Ilita în rocile sedimentare
Nu se poate discuta despre ilită fără a atinge subiectul ilitei/smectită în strat mixt (I/S), un mineral în care straturile de ilită și smectită la scara celulei unitare sunt amestecate ca un pachet de cărți. Mineralogiștii specializați în argile dezagregă de obicei o probă și pregătesc una sau mai multe fracțiuni granulometrice sub formă de agregate orientate (10) pe o lamelă pentru difracția pulberilor cu raze X (XRD) cu un difractometru de focalizare. Deoarece particulele se orientează cu 00l paralel cu lama, în date apar doar reflexiile 00l. Illita are o serie de reflexii 00l bazate pe o periodicitate de 1 nm; smectita, cu apă între straturi, are o periodicitate de 1,4 nm care poate varia în funcție de umiditate sau de tratamentul cu substanțe organice. Modelele XRD (seria 00l) pentru I/S sunt de obicei neperiodice (neintegrale; nu se supun legii lui Bragg) și nu arată ca un amestec fizic de ilită și smectită. Acestea sunt interpretate (6) ca fiind rezultatul unei singure difracții de la o structură de strat fisurat compusă din două tipuri de celule unitare. Există o tehnologie matură (10) pentru cuantificarea și modelarea datelor XRD din minerale argiloase cu straturi mixte.
I/S este comună în șisturi; într-adevăr, o mare parte din ilita din șisturi poate fi sub formă de I/S. Procentul de ilită în I/S crește de obicei cu adâncimea și temperatura în majoritatea bazinelor sedimentare din lume și cu vârsta geologică (6). Acest lucru a fost interpretat (sau dedus ca indicând o stare solidă progresivă sau o transformare strat cu strat a smectitei în ilită, în care structura inițială a smectitei este moștenită de ilită (11). Mai recent, Nadeau (6, 10, 12) a introdus conceptele duble de particule fundamentale și de difracție interparticulară pentru a explica argilele cu straturi mixte. În această viziune, cristalele subțiri (celule de 2 până la 10 unități) de ilită precipită în șisturi, în timp ce smectita, feldspații și alte minerale se dizolvă. Efectele de difracție ale I/S rezultă din împrăștierea coerentă (în 00l) între cristalele subțiri de ilită față în față cu interfețe hidratate care se comportă ca smectita (sunt turbostratice). Pe măsură ce cristalele devin mai groase, numărul de interfețe scade, ceea ce se observă în datele XRD ca o scădere a componentei de smectită a I/S. Observarea unor cristale ideomorfe subțiri de ilită 1M cu trepte de creștere a suprafeței de 1 nm în gresii și șisturi (13) susține ideile lui Nadeau. Subiectul I/S rămâne controversat, dar aici presupun că creșterea conținutului de ilită din I/S odată cu adâncimea de îngropare reprezintă pur și simplu creșterea unor cristale de ilită din ce în ce mai groase.
Pentru a extrage informații cronologice utile din datarea K-Ar a illitei, am găsit util conceptul de spectre de mărime a grăunților în funcție de vârstă (spectre de mărime și vârstă) (Fig. 1a). O probă este împărțită în mod obișnuit în trei fracțiuni de dimensiuni ale argilei: grosieră (C = 0,2-2,0 μm), medie (M = 0,02-0,2 μm) și fină (F = <0,02 μm) și, pentru fiecare, se obține o vârstă K-Ar de rutină. Utilizarea fracțiunii <2-μm exclude, în general, feldspatul, astfel încât singurele faze purtătoare de K sunt ilita și micele. Reprezentarea acestora sub forma unor grafice simple de bare a evidențiat trei forme majore de spectre pentru rocile sedimentare: înclinat, plat și înclinat. Acestea sunt tipice pentru șisturi, K-bentonite și, respectiv, gresii.
(a) Spectrul mărimii vârstei pentru șisturi. Eșantionul este împărțit în trei fracțiuni de dimensiuni ale argilei: grosier (C = 0,2-2,0 μm), mediu (M = 0,02-0,2 μm) și fin (F = <0,02 μm). Un spectru înclinat este tipic pentru șisturi, care sunt depuse cu o gamă largă de dimensiuni inițiale ale micetelor detritice. De obicei, fracția C este mai veche decât vârsta de depunere, dar acest lucru depinde de proporția de mica detritică. Fracția F este, de obicei, mai tânără decât vârsta de depunere din cauza dominanței illitei diagenetice. (b) Spectrul mărimii vârstei pentru un K-Bentonit este plat; adică, toate fracțiunile de mărime au aceeași vârstă K-Ar, mai tânără decât vârsta depozițională. Bentonitele dau vârsta diagenetică în mod direct, deoarece nu conțin ilită detritică.
Un spectru înclinat (Fig. 1a) este tipic pentru șisturi, care sunt depuse cu o gamă largă de dimensiuni inițiale ale micetelor detritice. De obicei, fracția C este mai veche decât vârsta de depunere, dar acest lucru depinde de proporția de ilită diagenetică. Fracția F este, de obicei, mai tânără decât vârsta de depunere din cauza dominației illitei diagenetice. Este important faptul că, așa cum au subliniat acum 35 de ani Hower et al. (9), nu există nicio modalitate de a utiliza aceste date, decât ca limite grosiere. Toate fracțiunile par a fi amestecuri fizice, iar noi nu cunoaștem proporțiile. Amestecul de ilită veche și tânără din șisturi poate da, pentru unele probe, vârste K-Ar fortuit de apropiate de vârsta depoziției (9). Rețineți că datele K-Ar din șisturi nu pot fi interpretate cu succes prin utilizarea metodei izocronilor, deoarece șisturile sunt amestecuri de lucruri care s-au format în momente diferite. Cu toate acestea, ele dau deseori „mixocroni”, liniari, dar inutili, cu aspect plăcut.”
Bentoniții (definiție stratigrafică) sunt o clasă neobișnuită de șisturi care constau din cenușă vulcanică sticloasă căzută din aer alterată în smectită (3). K-bentonitele (3) sunt cele care au suferit o diageneză ulterioară în ilită sau I/S. Acestea sunt de mare valoare pentru studiile asupra illitei, deoarece nu conțin mice dioctaedrice detritice, ci doar ilită diagenetică. Spectrul mărime-vârstă al unui K-bentonit este de obicei plat (Fig. 1b); adică, toate fracțiunile de mărime au aceeași vârstă K-Ar, mai tânără decât vârsta depozițională. Bentonitele dau direct vârsta diagenetică medie. Dacă bentonitele ar fi comune în înregistrarea stratigrafică, am putea uita de încercarea de a obține vârste semnificative din șisturile obișnuite. Ele sunt utile pentru problema noastră de datare, deoarece ne dau o idee despre cum este ilita diagenetică imaculată. Studiile mineralogice ale K-bentoniților K sunt numeroase, iar XRD arată că illita și I/S sunt în întregime politruci 1M cu cantități moderate de dezordine rotațională de 120° (14, 15). Muscovita 2M1 nu se găsește niciodată ca fază diagenetică în K-bentonitele din bazinele sedimentare. Aceasta este o veste bună, deoarece ne oferă o posibilă modalitate de diferențiere și cuantificare a componentelor diagenetice și detritice din șisturi.
Microscopia de forță atomică (AFM) arată că cristalele de ilită K-bentonită au o grosime de numai câțiva nanometri (Fig. 2), cu o predominanță a treptelor de creștere de 1 nm. Primul aspect este confirmat de studiile XRD ale reflexiilor 00l (16); cel de-al doilea este în concordanță cu politeia lor de 1M. Subtilitatea extraordinară explică probabil abundența illitei diagenetice în fracțiunile fine ale șisturilor.
Imaginea de deflexie AFM a cristalelor de ilită din K-bentonitul din Tioga. Scara este în nanometri. Treptele individuale de creștere au o înălțime de 1 nm; cel mai mare cristal are o grosime de 7 nm. Imaginea a fost realizată în aer, în modul de contact, pe un Nannoscope MultiMode IIIa de la Digital Instruments (Santa Barbara, CA).
Sablanele cu o matrice de depunere asemănătoare cu cea a șisturilor sau cu grăunțe litice abundente au spectre mărime-vârstă similare cu șisturile și nu vor fi discutate în continuare. Gresiile curate constau numai din granule de cuarț, feldspați, mica etc. de mărimea nisipului și nu au argilă depozițională. Ele sunt depuse într-un mediu cu energie ridicată (cum ar fi o plajă), în care particulele fine sunt îndepărtate prin vâslire. În timpul diagenezei, feldspații și alți constituenți ai rocilor pot reacționa cu fluidele din pori pentru a precipita ilita sau alte argile diagenetice; prin urmare, materialul fin din aceste gresii tinde să fie în mare parte diagenetic, și mai mult decât în cazul șisturilor. Un spectru tipic de mărime și vârstă al gresiei (Fig. 3) este în formă de bancă; adică fracțiunea C este mai veche decât vârsta de depunere, în timp ce fracțiunile M și F au aceeași vârstă, mai tânără decât vârsta de depunere. Această aplatizare în fracțiile mai fine ne permite să concluzionăm că mica fină detritică este absentă în aceste fracții și că am măsurat vârsta medie de formare a illitei. Din nefericire, ilita diagenetică nu este la fel de abundentă în gresie ca în șisturi și nu toate gresiile sunt gresii curate.
Spectrul mărime-vârstă al gresiei. Spectrul este de obicei în formă de bancă; adică fracțiunea C este mai veche decât vârsta de depunere, în timp ce fracțiunile M și F au aceeași vârstă, mai tânără decât vârsta de depunere. Aplatizarea în fracțiile mai fine indică faptul că mica fină detritică este absentă în aceste fracții și că am măsurat vârsta medie de formare a illitei. Simbolurile sunt aceleași ca în Fig. 1.
Există multe studii asupra illiților de umplere a porilor, atât mineralogice, cât și de datare K-Ar (2, 6, 10). Literatura de specialitate abundentă se datorează în primul rând efectului negativ pe care ilita îl are asupra permeabilității rezervoarelor petroliere de gresie. Illitele sunt de obicei ideomorfe, cu un pronunțat obicei fibros (latină) (axa lungă este axa a cristalografică), ceea ce le face subiecte interesante pentru microscopie (Fig. 4). În industria petrolieră, ele sunt adesea numite „illite păroase”. Cristalele sunt ideomorfe deoarece precipită neconstrâns din fluid într-un por relativ mare. Ele sunt toate de tip 1M poli, cu o mică dezordine rotațională de 120°. La fel ca în cazul K-bentonitelor, sunt subțiri (2-10 nm), cu pași de creștere de 1 nm și unele dovezi de creștere în spirală. Eșantioanele compuse din cristale deosebit de subțiri sunt I/S prin XRD. Nu există nicio dovadă a existenței unui precursor de smectită. Laturile individuale pot fi întrepătrunse la 120° pentru a produce agregate în formă de stea sau gemeni (Fig. 5). Îngemănarea (o rotație de 120° în raport cu planul oglinzii care conține situl octaedric gol) este după „legea comună a gemenilor de mica” (8) și probabil explică o mare parte din dezordinea rotațională observată în datele XRD.
Micrografie electronică de scanare a illitei fibroase de umplere a porilor într-o gresie.
(A) Imagine de deflexie AFM a illitei din gresie. Laturile sunt întrepătrunse la 120° într-un agregat stelar sau geamăn după legea comună a geamănului de mica (o rotație de 120° în raport cu planul oglinzii care conține situsul octaedric gol) (8). Materialele granulare care aderă la ilită (în special în dreapta) sunt săruri precipitate în timpul preparării probei. Scara este în micrometri; cristalul are o lungime de ≈1 μm. Această imagine și imaginile ulterioare au fost realizate în aer, în modul de contact, pe un AFM universal (ThermoMicroscopes, Sunnyvale, CA). (B) Prim-plan al centrului din A. Liniile arată măsurătorile înălțimii treptelor efectuate pe imaginea înălțimii (nu este prezentată). Observați creșterea împletită a treptelor de creștere de 1 nm (10Å). Laturile individuale au o grosime de 6-8 nm. Prin XRD a pulberilor, această probă este 1M, cu o mică dezordine rotațională de 120°. Doar centrul va contribui la această dezordine; nu și laturile proeminente (A). Scara este în angstromi.
Cele de mai sus au stabilit că în rocile sedimentare se dezvoltă cristale subțiri de ilită diagenetică și că acestea au caracteristici mineralogice distincte, cum ar fi efectele I/S XRD și politetul 1M, care le disting de muscovita 2M1. O mare parte din cunoștințele noastre despre politropii dezordonați ai illitei și I/S provin din utilizarea programelor newmod (10) și wildfire (14), care permit calcularea cu ușurință a modelelor XRD complete ale pulberilor de pulbere ale mineralelor argiloase. Aceste programe constituie baza pentru „neamestecul” amestecurilor pe care le-am discutat. În procesul de confruntare a datelor calculate cu cele experimentale privind politropii și dezordinea în ilită, au apărut unele generalizări. Bentonitele și iliții fibroase (gresie) sunt similare în multe privințe (1M cu o dezordine rotațională de aproximativ 120°), dar diferă prin faptul că forma cis-vacantă (15, 17) este mai frecventă în bentonite, iar forma trans-vacantă (structura tradițională 1M) este mai tipică pentru fibre .
Șisturile sunt diferite prin faptul că majoritatea illiților de șisturi (cu excepția componentei 2M1) prezintă o dezordine rotațională aproape maximă, incluzând atât rotații de 120° cât și de 60° (14) și, prin urmare, sunt de tipul 1Md (8). Aceasta înseamnă că fiecare strat succesiv de 1 nm nu are nicio legătură cu stratul de sub el, cu excepția faptului că inelele hexagonale de oxigen se aliniază pentru a acomoda K. Pe baza observațiilor morfologice AFM, illiții de bentonită și gresie cresc în principal prin mecanisme spiralate sau în trepte, în timp ce illiții de șisturi cresc prin nucleare (naștere și răspândire). Illiții din șisturi (Fig. 6) prezintă mulți nuclei mici de 1 nm grosime pe 00l unui substrat mai mare care poate fi mica detritică. Acestea par a fi creșteri epitaxiale plasate la întâmplare. Continuarea unei creșteri similare ar crea o ilită de 1Md. Bentonita și ilitele fibroase au fețe 00l aproape fără caracteristici, cu unul sau mai mulți pași de creștere paralelă. Mecanismele contrastante (creștere vs. nucleație) sunt aproximativ în concordanță cu discuția timpurie privind originea politipilor (8).
Imaginea de deflexie AFM a unui cristal de ilită de șist. Suprafața este acoperită cu creșteri sau nuclee mici, de 1-nm grosime, posibil pe 00l unui substrat mai mare care poate fi mica detritică. Acestea par a fi creșteri epitaxiale plasate la întâmplare. Continuarea unei creșteri similare ar crea o ilită de 1Md. XRD arată 60% 1Md, iar restul 2M1. Modelul XRD pentru această probă este prezentat în Fig. 9b (C). Scara este în angstromi.
Microscopia electronică de transmisie zugrăvește o imagine aparent oarecum diferită a illitei de șist (18), dar nu îmi este clar cât de mult din această diferență este legată de metoda de investigare (microscopie electronică de transmisie vs. XRD). De exemplu, cerințele de coerență sunt probabil mai stricte pentru XRD decât pentru microscopia electronică de transmisie. Predominanța politipului 2M1 în eșantioanele de rocă întreagă măcinate cu ioni (18) este posibil să se datoreze muscovitului detritic; cel puțin așa sugerează datele K-Ar din șisturi (mai vechi decât vârsta depoziției). O discuție mai aprofundată depășește scopul acestei recenzii, dar întrebările ridicate de lucrările de microscopie electronică cu transmisie asupra illitei oferă direcții interesante pentru cercetări viitoare.