L’illite nelle rocce sedimentarie
Non si può parlare di illite senza toccare l’argomento dell’illite/smectite a strati misti (I/S), un minerale in cui gli strati di illite e smectite su scala cellulare sono mescolati come un mazzo di carte. I mineralogisti dell’argilla in genere disaggregano un campione e preparano una o più frazioni granulometriche come aggregati orientati (10) su un vetrino per la diffrazione di polvere a raggi X (XRD) con un diffrattometro a focalizzazione. Poiché le particelle si orientano con 00l parallelamente al vetrino, solo le riflessioni 00l appaiono nei dati. L’illite ha una serie di riflessioni 00l basata su una periodicità di 1 nm; la smectite, con acqua interstrato, ha una periodicità di 1,4 nm che può variare con l’umidità o il trattamento con sostanze organiche. I modelli XRD (serie 00l) per I/S sono tipicamente non periodici (non integrali; non obbediscono alla legge di Bragg) e non sembrano una miscela fisica di illite e smectite. Sono interpretati (6) come il risultato di una singola diffrazione da una struttura di strato difettosa composta da due tipi di cellule unitarie. Esiste una tecnologia matura (10) per quantificare e modellare i dati XRD da minerali argillosi a strato misto.
I/S è comune negli scisti; infatti, gran parte dell’illite negli scisti può essere sotto forma di I/S. La percentuale di illite in I/S aumenta tipicamente con la profondità e la temperatura nella maggior parte dei bacini sedimentari del mondo e con l’età geologica (6). Questo è stato interpretato (o dedotto) per indicare una progressiva trasformazione allo stato solido o strato per strato della smectite in illite in cui la struttura iniziale della smectite viene ereditata dall’illite (11). Più recentemente, Nadeau (6, 10, 12) ha introdotto il doppio concetto di particelle fondamentali e di diffrazione interparticellare per spiegare le argille a strato misto. In questa visione, cristalli sottili (da 2 a 10 unità) di illite precipitano negli scisti mentre smectite, feldspati e altri minerali si dissolvono. Gli effetti di diffrazione di I/S risultano dalla dispersione coerente (in 00l) tra i sottili cristalli di illite faccia a faccia con interfacce idratate che si comportano come la smectite (sono turbostratici). Man mano che i cristalli diventano più spessi, il numero di interfacce diminuisce, il che è visto nei dati XRD come una diminuzione della componente smectite di I/S. L’osservazione di sottili cristalli ideomorfi di illite 1M con passi di crescita superficiale di 1 nm in arenarie e scisti (13) supporta le idee di Nadeau. L’argomento dell’I/S rimane controverso, ma qui assumo che l’aumento del contenuto di illite dell’I/S con la profondità di sepoltura rappresenti semplicemente la crescita di cristalli di illite progressivamente più spessi.
Per estrarre informazioni cronologiche utili dalla datazione K-Ar dell’illite, ho trovato utile il concetto di granulometria rispetto agli spettri di età (spettri dimensione-età) (Fig. 1a). Un campione viene abitualmente diviso in tre frazioni di argilla: grossolana (C = 0,2-2,0 μm), media (M = 0,02-0,2 μm) e fine (F = <0,02 μm) e, per ciascuna, si ottiene un’età K-Ar ordinaria. Usando la frazione <2-μm generalmente si esclude il feldspato, in modo che le uniche fasi contenenti K sono illite e micas. Tracciare questi come semplici grafici a barre ha rivelato tre forme principali di spettri per le rocce sedimentarie: inclinato, piatto e con panca. Queste sono tipiche degli scisti, delle bentoniti K e delle arenarie, rispettivamente.
(a) Spettro dimensione-età per gli scisti. Il campione è diviso in tre frazioni di argilla: grossolana (C = 0.2-2.0 μm), media (M = 0.02-0.2 μm) e fine (F = <0.02 μm). Uno spettro inclinato è tipico degli scisti, che sono depositati con un’ampia gamma di dimensioni iniziali di micas detritici. Di solito, la frazione C è più vecchia dell’età deposizionale, ma questo dipende dalla proporzione di mica detritica. La frazione F è tipicamente più giovane dell’età deposizionale a causa della dominanza dell’illite diagenetica. (b) Lo spettro dimensione-età per una bentonite K è piatto; cioè, tutte le frazioni dimensionali hanno la stessa età K-Ar, più giovane dell’età deposizionale. Le bentoniti danno l’età diagenetica direttamente perché non contengono illite detritica.
Uno spettro inclinato (Fig. 1a) è tipico degli scisti, che sono depositati con un’ampia gamma dimensionale iniziale di micas detritici. Di solito la frazione C è più vecchia dell’età deposizionale, ma questo dipende dalla proporzione di illite diagenetica. La frazione F è tipicamente più giovane dell’età deposizionale a causa della dominanza di illite diagenetica. Importante, come sottolineato 35 anni fa da Hower et al. (9), non c’è modo di usare queste date, se non come limiti grezzi. Tutte le frazioni sembrano essere miscele fisiche e non conosciamo le proporzioni. La miscela di illite vecchia e giovane negli scisti può per alcuni campioni dare età K-Ar fortuitamente vicine all’età deposizionale (9). Si noti che i dati K-Ar dagli scisti non possono essere interpretati con successo usando il metodo isocrono perché gli scisti sono miscele di cose che si sono formate in tempi diversi. Essi, tuttavia, danno spesso dei “mixocroni” dall’aspetto gradevole, lineari, ma inutili.”
Le bentoniti (definizione stratigrafica) sono una classe non comune di scisti che consiste in cenere vulcanica vetrosa caduta dall’aria e alterata in smectite (3). Le bentoniti K (3) sono quelle che hanno subito una successiva diagenesi a illite o I/S. Sono di grande valore per gli studi sull’illite perché non contengono micas detritici dioctaedrici, ma solo illite diagenetica. Lo spettro dimensione-età di una bentonite K è tipicamente piatto (Fig. 1b); cioè, tutte le frazioni dimensionali hanno la stessa età K-Ar, più giovane dell’età deposizionale. Le bentoniti danno direttamente l’età diagenetica media. Se le bentoniti fossero comuni nel record stratigrafico, potremmo dimenticare di cercare di ottenere età significative dagli scisti ordinari. Sono utili per il nostro problema di datazione perché ci danno un’idea di come sia l’illite diagenetica incontaminata. Gli studi mineralogici sulle bentoniti K sono numerosi, e la XRD mostra che l’illite e l’I/S sono interamente di tipo 1M con quantità moderate di disordine rotazionale a 120° (14, 15). La muscovite 2M1 non si trova mai come fase diagenetica nelle K-bentoniti dei bacini sedimentari. Questa è una buona notizia perché ci dà un possibile modo per differenziare e quantificare i componenti diagenetici e detritici negli scisti.
La microscopia a forza atomica (AFM) mostra che i cristalli di illite K-bentonite sono spessi solo pochi nanometri (Fig. 2), con una predominanza di passi di crescita di 1 nm. Il primo è confermato dagli studi XRD delle riflessioni 00l (16); il secondo concorda con il loro politipo 1M. La straordinaria sottigliezza spiega probabilmente l’abbondanza di illite diagenetica nelle frazioni fini degli scisti.
Immagine di deflessione AFM dei cristalli di illite della bentonite K di Tioga. La scala è in nanometri. I singoli passi di crescita sono alti 1 nm; il cristallo più grande ha uno spessore di 7 nm. L’immagine è stata fatta in aria, in modalità contatto, su un Digital Instruments (Santa Barbara, CA) MultiMode Nannoscope IIIa.
Le arenarie con una matrice deposizionale simile agli scisti o con abbondanti grani litici hanno spettri di dimensioni ed età simili agli scisti e non saranno discussi ulteriormente. Le arenarie pulite consistono solo in grani di sabbia di quarzo, feldspati, mica, ecc. e mancano di argilla deposizionale. Sono depositate in un ambiente ad alta energia (come una spiaggia) in cui i fini sono spazzati via. Durante la diagenesi, i feldspati e altri costituenti della roccia possono reagire con i fluidi dei pori per precipitare illite o altre argille diagenetiche; quindi, il materiale fine in queste arenarie tende ad essere principalmente diagenetico, e più che negli scisti. Un tipico spettro dimensione-età delle arenarie (Fig. 3) è a forma di panchina; cioè, la frazione C è più vecchia dell’età deposizionale mentre le frazioni M e F hanno la stessa età, più giovane dell’età deposizionale. Questo appiattimento nelle frazioni più fini ci permette di concludere che la mica detritica fine è assente in queste frazioni e che abbiamo misurato l’età media di formazione dell’illite. Sfortunatamente, l’illite diagenetica non è così universalmente abbondante nelle arenarie come negli scisti, e non tutte le arenarie sono arenarie pulite.
Spettro dimensione-età dell’arenaria. Lo spettro è tipicamente a forma di banco; cioè, la frazione C è più vecchia dell’età deposizionale mentre le frazioni M e F hanno la stessa età, più giovane dell’età deposizionale. L’appiattimento nelle frazioni più fini indica che la mica detritica fine è assente in queste frazioni e che abbiamo misurato l’età media di formazione dell’illite. I simboli sono gli stessi della Fig. 1.
Ci sono molti studi sulle illiti di riempimento dei pori, sia mineralogici che di datazione K-Ar (2, 6, 10). L’abbondante letteratura è dovuta principalmente all’effetto negativo che l’illite ha sulla permeabilità dei serbatoi petroliferi di arenaria. Le illiti sono tipicamente ideomorfe con una pronunciata abitudine fibrosa (listello) (l’asse lungo è l’asse a cristallografico) che le rende soggetti interessanti per la microscopia (Fig. 4). Sono spesso chiamati “illite pelosa” nell’industria petrolifera. I cristalli sono ideomorfi perché precipitano senza vincoli dal fluido in un poro relativamente grande. Sono tutti di tipo 1M, con un disordine rotazionale minore di 120°. Come nelle bentoniti K, sono sottili (2-10 nm), con passi di crescita di 1 nm e alcune prove di crescita a spirale. I campioni composti da cristalli particolarmente sottili sono I/S tramite XRD. Non c’è evidenza di un precursore di smectite. I singoli listelli possono essere intercalati a 120° per produrre aggregati stellari o gemelli (Fig. 5). Il gemellaggio (una rotazione di 120° rispetto al piano dello specchio che contiene il sito ottaedrico vuoto) segue la “comune legge gemellare della mica” (8) e probabilmente spiega gran parte del disordine rotazionale visto nei dati XRD.
Micrografia elettronica a scansione di illite fibrosa che riempie i pori in un’arenaria.
(A) Immagine di deflessione AFM di illite in arenaria. Le illiti sono accostate a 120° in un aggregato a stella o gemello secondo la comune legge del gemello della mica (una rotazione di 120° rispetto al piano dello specchio che contiene il sito ottaedrico vuoto) (8). I materiali granulari che aderiscono all’illite (specialmente a destra) sono sali precipitati durante la preparazione del campione. La scala è in micrometri; il cristallo è lungo ≈1 μm. Questa e le successive immagini sono state fatte in aria, modalità contatto, su un AFM universale (ThermoMicroscopes, Sunnyvale, CA). (B) Close-up del centro in A. Le linee mostrano le misure di altezza passo fatto sull’immagine altezza (non mostrato). Si noti la crescita interlacciata di passi di crescita da 1-nm (10-Å). I singoli listelli hanno uno spessore di 6-8 nm. Dalla XRD in polvere, questo campione è 1M, con un disordine rotazionale minore di 120°. Solo il centro contribuirà al disordine; i listelli sporgenti (A) non lo faranno. La scala è in angstrom.
Il precedente ha stabilito che sottili cristalli di illite diagenetica crescono nelle rocce sedimentarie e che hanno caratteristiche mineralogiche distinte, come gli effetti I/S XRD e il politipo 1M, che li distinguono dalla muscovite 2M1. Gran parte della nostra conoscenza dei politipi disordinati di illite e di I/S deriva dall’uso dei programmi newmod (10) e wildfire (14), che permettono di calcolare facilmente i modelli XRD completi delle polveri dei minerali argillosi. Questi programmi costituiscono la base per “smiscelare” le miscele che abbiamo discusso. Nel processo di corrispondenza tra i dati calcolati e quelli sperimentali sui politipi e il disordine nell’illite, sono emerse alcune generalizzazioni. Le bentoniti e le illiti fibrose (arenarie) sono simili sotto molti aspetti (1M con circa 120° di disordine rotazionale) ma differiscono in quanto la forma cis-vacante (15, 17) è più comune nelle bentoniti e la forma trans-vacante (la tradizionale struttura 1M) è più tipica delle fibre.
Gli scisti sono diversi in quanto la maggior parte delle illiti di scisto (esclusa la componente 2M1) mostrano un disordine rotazionale quasi massimo, comprese le rotazioni di 120° e 60° (14) e sono quindi il politipo 1Md (8). Ciò significa che ogni successivo strato di 1-nm non è correlato allo strato sottostante, tranne che gli anelli esagonali di ossigeno si allineano per ospitare K. Sulla base delle osservazioni morfologiche AFM, le illiti bentonite e arenaria crescono principalmente per meccanismi a spirale o a gradini, mentre le illiti scistose crescono per nucleazione (nascita e diffusione). Le illiti negli scisti (Fig. 6) mostrano molti piccoli nuclei di 1-nm di spessore sullo 00l di un substrato più grande che può essere mica detritica. Queste sembrano essere crescite epitassiali posizionate in modo casuale. Una crescita simile continuata creerebbe un’illite 1Md. La bentonite e le illiti fibrose hanno facce 00l quasi senza caratteristiche con uno o più passi di crescita paralleli. I meccanismi contrastanti (crescita vs. nucleazione) sono approssimativamente in accordo con le prime discussioni sull’origine dei politipi (8).
Immagine di deflessione AFM di un cristallo di illite scistosa. La superficie è coperta da piccole crescite o nuclei di 1 nm di spessore, probabilmente sullo 00l di un substrato più grande che potrebbe essere mica detritica. Queste sembrano essere crescite epitassiali posizionate in modo casuale. Una crescita simile continuata creerebbe un’illite 1Md. La XRD mostra il 60% di 1Md, con il resto 2M1. Il modello XRD per questo campione è in Fig. 9b (C). La scala è in angstroms.
La microscopia elettronica a trasmissione dipinge una visione apparentemente un po’ diversa dell’illite di scisto (18), ma non mi è chiaro quanto di questa differenza sia legata al metodo di indagine (microscopia elettronica a trasmissione contro XRD). Per esempio, i requisiti di coerenza sono probabilmente più rigorosi per la XRD che per la microscopia elettronica a trasmissione. La predominanza del politipo 2M1 nei campioni di roccia intera macinata a ioni (18) è probabilmente dovuta alla muscovite detritica; almeno, questo è ciò che suggeriscono i dati K-Ar degli scisti (più vecchi dell’età deposizionale). Un’ulteriore discussione va oltre lo scopo di questa recensione, ma le questioni sollevate dal lavoro di microscopia elettronica a trasmissione sull’illite offrono direzioni interessanti per la ricerca futura.