Illite in Sedimentary Rocks
イライトとスメクタイトの混合層（I/S）は、単位セルスケールのイライトとスメクタイトがトランプのようにシャッフルされている鉱物であり、これを抜きにしては語れません。 粘土鉱物学者は通常、試料を分解し、1つまたは複数の粒径の分画を配向した凝集体（10）としてスライド上に準備し、集束式回折計で粉末X線回折（XRD）を行う。 粒子はスライドに平行に00l配向しているため、データには00l反射のみが現れる。 イライトは1nmの周期性に基づく一連の00l反射を示し、層間水を有するスメクタイトは1.4nmの周期性を示すが、湿度や有機物による処理で変化することがある。 I/SのXRDパターン（00lシリーズ）は、一般的に非周期的（非整数的；ブラッグの法則に従わない）であり、イライトとスメクタイトの物理的混合物のように見えない。 これらは、2種類のユニットセルからなる断層構造からの1回の回折に起因すると解釈されている(6)。 混合層粘土鉱物のXRDデータを定量化し、モデル化する成熟した技術（10）がある。
I/S は頁岩に多く、実際、頁岩中のイライトの多くはI/Sの形態である可能性がある。 I/Sに含まれるイライトの割合は、世界のほとんどの堆積盆で深さ、温度、地質年代とともに増加するのが一般的である(6)。 これは、スメクタイトからイライトへの固相変化が進行し、スメクタイトの初期構造がイライトに継承されていることを示すと解釈（あるいは推論）されてきた（11）。 さらに最近、Nadeau (6, 10, 12) は、混合層粘土を説明するために、基本粒子と粒子間回折という2つの概念を導入した。 Nadeau (6, 10, 12) は、基本粒子と粒子間回折の2つの概念を導入し、混合層粘土を説明した。この考え方では、シェール中に薄い（2-10ユニットセル）イライト結晶が沈殿し、スメクタイト、長石、その他の鉱物が溶出する。 I/Sの回折効果は、スメクタイトのように振る舞う（ターボストラティックである）水和界面を持つ薄い対面イライト結晶間のコヒーレント（00l内）散乱に起因するものである。 結晶が厚くなるにつれて界面の数は減少し、XRDデータではI/Sのスメクタイト成分の減少として観測される。 砂岩や頁岩中に1Mイライトの薄いideomorphic結晶が1nmの表面成長段差を伴って観察され(13)、Nadeauの考えは支持される。 イライトのK-Ar年代測定から年代情報を得るには、粒径-年代スペクトル（size-age spectra）の考え方が有効である（図1a）。 試料を粗粒（C = 0.2-2.0 μm）、中粒（M = 0.02-0.2 μm）、細粒（F = <0.02 μm）の3つの粘土サイズ画分に分け、それぞれについてK-Ar年代をルーチンに取得することが日常的に行われている。 <2-μm画分を用いると、一般に長石が除外され、Kを含む相はイライトとマイカのみとなる。 これらを単純な棒グラフにプロットすると、堆積岩のスペクトルの形状は大きく分けて、傾斜型、平坦型、ベンチ型があることがわかる。 これらはそれぞれシェール、K-ベントナイト、砂岩に典型的なものである。
(a) 頁岩のサイズエイジスペクトル。 試料は粗い（C=0.2〜2.0μm）、中くらいの（M=0.02〜0.2μm）、細かい（F=<0.02μm）の3つの粘土サイズ画分に分けられる。 このような傾斜したスペクトルは、初期粒径範囲の広い砕屑性マイカが堆積した頁岩に典型的である。 通常、C分画は堆積年代より古いが、これは砕屑性雲母の割合に依存する。 F画分は斜方性イライトが優勢であるため、一般に堆積年代よりも若い。 (b)K-ベントナイトのサイズ-年代スペクトルは平坦で、すべてのサイズ画分が同じK-Ar年代を持ち、堆積年代より若い。 ベントナイトは砕屑性イライトを含まないので、直接、斜行年代を示す。
傾いたスペクトル（図1a）は、砕屑性マイカの初期サイズ範囲が広く、堆積したシェールに典型的である。 通常、Cフラクションは堆積年代より古いが、これは斜方性イライトの割合に依存する。 F分画は、斜方性イライトの割合に依存するため、通常、堆積年代よりも若くなる。 重要なことは、35年前にHowerら(9)が指摘したように、これらの年代は粗い限界値としてしか使えないということである。 すべての画分は物理的な混合物のようであり、その比率はわからない。 シェール中の古いイライトと若いイライトの混合物は、サンプルによっては、偶然にも堆積年代と近いK-Ar年代を与えることがある(9)。 頁岩のK-Arデータは、異なる時期に形成されたものの混合物であるため、アイソクロン法ではうまく解釈できないことに注意したい。
ベントナイト（層序学的定義）は、空気降下したガラス質の火山灰がスメクタイトに変化したもので、珍しいタイプの頁岩層である(3)。 K-ベントナイト(3)は、その後、イライトまたはI/Sに斜行したものである。 K-ベントナイトには砕屑性正八面体マイカが含まれず、斜方性イライトのみが含まれるため、イライト研究において重要な位置を占める。 K-ベントナイトのサイズ-年代スペクトルは平坦であり（図1b）、すべてのサイズフラクションが同じK-Ar年代を持ち、堆積年代よりも若いことがわかる。 ベントナイトは平均的な斜長年代を直接示す。 もし、ベントナイトが層序学的記録で一般的であれば、普通の頁岩から意味のある年代を得ようとすることは忘れることができるだろう。 ベントナイトは、原始的な斜方性イライトがどのようなものかを知ることができるので、年代測定の問題に有効である。 K-ベントナイトの鉱物学的研究は数多く、XRDでは、イライトとI/Sは完全に1Mポリタイプで、中程度の量の120°回転乱れがあることが示されている(14, 15)。 2M1白雲母は堆積盆のK-ベントナイト中に斜方相として見出されることはない。
原子間力顕微鏡（AFM）により、K-ベントナイト・イライト結晶の厚さは数ナノメートルであり（図2）、1ナノメートルの成長ステップが卓越していることが示された。 前者は00l反射のXRD研究(16)、後者は1Mポリタイプであることと一致する。 この薄さは、頁岩の細粒部分に斜方晶系のイライトが多く含まれることを説明するものであろう。
AFM偏向像。 スケールはナノメートル単位。 個々の成長ステップは1 nmの高さで、最大の結晶は7 nmの厚さである。 画像はDigital Instruments (Santa Barbara, CA) MultiMode Nannoscope IIIaで大気中、コンタクトモードで作成した。
シェール状の堆積母岩や石粒を多く含む砂岩はシェールに似たサイズエイジのスペクトルを持つため、これ以上の議論はしないことにする。 清浄砂岩は石英、長石、雲母などの砂粒のみからなり、堆積粘土を欠く。 砂浜のような高エネルギーの環境で堆積し、微粉末が取り除かれる。 斜長石などの岩石成分が間隙液と反応してイライトなどの斜長粘土を析出することがあるため、砂岩中の微粒子はほとんどが斜長石であることが多く、シェールよりも多く含まれる。 典型的な砂岩の粒径-年代スペクトル（図3）はベンチ型である。すなわち、C画分は堆積年代より古いが、M画分とF画分は堆積年代より若く、同じ年代を持つ。 このように微細な画分では平坦になることから、微細な砕屑性雲母が存在せず、イライトの平均生成年代を測定できたと結論づけることができる。 残念ながら、斜方性イライトはシェールほど普遍的に砂岩に多く存在するわけではなく、すべての砂岩が清浄な砂岩というわけでもない。
砂岩のサイズエイジスペクトル。 スペクトルは典型的なベンチ型であり、すなわちC画分は堆積年代より古いのに対して、M画分とF画分は堆積年代より若く、同じ年代を持つ。 細かい画分では平坦になることから、これらの画分には微細な砕屑性雲母が存在せず、イライトの平均生成年代を測定していることがわかる。 記号は図1と同じ。
間隙充填型イライトについては、鉱物学的、K-Ar年代学的に多くの研究がある(2, 6, 10)。 豊富な文献は主にイライトが砂岩系石油貯留層の浸透率に負の影響を与えることに起因している。 イライトは一般に繊維状（ラス状）（長軸が結晶学的a軸）を呈するため、顕微鏡観察の興味深い対象である（図4）。 石油業界では “ヘアリーイライト “と呼ばれることが多い。 この結晶は、比較的大きな孔の中にある流体から制約を受けずに析出するため、ideomorphicである。 結晶はすべて1Mポリタイプで、わずかな120°の回転乱れがある。 K-ベントナイトと同様に結晶は薄く（2-10 nm）、1 nmの成長ステップとスパイラル成長の形跡がある。 特に薄い結晶からなる試料はXRDでI/Sである。 スメクタイトの前駆体を示す証拠はない。 個々のラスは120°で相互成長し、星状集合体や双晶を生成することがある（Fig.5）。 双晶（八面体サイトを含む鏡面に対して120°回転）は「一般的な雲母双晶の法則」（8）に従ったもので、XRDデータに見られる回転乱れの多くを占めると思われる。
砂岩中の孔埋め繊維状イライトの走査型電子顕微鏡写真
(A)AFM deflection image of sandstone illite. ラスは一般的な雲母の双晶の法則（空の八面体サイトを含む鏡面に対して120°の回転）(8)に従って、星状の集合体あるいは双晶に120°で相互成長する。 イライトに付着している粒状物質（特に右）は、試料調製時に析出した塩である。 目盛りはマイクロメートルで、結晶の長さは≈1μmである。 この画像とそれ以降の画像は、Universal AFM（ThermoMicroscopes, Sunnyvale, CA）を用いて、大気中でコンタクトモードで撮影されたものである。 (B) Aの中央部のクローズアップ。線は、高さ画像（図示せず）で測定したステップの高さを示す。 1nm(10Å)の成長ステップが交互に並んでいることに注意。 個々のラスの厚さは6-8 nmである。 粉末X線回折では、この試料は1Mであり、120°の軽度の回転乱れを持つ。 中心部のみが乱れに寄与し、突出したラス（A）は寄与しない。 スケールはオングストロームである。
以上のように、堆積岩中に薄い斜方イライト結晶が成長し、I/S XRD効果や1Mポリタイプなど、2M1白雲母と異なる鉱物学的特徴を持つことを明らかにした。 イライトのポリタイプやI/Sの乱れに関する知見は、粘土鉱物の粉末X線回折パターンを簡単に計算できるプログラムnewmod (10) やwildfire (14) の利用によって得られたものである。 これらのプログラムは、これまで議論してきた混合物を「アンミックス」するための基礎となるものである。 イライトのポリタイプや無秩序性に関する計算データと実験データを照合する過程で、いくつかの一般論が浮かび上がってきた。 ベントナイトと繊維状（砂岩）イライトは多くの点で似ているが（1Mで120°の回転乱れ）、ベントナイトではシス型空孔（15、17）が多く、繊維ではトランス型空孔（従来の1M構造）が多いという点で異なっている。
シェールは、ほとんどのシェールイライト（2M1成分を除く）が120°と60°の両方の回転を含むほぼ最大の回転障害を示し（14）、したがって1Mdポリタイプである点で異なる（8）。 AFMによる形態観察から、ベントナイトや砂岩のイライトは主にスパイラルやステップのメカニズムで成長するが、シェールのイライトは核生成（誕生と拡散）で成長することがわかった。 シェール中のイライト（図6）は、砕屑性雲母と思われる大きな基質の00l上に厚さ1 nmの小さな核が多数見られる。 これらはランダムに配置されたエピタキシャル成長と思われる。 このような成長が続けば、1Mdのイライトになる。 ベントナイトと繊維状イライトは、ほとんど特徴のない00l面を持ち、1つまたは複数の平行な成長段階がある。 このような対照的なメカニズム（成長と核生成）は、ポリタイプの起源に関する初期の議論（8）とほぼ一致している。
シェールイライト結晶のAFM偏向像。 表面は厚さ1nmの小さな成長あるいは核で覆われており、おそらく砕屑性雲母と思われる大きな基質の00l上にあると思われる。 これらは、ランダムに配置されたエピタキシャル成長と思われる。 同様の成長が続けば、1Mdのイライトになる。 XRDでは、60%が1Mdで、残りは2M1である。 この試料のXRDパターンをFig.9b(C)に示す。
透過電子顕微鏡では、シェールイライトの見方が明らかに異なるが(18)、その違いが調査方法（透過電子顕微鏡とXRD）にどの程度関係しているのかは私には不明である。 例えば、コヒーレンシーの要件は、透過型電子顕微鏡よりもXRDの方がより厳しいと思われる。 イオンミリングした全岩試料(18)で2M1ポリタイプが優勢なのは、砕屑性白雲母によるものかもしれない。少なくとも、頁岩のK-Arデータ（堆積年代より古い）は、それを示唆している。 これ以上の議論はこのレビューの範囲外であるが、イライトの透過型電子顕微鏡による研究が提起した疑問は、将来の研究にとって刺激的な方向性を示している
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