Illite in Sedimentary Rocks
Nie można omawiać illitu bez poruszenia tematu mieszanej warstwy illitu/smektytu (I/S), minerału, w którym warstwy illitu i smektytu w skali komórek jednostkowych są potasowane jak talia kart. Mineralogowie gliny zazwyczaj dezagregują próbkę i przygotowują jedną lub więcej frakcji wielkości ziarna jako zorientowane agregaty (10) na szkiełku do dyfrakcji proszkowej promieniowania rentgenowskiego (XRD) za pomocą dyfraktometru skupiającego. Ponieważ cząstki są zorientowane z 00l równolegle do szkiełka, tylko odbicia 00l pojawiają się w danych. Illit ma serię odbić 00l opartą na okresowości 1nm; smektyt, z wodą między warstwami, ma okresowość 1,4nm, która może się zmieniać w zależności od wilgotności lub traktowania substancjami organicznymi. Wzory XRD (seria 00l) dla I/S są zazwyczaj nieperiodyczne (nieintegralne; nie są zgodne z prawem Bragga) i nie wyglądają jak fizyczna mieszanina illitu i smektytu. Są one interpretowane (6) jako wynik pojedynczej dyfrakcji z uskokowej struktury warstwowej złożonej z dwóch typów komórek jednostkowych. Istnieje dojrzała technologia (10) do kwantyfikacji i modelowania danych XRD z mieszanych-warstwowych minerałów ilastych.
I/S jest powszechne w łupkach; rzeczywiście, wiele z illitu w łupkach może być w postaci I/S. Procent illitu w I/S zazwyczaj wzrasta wraz z głębokością i temperaturą w większości światowych basenów sedymentacyjnych oraz z wiekiem geologicznym (6). Zostało to zinterpretowane (lub wywnioskowane) jako wskazanie postępującej przemiany smektytu w illit w stanie stałym lub warstwa po warstwie, w której początkowa struktura smektytu jest dziedziczona przez illit (11). Ostatnio Nadeau (6, 10, 12) wprowadził podwójną koncepcję cząstek fundamentalnych i dyfrakcji międzycząsteczkowej, aby wyjaśnić glinki mieszane-warstwowe. W tym ujęciu w łupkach wytrącają się cienkie (2- do 10-jednostkowe komórki) kryształy illitu, podczas gdy smektyt, skalenie i inne minerały rozpuszczają się. Efekty dyfrakcyjne I/S wynikają z koherentnego (w 00l) rozpraszania pomiędzy cienkimi, zwróconymi do siebie twarzami kryształami illitu z uwodnionymi interfejsami, które zachowują się jak smektyt (są turbostratyczne). W miarę wzrostu grubości kryształów liczba interfejsów maleje, co jest widoczne w danych XRD jako spadek smektytowej składowej I/S. Obserwacja cienkich ideomorficznych kryształów illitu 1M z 1-nm krokami wzrostu powierzchni w piaskowcach i łupkach (13) potwierdza idee Nadeau. Temat I/S pozostaje kontrowersyjny, ale tutaj zakładam, że wzrost zawartości illitu w I/S z głębokością zakopania reprezentuje po prostu wzrost stopniowo grubszych kryształów illitu.
Aby wydobyć użyteczną informację chronologiczną z datowania K-Ar illitu, uznałem za użyteczną koncepcję widm wielkości ziaren w stosunku do wieku (widmo wielkość-wiek) (Fig. 1a). Próbka jest rutynowo dzielona na trzy frakcje ilaste: gruboziarnistą (C = 0.2-2.0 μm), średnią (M = 0.02-0.2 μm) i drobnoziarnistą (F = <0.02 μm), a dla każdej z nich otrzymuje się rutynowy wiek K-Ar. Użycie frakcji <2-μm generalnie wyklucza skalenie, tak że jedynymi fazami przenoszącymi K są illit i mice. Wykreślenie tych widm w postaci prostych wykresów słupkowych ujawniło trzy główne kształty widm dla skał osadowych: nachylone, płaskie i ławkowate. Są one typowe odpowiednio dla łupków, K-bentonitów i piaskowców.
(a) Widmo wielkościowo-wiekowe dla łupków. Próbka podzielona jest na trzy frakcje ilaste: gruboziarnistą (C = 0.2-2.0 μm), średnią (M = 0.02-0.2 μm) i drobnoziarnistą (F = <0.02 μm). Skośne spektrum jest typowe dla łupków, które są deponowane z szerokim początkowym zakresem wielkości mik detrytycznych. Zazwyczaj frakcja C jest starsza od wieku depozycyjnego, ale zależy to od udziału miki detrytycznej. Frakcja F jest zwykle młodsza niż wiek depozycyjny z powodu dominacji diagenetycznego illitu. (b) Spektrum wiekowo-rozmiarowe dla bentonitu K jest płaskie; tzn. wszystkie frakcje wiekowe mają ten sam wiek K-Ar, młodszy od wieku depozycyjnego. Bentonity podają wiek diagenetyczny bezpośrednio, ponieważ nie zawierają detrytycznego illitu.
Nachylone widmo (Fig. 1a) jest typowe dla łupków, które są deponowane z szerokim początkowym zakresem rozmiarów detrytycznych mik. Zazwyczaj frakcja C jest starsza od wieku depozycyjnego, ale zależy to od udziału diagenetycznego illitu. Frakcja F jest zwykle młodsza od wieku depozycyjnego ze względu na dominację diagenetycznego illitu. Co ważne, jak wskazali 35 lat temu Hower et al. (9), nie ma możliwości wykorzystania tych dat, chyba że jako surowe granice. Wszystkie frakcje wydają się być fizycznymi mieszaninami, a my nie znamy ich proporcji. Mieszanina starego i młodego illitu w łupkach może dla niektórych próbek dawać wiek K-Ar przypadkowo zbliżony do wieku depozycyjnego (9). Należy pamiętać, że dane K-Ar z łupków nie mogą być z powodzeniem interpretowane metodą izochronową, ponieważ łupki są mieszaninami rzeczy, które powstały w różnym czasie. Dają one jednak często ładnie wyglądające, liniowe, ale bezużyteczne „mixochrony”.
Bentonity (definicja stratygraficzna) są nieczęstą klasą podłoża łupkowego składającego się z opadającego z powietrza szklistego popiołu wulkanicznego zmienionego na smektyt (3). K-bentonity (3) to te, które przeszły późniejszą diagenezę do illitu lub I/S. Są one bardzo cenne dla badań nad illitem, ponieważ nie zawierają detrytycznych mik dwuoktaedrycznych, a jedynie diagenetyczny illit. Spektrum wiekowo-rozmiarowe bentonitu K jest zazwyczaj płaskie (Fig. 1b), tzn. wszystkie frakcje wiekowe mają ten sam wiek K-Ar, młodszy od wieku depozycyjnego. Bentonity bezpośrednio podają średni wiek diagenetyczny. Gdyby bentonity były powszechne w zapisie stratygraficznym, moglibyśmy zapomnieć o próbach uzyskania sensownych wieków ze zwykłych łupków. Są one przydatne w naszym problemie datowania, ponieważ dają nam wyobrażenie o tym, jak wygląda nieskazitelny diagenetyczny illit. Badania mineralogiczne K-bentonitów są liczne, a XRD pokazuje, że illit i I/S są w całości polietypem 1M z umiarkowaną ilością zaburzeń rotacyjnych 120° (14, 15). Muskowit 2M1 nigdy nie występuje jako faza diagenetyczna w K-bentonitach z basenów sedymentacyjnych. Jest to dobra wiadomość, ponieważ daje nam możliwość rozróżnienia i ilościowego określenia składników diagenetycznych i detrytycznych w łupkach.
Mikroskopia sił atomowych (AFM) pokazuje, że kryształy illitu K-bentonitu mają grubość zaledwie kilku nanometrów (Fig. 2), z przewagą 1-nm kroków wzrostu. Pierwsza informacja jest potwierdzona przez badania XRD refleksów 00l (16); druga zgadza się z ich 1M poliformą. Nadzwyczajna cienkość prawdopodobnie wyjaśnia obfitość diagenetycznego illitu w drobnych frakcjach łupków.
AFM obraz ugięcia kryształów illitu z Tioga K-bentonit. Skala jest w nanometrach. Poszczególne kroki wzrostu mają wysokość 1 nm; największy kryształ ma grubość 7 nm. Obraz wykonano w powietrzu, w trybie kontaktowym, na urządzeniu Digital Instruments (Santa Barbara, CA) MultiMode Nannoscope IIIa.
Piaskowce z podobną do łupków matrycą depozycyjną lub obfitymi ziarnami litowców mają widma wielkościowo-wiekowe podobne do łupków i nie będą dalej omawiane. Czyste piaskowce składają się wyłącznie z piaskowych ziaren kwarcu, skaleni, miki itp. i nie zawierają gliny depozycyjnej. Są one osadzane w środowisku wysokoenergetycznym (jak plaża), w którym drobiny są usuwane. W trakcie diagenezy skalenie i inne składniki skał mogą reagować z płynami porowymi, wytrącając illit lub inne diagenetyczne iły; stąd też drobny materiał w tych piaskowcach ma tendencję do bycia głównie diagenetycznym, bardziej niż w przypadku łupków. Typowe spektrum wiekowo-wielkościowe piaskowców (Fig. 3) ma kształt ławicowy, tzn. frakcja C jest starsza od wieku depozycyjnego, podczas gdy frakcje M i F mają ten sam wiek, młodszy od wieku depozycyjnego. To spłaszczenie w drobniejszych frakcjach pozwala nam wnioskować, że drobna mika detrytyczna jest nieobecna w tych frakcjach i że zmierzyliśmy średni wiek formowania się illitu. Niestety, illit diagenetyczny nie występuje tak powszechnie w piaskowcach jak w łupkach, a nie wszystkie piaskowce są czystymi piaskowcami.
Widmo wielkościowo-wiekowe piaskowca. Widmo ma typowo ławicowy kształt; tzn. frakcja C jest starsza od wieku depozycyjnego, natomiast frakcje M i F mają ten sam wiek, młodszy od wieku depozycyjnego. Spłaszczenie we frakcjach drobniejszych wskazuje, że drobna mika detrytyczna jest nieobecna w tych frakcjach i że zmierzyliśmy średni wiek formowania się illitu. Symbole są takie same jak na Fig. 1.
Istnieje wiele opracowań dotyczących wypełniających pory illitów, zarówno mineralogicznych jak i datowanych metodą K-Ar (2, 6, 10). Obfita literatura wynika przede wszystkim z negatywnego wpływu illitu na przepuszczalność piaskowcowych zbiorników ropy naftowej. illity są typowo ideomorficzne z wyraźnym włóknistym (łaciatym) pokrojem (oś długa jest krystalograficzną osią a), co czyni je interesującymi obiektami dla mikroskopii (Fig. 4). W przemyśle naftowym są one często nazywane „włochatym illitem”. Kryształy te są ideomorficzne, ponieważ wytrącają się bez ograniczeń z płynu w stosunkowo dużym porcie. Wszystkie są polietypem 1M, z niewielkim zaburzeniem rotacyjnym 120°. Podobnie jak w K-bentonitach, są one cienkie (2-10 nm), z 1-nm krokami wzrostu i pewne dowody na wzrost spiralny. Próbki składające się z szczególnie cienkich kryształów są I/S przez XRD. Nie ma dowodów na obecność prekursora smektytu. Pojedyncze lamele mogą być przeplatane pod kątem 120° tworząc gwiaździste agregaty lub bliźniaki (Fig. 5). Bliźniactwo (obrót o 120° względem płaszczyzny lustrzanej zawierającej puste miejsce oktaedryczne) jest zgodne z „common mica twin law” (8) i prawdopodobnie odpowiada za znaczną część zaburzeń rotacyjnych widocznych w danych XRD.
Skaningowy mikrograf elektronowy wypełniającego pory włóknistego illitu w piaskowcu.
(A) Obraz odchylenia AFM illitu w piaskowcu. Łaty są zrośnięte pod kątem 120° w gwieździstą agregację lub bliźniaka zgodnie z powszechnym prawem bliźniaczym miki (obrót o 120° względem lustrzanej płaszczyzny zawierającej puste miejsce oktaedryczne) (8). Ziarniste materiały przylegające do illitu (szczególnie po prawej stronie) to sole wytrącone podczas przygotowywania próbki. Skala jest w mikrometrach; kryształ ma długość ≈1 μm. Ten i następne obrazy zostały wykonane w powietrzu, w trybie kontaktowym, na urządzeniu Universal AFM (ThermoMicroscopes, Sunnyvale, CA). (B) Zbliżenie środka w A. Linie pokazują pomiary wysokości kroku wykonane na obrazie wysokości (nie pokazano). Zwrócić uwagę na przeplatany wzrost 1-nm (10-Å) kroków wzrostu. Poszczególne lamele mają grubość 6-8 nm. Przez proszek XRD, ta próbka jest 1M, z niewielkim 120 ° zaburzenia rotacyjne. Tylko centrum przyczynia się do tego zaburzenia; wystające lamele (A) nie. Skala jest w angstremach.
Poprzednie ustalono, że cienkie diagenetyczne kryształy illitu rosną w skałach osadowych i że mają one wyraźne cechy mineralogiczne, takie jak efekty I/S XRD i 1M poliptyk, które odróżniają je od 2M1 muskowitu. Duża część naszej wiedzy na temat nieuporządkowanych polipów illitu i I/S pochodzi z programów newmod (10) i wildfire (14), które pozwalają na łatwe obliczanie kompletnych wzorów XRD minerałów ilastych. Programy te stanowią podstawę do „odmieszania” omawianych mieszanin. W procesie dopasowywania danych obliczeniowych do danych doświadczalnych dotyczących polipów i nieuporządkowania w illicie, pojawiły się pewne uogólnienia. Bentonity i włókniste (piaskowiec) illity są podobne pod wieloma względami (1M z około 120° zaburzeniem rotacyjnym), ale różnią się tym, że forma cis-vacant (15, 17) jest bardziej powszechna w bentonitach, a forma trans-vacant (tradycyjna struktura 1M) jest bardziej typowa dla włókien.
Łupki różnią się tym, że większość illitów łupkowych (z wyłączeniem składnika 2M1) wykazuje prawie maksymalne zaburzenie rotacyjne, w tym zarówno rotacje 120°, jak i 60° (14), a zatem są one poliptypem 1Md (8). Oznacza to, że każda kolejna warstwa o grubości 1nm nie jest związana z warstwą leżącą poniżej, z wyjątkiem tego, że heksagonalne pierścienie tlenowe ustawiają się tak, aby pomieścić K. Na podstawie obserwacji morfologicznych AFM, illity bentonitowe i piaskowcowe rosną głównie poprzez mechanizmy spiralne lub schodkowe, podczas gdy illity łupkowe rosną poprzez nukleację (rodzenie i rozprzestrzenianie). Ility w łupkach (rys. 6) wykazują wiele małych, 1-nm grubości jąder na 00l większego substratu, którym może być detrytowa mika. Wydaje się, że są to losowo rozmieszczone epitaksjalne przyrosty. Dalszy podobny wzrost stworzyłby illit 1Md. Bentonit i illity włókniste mają prawie bezbarwne powierzchnie 00l z jednym lub kilkoma równoległymi stopniami wzrostu. Kontrastujące mechanizmy (wzrost vs. nukleacja) są w przybliżeniu zgodne z wczesną dyskusją na temat pochodzenia polipów (8).
AFM obraz ugięcia kryształu illitu łupkowego. Powierzchnia pokryta jest małymi, 1-nm grubości przyrostami lub jądrami, prawdopodobnie na 00l większego substratu, którym może być detrytowa mika. Wydaje się, że są to losowo rozmieszczone epitaksjalne wzrosty. Dalszy podobny wzrost stworzyłby illit 1Md. XRD pokazuje 60% 1Md, z resztą 2M1. Wzór XRD dla tej próbki jest na Rys. 9b (C). Skala jest w angstremach.
Przekaźnikowa mikroskopia elektronowa maluje pozornie nieco inny widok łupkowego illitu (18), ale nie jest dla mnie jasne, jak wiele z tej różnicy jest związane z metodą badania (transmisyjna mikroskopia elektronowa vs. XRD). Na przykład, wymagania dotyczące spójności są prawdopodobnie bardziej rygorystyczne dla XRD niż dla transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Przewaga polotypu 2M1 w próbkach całoskalowych mielonych jonowo (18) jest prawdopodobnie spowodowana detrytycznym muskowitem; przynajmniej tak sugerują dane K-Ar z łupków (starszych niż wiek depozycyjny). Dalsza dyskusja wykracza poza zakres tego przeglądu, ale pytania postawione przez pracę transmisyjnej mikroskopii elektronowej na illicie oferują ekscytujące kierunki dla przyszłych badań.