Illiet in sedimentaire gesteenten
Men kan het niet over illiet hebben zonder het onderwerp van de gemengde lagen illiet/smectiet (I/S) aan te roeren, een mineraal waarin eencellige lagen illiet en smectiet als een kaartspel door elkaar zijn geschud. Kleiminerialogici splitsen gewoonlijk een monster op en prepareren één of meer korrelgroottefracties als georiënteerde aggregaten (10) op een objectglaasje voor röntgenpoederdiffractie (XRD) met een focusserende diffractometer. Omdat de deeltjes zich met 00l evenwijdig aan het objectglaasje oriënteren, verschijnen alleen de 00l reflecties in de gegevens. Illiet heeft een reeks 00l-reflecties gebaseerd op een periodiciteit van 1 nm; smectiet, met water tussen de lagen, heeft een periodiciteit van 1,4 nm die kan variëren met de vochtigheid of de behandeling met organische stoffen. XRD-patronen (00l-reeks) voor I/S zijn gewoonlijk niet-periodiek (niet-integraal; zij gehoorzamen niet aan de wet van Bragg) en lijken niet op een fysisch mengsel van illiet en smectiet. Zij worden geïnterpreteerd (6) als het resultaat van een enkele diffractie van een gefractioneerde laagstructuur die uit twee soorten eenheidscellen bestaat. Er bestaat een rijpe technologie (10) voor het kwantificeren en modelleren van XRD-gegevens van kleimineralen met gemengde lagen.
I/S komt veel voor in leisteen; een groot deel van het illiet in leisteen kan zelfs de vorm van I/S hebben. Het percentage illiet in I/S neemt in de meeste sedimentaire bekkens in de wereld toe met de diepte en de temperatuur en met de geologische ouderdom (6). Dit is geïnterpreteerd (of afgeleid) als een aanwijzing voor een progressieve vastestof- of laag-voor-laag-transformatie van smectiet naar illiet, waarbij de oorspronkelijke structuur van het smectiet door het illiet wordt overgenomen (11). Meer recentelijk heeft Nadeau (6, 10, 12) de twee concepten van fundamentele deeltjes en interdeeltjesdiffractie geïntroduceerd om de gemengde-laag klei te verklaren. In deze visie neerslaan dunne (2- tot 10-cellen) illietkristallen in leisteen, terwijl smectiet, veldspaat en andere mineralen oplossen. De diffractie-effecten van I/S zijn het gevolg van coherente (in 00l) verstrooiing tussen dunne face-to-face illietkristallen met gehydrateerde interfaces die zich gedragen als smectiet (turbostratisch zijn). Naarmate de kristallen dikker worden, neemt het aantal interfaces af, hetgeen in de XRD-gegevens te zien is als een afname van de smectietcomponent van I/S. De waarneming van dunne ideomorfe kristallen van 1M illiet met 1-nm oppervlaktegroeistappen in zandstenen en leisteen (13) ondersteunt Nadeau’s ideeën. Het onderwerp I/S blijft controversieel, maar hier ga ik ervan uit dat de toename van het illietgehalte van I/S met de begravingsdiepte gewoon de groei van steeds dikkere illietkristallen vertegenwoordigt.
Om nuttige chronologische informatie uit K-Ar dateringen van illiet te halen, heb ik het concept van korrelgrootte versus leeftijd spectra (grootte-leeftijd spectra) nuttig gevonden (Fig. 1a). Een monster wordt routinematig verdeeld in drie kleigroottefracties: grof (C = 0,2-2,0 μm), middelgroot (M = 0,02-0,2 μm), en fijn (F = <0,02 μm), en voor elk wordt een routinematige K-Ar leeftijd verkregen. Het gebruik van de <2-μm fractie sluit veldspaat over het algemeen uit, zodat de enige K-dragende fasen illiet en mica’s zijn. Het uitzetten van deze spectra als eenvoudige staafdiagrammen heeft drie belangrijke spectravormen voor sedimentaire gesteenten aan het licht gebracht: hellend, vlak, en gebogen. Deze zijn typisch voor respectievelijk leisteen, K-bentoniet en zandsteen.
(a) Omvang-periodespectrum voor schalie. Het monster is verdeeld in drie kleigroottefracties: grof (C = 0,2-2,0 μm), middelgroot (M = 0,02-0,2 μm), en fijn (F = <0,02 μm). Een hellend spectrum is typisch voor leisteen, dat wordt afgezet met een breed initieel groottebereik van detritale micas. Gewoonlijk is de C-fractie ouder dan de afzettingsleeftijd, maar dit hangt af van het aandeel detritaal mica. De F-fractie is meestal jonger dan de afzettingsleeftijd vanwege de dominantie van diagenetisch illiet. (b) Het spectrum van de grootte-ouderdom voor een K-bentoniet is vlak; d.w.z. alle grootfracties hebben dezelfde K-Ar ouderdom, jonger dan de depositiele ouderdom. Bentonieten geven de diagenetische leeftijd direct aan omdat ze geen detritisch illiet bevatten.
Een hellend spectrum (Fig. 1a) is typisch voor leisteen, dat is afgezet met een breed initieel groottebereik van detritische micas. Gewoonlijk is de C-fractie ouder dan de afzettingsleeftijd, maar dit hangt af van het aandeel diagenetisch illiet. De F-fractie is meestal jonger dan de afzettingsleeftijd vanwege de dominantie van diagenetisch illiet. Belangrijk is dat, zoals Hower et al. (9) 35 jaar geleden al aangaven, deze dateringen op geen enkele manier kunnen worden gebruikt, behalve als ruwe grenswaarden. Alle fracties lijken fysische mengsels te zijn, en we kennen de verhoudingen niet. Het mengsel van oud en jong illiet in leisteen kan voor sommige monsters K-Ar dateringen opleveren die toevallig dicht bij de afzettingsleeftijd liggen (9). Merk op dat K-Ar gegevens van leisteen niet met succes kunnen worden geïnterpreteerd met behulp van de isochron methode, omdat leisteen mengsels zijn van dingen die op verschillende tijdstippen zijn gevormd. Ze geven echter wel vaak mooi ogende, lineaire, maar nutteloze, “mixochronen.”
Bentonieten (stratigrafische definitie) zijn een ongebruikelijke klasse van schaliebeddingen die bestaan uit in de lucht gevallen glasachtige vulkanische as, veranderd in smectiet (3). K-bentonieten (3) zijn die welke een latere diagenese tot illiet of I/S hebben ondergaan. Zij zijn van grote waarde voor illietstudies omdat zij geen detritale dioctahedrale micas bevatten, maar alleen diagenetisch illiet. Het grootte-leeftijdsspectrum van een K-bentoniet is typisch vlak (Fig. 1b); d.w.z. dat alle groottefracties dezelfde K-Ar leeftijd hebben, jonger dan de afzettingsleeftijd. Bentonieten geven direct de gemiddelde diagenetische leeftijd. Als bentonieten veel in het stratigrafisch archief voorkwamen, zouden we het kunnen vergeten om betekenisvolle ouderdommen te verkrijgen uit gewone schalies. Bentonieten zijn nuttig voor ons dateringsprobleem omdat ze ons een idee geven van hoe ongerept diagenetisch illiet is. Mineralogische studies van K-bentonieten zijn talrijk, en XRD laat zien dat het illiet en I/S volledig 1M polytype zijn met matige hoeveelheden 120° rotatiestoornis (14, 15). 2M1 muscoviet wordt nooit gevonden als diagenetische fase in K-bentonieten van sedimentaire bekkens. Dit is goed nieuws omdat het ons een mogelijke manier geeft om de diagenetische en detritale componenten in leisteen te onderscheiden en te kwantificeren.
Atoomkrachtmicroscopie (AFM) laat zien dat de K-bentoniet illietkristallen slechts een paar nanometer dik zijn (Fig. 2), met een overheersing van 1-nm groeistappen. Het eerste wordt bevestigd door XRD studies van de 00l reflecties (16); het laatste komt overeen met hun 1M polytype. De buitengewone dunheid verklaart waarschijnlijk de overvloed van diagenetisch illiet in de fijne fracties van leisteen.
AFM-afbuigingsbeeld van illietkristallen van de Tioga K-bentoniet. De schaal is in nanometers. Afzonderlijke groeistappen zijn 1 nm hoog; het grootste kristal is 7 nm dik. De afbeelding is gemaakt in lucht, contact mode, op een Digital Instruments (Santa Barbara, CA) MultiMode Nannoscope IIIa.
Zandstenen met een schalie-achtige afzettingsmatrix of overvloedige lithische korrels hebben een grootte-leeftijdsspectrum dat vergelijkbaar is met dat van schalies en zullen verder niet worden besproken. Schone zandstenen bestaan uitsluitend uit zandkorrels van kwarts, veldspaat, mica, enz. en hebben geen afzettingsklei. Zij zijn afgezet in een hoogenergetisch milieu (zoals een strand) waarin de fijne deeltjes zijn weggespoeld. Tijdens de diagenese kunnen veldspaten en andere gesteentebestanddelen reageren met poriënvloeistoffen om illiet of andere diagenetische klei neer te slaan; vandaar dat het fijne materiaal in deze zandstenen meestal diagenetisch is, en meer dan bij schalies. Een typisch zandsteengroottespectrum (Fig. 3) is bankvormig; d.w.z. dat de C-fractie ouder is dan de afzettingsleeftijd, terwijl de M- en F-fracties dezelfde leeftijd hebben, jonger dan de afzettingsleeftijd. Uit deze afvlakking in de fijnere fracties kunnen we concluderen dat fijn detritaal mica in deze fracties afwezig is en dat we de gemiddelde leeftijd van illietvorming hebben gemeten. Helaas is diagenetisch illiet niet zo universeel overvloedig in zandstenen als in schalies, en niet alle zandstenen zijn schone zandstenen.
Grootteleeftijdsspectrum van zandsteen. Het spectrum is typisch bankvormig; d.w.z. dat de C-fractie ouder is dan de afzettingsleeftijd, terwijl de M- en F-fracties dezelfde leeftijd hebben, jonger dan de afzettingsleeftijd. De afvlakking in de fijnere fracties geeft aan dat fijn detritisch mica afwezig is in deze fracties en dat we de gemiddelde leeftijd van illietvorming hebben gemeten. Symbolen zijn dezelfde als in Fig. 1.
Er zijn veel studies van porievullende illieten, zowel mineralogisch als K-Ar daterend (2, 6, 10). De overvloedige literatuur is vooral te wijten aan het negatieve effect dat illiet heeft op de permeabiliteit van zandsteenpetroleumreservoirs. De illieten zijn typisch ideomorf met een uitgesproken vezelige (latvormige) habitus (de lange as is de kristallografische a-as), waardoor ze interessante onderwerpen zijn voor microscopie (Fig. 4). In de petroleumindustrie worden zij vaak “harig illiet” genoemd. De kristallen zijn ideomorf omdat zij ongedwongen neerslaan uit vloeistof in een relatief grote porie. Zij zijn alle 1M polytype, met een kleine rotatiestoornis van 120°. Net als bij K-bentonieten zijn ze dun (2-10 nm), met groeistappen van 1 nm en enige aanwijzingen voor spiraalgroei. Monsters bestaande uit bijzonder dunne kristallen zijn I/S door XRD. Er zijn geen aanwijzingen voor een smectietvoorloper. Afzonderlijke latten kunnen bij 120° in elkaar gegroeid zijn om stervormige aggregaten of tweelingen te vormen (Fig. 5). De twinning (een rotatie van 120° ten opzichte van het spiegelvlak dat de lege octahedral site bevat) is naar de “common mica twin law” (8) en verklaart waarschijnlijk een groot deel van de rotationele wanorde die in de XRD gegevens te zien is.
Scan-elektronenmicrografiek van porievullend vezelig illiet in een zandsteen.
(A) AFM-afbuigingsbeeld van zandsteen-illiet. Latten zijn onder een hoek van 120° ingegroeid in een stervormig aggregaat of twin naar de gewone mica twin wet (een rotatie van 120° ten opzichte van het spiegelvlak dat de lege octahedral site bevat) (8). Korrelige materialen die aan illiet kleven (vooral aan de rechterkant) zijn zouten die tijdens de bereiding van het monster zijn neergeslagen. De schaal is in micrometers; het kristal is ≈1 μm lang. Deze en volgende beelden werden gemaakt in lucht, contact modus, op een Universal AFM (ThermoMicroscopen, Sunnyvale, CA). (B) Close-up van het centrum in A. Lijnen tonen metingen van staphoogte gemaakt op de hoogte beeld (niet getoond). Let op interlaced groei van 1-nm (10-Å) groeistappen. Individuele latten hebben een dikte van 6-8 nm. Door poeder XRD is dit monster 1M, met een kleine rotatiestoornis van 120°. Alleen het centrum draagt bij aan de wanorde; de uitstekende latten (A) niet. De schaal is in angstroms.
Het voorgaande heeft vastgesteld dat dunne diagenetische illietkristallen groeien in sedimentaire gesteenten en dat zij duidelijke mineralogische kenmerken hebben, zoals I/S XRD effecten en 1M polytype, die hen onderscheiden van 2M1 muscoviet. Veel van onze kennis van ongeordende illiet polytypen en I/S komt van het gebruik van de programma’s newmod (10) en wildfire (14), waarmee gemakkelijk de volledige poeder XRD patronen van kleimineralen kunnen worden berekend. Deze programma’s vormen de basis voor het “ontmengen” van de mengsels die wij hebben besproken. Bij het vergelijken van berekende met experimentele gegevens over polytypen en wanorde in illiet zijn enkele generalisaties naar voren gekomen. Bentoniet en vezelig (zandsteen) illiet lijken in veel opzichten op elkaar (1M met een rotatiestoornis van ongeveer 120°), maar verschillen in die zin dat de cis-vacante vorm (15, 17) vaker voorkomt in bentoniet en de trans-vacante vorm (de traditionele 1M-structuur) meer typisch is voor vezelig illiet.
Schalie-illieten verschillen in die zin dat de meeste schalie-illieten (met uitzondering van de 2M1-component) bijna maximale rotatiestoornis vertonen, met inbegrip van zowel 120°- als 60°-rotaties (14) en daarom het 1Md-polytype zijn (8). Dit betekent dat elke opeenvolgende laag van 1 nm geen verband houdt met de laag eronder, behalve dat de hexagonale zuurstofringen zijn uitgelijnd om K. te accommoderen. Op basis van AFM morfologische observaties groeien bentoniet- en zandsteen-illieten voornamelijk door spiraal- of stapmechanismen, terwijl schalie-illieten groeien door nucleatie (geboorte en spreiding). Illieten in leisteen (Fig. 6) vertonen vele kleine 1-nm dikke kernen op de 00l van een groter substraat dat detritisch mica kan zijn. Dit lijken willekeurig geplaatste epitaxiale groeiingen te zijn. Voortgezette soortgelijke groei zou een 1Md illiet doen ontstaan. Bentoniet en vezelig illiet hebben bijna karakterloze 00l-vlakken met één of meer parallelle groeistappen. De contrasterende mechanismen (groei vs. nucleatie) komen ruwweg overeen met de vroege discussie over de oorsprong van polytypen (8).
AFM deflectie beeld van een leisteen illiet kristal. Het oppervlak is bedekt met kleine, 1-nm dikke groeisels of kernen, mogelijk op de 00l van een groter substraat dat detritisch mica kan zijn. Dit lijken willekeurig geplaatste epitaxiale groeisels te zijn. Voortgezette soortgelijke groei zou een 1Md illiet doen ontstaan. XRD toont 60% 1Md, met de rest 2M1. Het XRD-patroon van dit monster staat in Fig. 9b (C). De schaal is in angstroms.
Transmissie-elektronenmicroscopie geeft een kennelijk iets ander beeld van schalie-illiet (18), maar het is mij niet duidelijk in hoeverre dat verschil samenhangt met de onderzoeksmethode (transmissie-elektronenmicroscopie vs. XRD). De eisen voor coherentie zijn bijvoorbeeld waarschijnlijk strenger voor XRD dan voor transmissie-elektronenmicroscopie. De overheersing van het 2M1 polytype in ion-gemalen hele gesteentemonsters (18) is mogelijk te wijten aan detritaal muscoviet; dat is althans wat de K-Ar gegevens van schalie (ouder dan de afzettingsleeftijd) suggereren. Verdere discussie valt buiten het bestek van dit overzicht, maar de vragen die het werk met de transmissie-elektronenmicroscopie van illiet oproept, bieden opwindende richtingen voor toekomstig onderzoek.