Illit i sedimentära bergarter

Man kan inte diskutera illit utan att beröra ämnet illit/smectit i blandade skikt (I/S), ett mineral där skikt av illit och smectit på enhetscellskala blandas som en kortlek. Lermineraloger brukar vanligtvis sönderdela ett prov och förbereda en eller flera kornstorleksfraktioner som orienterade aggregat (10) på ett objektglas för röntgenpulverdiffraktion (XRD) med en fokuserande diffraktometer. Eftersom partiklarna är orienterade med 00l parallellt med objektglaset visas endast 00l-reflektionerna i data. Illit har en serie 00l-reflektioner baserade på en periodicitet på 1 nm. Smektit, med vatten i mellanskiktet, har en periodicitet på 1,4 nm som kan variera med luftfuktighet eller behandling med organiska ämnen. XRD-mönster (00l-serien) för I/S är vanligtvis icke-periodiska (icke-integrala; de följer inte Braggs lag) och ser inte ut som en fysisk blandning av illit och smektit. De tolkas (6) som att de är resultatet av en enda diffraktion från en förskjuten skiktstruktur som består av två typer av enhetsceller. Det finns en mogen teknik (10) för att kvantifiera och modellera XRD-data från lermineraler med blandade lager.

I/S är vanligt förekommande i skiffer; mycket av illiten i skiffer kan faktiskt vara i form av I/S. Den procentuella andelen illit i I/S ökar vanligtvis med djup och temperatur i de flesta av världens sedimentära bassänger och med den geologiska åldern (6). Detta har tolkats (eller härletts) som ett tecken på en progressiv fast tillstånd eller skiktvis omvandling av smektit till illit där den ursprungliga strukturen hos smektiten ärvs av illiten (11). På senare tid har Nadeau (6, 10, 12) infört de dubbla begreppen fundamentala partiklar och interpartikeldiffraktion för att förklara leror med blandade lager. Enligt detta synsätt fälls tunna (2- till 10-enhetsceller) illitkristaller ut i skiffer medan smektit, fältspat och andra mineraler löses upp. Diffraktionseffekterna av I/S beror på koherent (i 00l) spridning bland tunna illitkristaller som står ansikte mot ansikte med hydratiserade gränsytor som beter sig som smektit (är turbostratiska). När kristallerna blir tjockare minskar antalet gränsytor, vilket syns i XRD-data som en minskning av smektitkomponenten i I/S. Observationen av tunna ideomorfa kristaller av 1M illit med 1 nm stora tillväxtsteg på ytan i sandstenar och skiffer (13) stöder Nadeaus idéer. Ämnet I/S förblir kontroversiellt, men här antar jag att ökningen av illitinnehållet i I/S med begravningsdjupet helt enkelt representerar tillväxten av progressivt tjockare illitkristaller.

För att extrahera användbar kronologisk information från K-Ar-dateringar av illit har jag funnit begreppet kornstorlek kontra åldersspektra (storlek-åldersspektra) användbart (fig. 1a). Ett prov delas rutinmässigt in i tre lerstorleksfraktioner: grov (C = 0,2-2,0 μm), medium (M = 0,02-0,2 μm) och fin (F = <0,02 μm), och för var och en erhålls en rutinmässig K-Ar-ålder. Genom att använda fraktionen <2 μm utesluts i allmänhet fältspat, så att de enda K-bärande faserna är illit och micas. Genom att plotta dessa som enkla stapeldiagram har tre huvudsakliga spektrumformer för sedimentära bergarter avslöjats: lutande, platta och böjda. Dessa är typiska för skiffer, K-bentoniter respektive sandstenar.

Ett lutande spektrum (fig. 1a) är typiskt för skiffer, som avlagras med ett brett initialt storleksintervall av detrital micas. Vanligtvis är C-fraktionen äldre än avlagringsåldern, men detta beror på andelen diagenetisk illit. F-fraktionen är vanligen yngre än den deponerade åldern på grund av dominansen av diagenetisk illit. Viktigt är, som Hower et al. påpekade för 35 år sedan (9), att det inte finns något sätt att använda dessa datum, förutom som grova gränser. Alla fraktioner verkar vara fysiska blandningar och vi känner inte till proportionerna. Blandningen av gammal och ung illit i skiffer kan för vissa prover ge K-Ar-åldrar som slumpmässigt ligger nära avlagringsåldern (9). Observera att K-Ar-data från skiffer inte framgångsrikt kan tolkas med hjälp av isokronmetoden eftersom skiffer är blandningar av saker som bildats vid olika tidpunkter. De ger dock ofta snygga, linjära men värdelösa ”mixochroner”.

Bentoniter (stratigrafisk definition) är en ovanlig klass av skifferlager som består av luftfallande glasartad vulkanisk aska som förändrats till smektit (3). K-bentoniter (3) är de som genomgått efterföljande diagenes till illit eller I/S. De är av stort värde för studier av illit eftersom de inte innehåller detritala dioktaedriska mikas, utan endast diagenetisk illit. Storleksåldersspektrumet för en K-bentonit är vanligtvis platt (fig. 1b), dvs. alla storleksfraktioner har samma K-Ar-ålder, yngre än avlagringsåldern. Bentoniter ger den genomsnittliga diagenetiska åldern direkt. Om bentoniter var vanliga i det stratigrafiska materialet skulle vi kunna glömma att försöka få fram meningsfulla åldrar från vanliga skiffrar. De är användbara för vårt dateringsproblem eftersom de ger oss en uppfattning om hur den ursprungliga diagenetiska illiten ser ut. Mineralogiska studier av K-bentoniter är många, och XRD visar att illiten och I/S är helt och hållet 1M polytyp med måttliga mängder av 120° rotationsstörning (14, 15). 2M1-muskovit hittas aldrig som en diagenetisk fas i K-bentoniter i sedimentära bassänger. Detta är goda nyheter eftersom det ger oss ett möjligt sätt att differentiera och kvantifiera de diagenetiska och detritala komponenterna i skiffer.

Atomkraftmikroskopi (AFM) visar att K-bentonit-illitkristallerna endast är några få nanometer tjocka (Fig. 2), med en dominans av 1-nm-tillväxtsteg. Det förstnämnda bekräftas av XRD-studier av 00l-reflektionerna (16); det sistnämnda stämmer överens med deras 1M-polytyp. Den extraordinära tunnheten förklarar sannolikt överflödet av diagenetisk illit i skifferns fina fraktioner.

Sandstenar med en skifferliknande avlagringsmatris eller rikligt med lithiska korn har storleksåldersspektra som liknar skiffer och kommer inte att diskuteras vidare. Rena sandstenar består endast av sandstora korn av kvarts, fältspat, glimmer etc. och saknar deponeringslera. De avlagras i en miljö med hög energi (som en strand) där de finkorniga ämnena vunnits bort. Under diagenesen kan fältspat och andra bergartsbeståndsdelar reagera med porvätskor för att fällas ut illit eller andra diagenetiska leror; därför tenderar finmaterialet i dessa sandstenar att till största delen vara diagenetiskt, och det i högre grad än för skiffer. Ett typiskt sandstensstorlek-ålderspektrum (Fig. 3) är bänkformat, dvs. C-fraktionen är äldre än avlagringsåldern medan M- och F-fraktionerna har samma ålder, yngre än avlagringsåldern. Denna utplaning i de finare fraktionerna tillåter oss att dra slutsatsen att fin detrital glimmer saknas i dessa fraktioner och att vi har mätt medelåldern för illitbildning. Tyvärr är diagenetisk illit inte lika allmänt förekommande i sandstenar som i skiffer, och alla sandstenar är inte rena sandstenar.

Det finns många studier av porfyllande illiter, både mineralogiska och K-Ar-dateringar (2, 6, 10). Den rikliga litteraturen beror främst på den negativa effekt illit har på permeabiliteten i petroleumreservoarer av sandsten. Illiterna är typiskt ideomorfa med ett uttalat fiberliknande (lath) utseende (den långa axeln är den kristallografiska a-axeln), vilket gör dem intressanta för mikroskopering (fig. 4). De kallas ofta ”hårig illit” inom petroleumindustrin. Kristallerna är ideomorfa eftersom de fälls ut obehindrat från vätska i en relativt stor por. De är alla 1M polytyp, med en mindre 120° rotationsstörning. Liksom i K-bentoniter är de tunna (2-10 nm), med tillväxtsteg på 1 nm och vissa tecken på spiraltillväxt. Prover som består av särskilt tunna kristaller är I/S genom XRD. Det finns inga bevis för en prekursor till smektit. Enskilda laths kan växa samman vid 120° för att producera stjärnliknande aggregat eller tvillingar (fig. 5). Tvillingen (en rotation på 120° i förhållande till spegelplanet som innehåller den tomma oktaedriska platsen) är efter ”common mica twin law” (8) och förklarar sannolikt en stor del av den rotationsstörning som ses i XRD-data.