytatása 1Md illitet hozna létre. A bentonitnak és a szálas illiteknek szinte jellegtelen 00l felületük van, egy vagy több párhuzamos növekedési lépcsővel. Az ellentétes mechanizmusok (növekedés vs. magképződés) nagyjából összhangban vannak a polittípusok eredetéről szóló korai vitával (8).

A transzmissziós elektronmikroszkópia látszólag némileg más képet fest a pala illitről (18), de számomra nem világos, hogy ez a különbség mennyiben függ össze a vizsgálati módszerrel (transzmissziós elektronmikroszkópia vs. XRD). Például a koherenciára vonatkozó követelmények valószínűleg szigorúbbak az XRD esetében, mint a transzmissziós elektronmikroszkópia esetében. A 2M1 polytípus túlsúlya az ioncsiszolt egész kőzetmintákban (18) valószínűleg a detritális muszkovitnak köszönhető; legalábbis erre utalnak a pala K-Ar adatai (amelyek idősebbek a lerakódási kornál). A további vita meghaladja ennek az áttekintésnek a kereteit, de az illitre vonatkozó transzmissziós elektronmikroszkópos munka által felvetett kérdések izgalmas irányokat kínálnak a jövőbeli kutatások számára.