Weathering and Orientation in Triassic Clay Sediments of New Jersey

Abstract

The composition of clay minerai suites derived from Triassic argillite and shale were compared with those of the consolidated parent sediments. Lockatong argillite, near the weathered zone, is composed mainly of illite, chlorite, and feldspar. In the clay horizon immediately above it, illite replaces the feldspar and kaolinite increases with distance from the contact until, near the top of the weathered zone, it is almost the only clay mineral present. A similar study was carried out on Brunswick shale. Here the parent rock consists mainly of illite, and some kaolinite, montmorrilonite, quartz, and feldspar. The kaolinite increases gradually as one progresses upward through the weathered zone, montmorillonite decreases, but approximately 30 per cent illite is still found in the top layers. Chlorite in the argillite near the weathered zone is randomly oriented while illite shows strong preferred orientation, probably indicating that chlorite formed in place during weathering. Illite in the Brunswick shale shows strong preferred orientation.

These two Triassic sediments are less than 5 miles apart and one may assume that they had a similar post-depositional environment. The difference in diagenetic development is striking and must be attributed mainly to the chemical composition and lithology of the parent sediment.

The orientation of clay particles in the solid rock was studied with the aid of an X-ray diffraction technique based on the analysis of cylindrical samples. Three-dimensional intensity data thus obtained were presented by vectors whose ends form a surface which is characteristic of the orientation of the particles. Generally the vectors generate hemispherical normal distributions whose principal vector coincides with the normal to the bedding plane.

Résumé

La composition de suites de minéraux argileux dérivés d’argillite et de shale triasiques, est comparée à celle des sédiments consolidés d’origine. L’argillite Lockatong, près de la zone de dégradation, est composée principalement d’illite, de chlorure et de feldspath. Dans l’horizon argileux, immédiatement au-dessus, l’illite remplace le feldspath et le kaolin augmente avec la distance à partir du contact jusqu’à ce que, près du sommet de la zone de dégradation, il n’y ait presque plus que des minéraux argileux. Une étude similaire a été faite sur le shale de Brunswick. Ici la roche parenté consiste principalement en illite. et quelque kaolinite. montmorillonite, quartz et feldspath. Le kaolinite s’accroît graduellement au fur et à mesure que l’on progresse en montant vers la zone de dégradation, le montmorillonite décroît, mais on trouve encore environ 30 pour cent d’illite dans les couches supérieures. Le chlorure qui se trouve dans l’argillite près de la zone de dégradation, est orienté au hasard tandis que l’illite montre une orientation déterminée, indiquant probablement que le chlorure s’est formé sur place pendant la dégradation. Dans le shale de Brunswick, l’illite montre aussi une orientation fortement déterminée.

Ces duex sédiments triasiques sont à moins de cinq miles l’un de l’autre et on peut supposer qu’ils étaient dans un milieu similaire après le dépôt. La différence dans le développement diagénét- ique est évident et il faut l’attribuer principalement à la composition chimique et à la lithologie du sédiment mère.

L’orientation des particules d’argile dans la roche solide a été étudiée avec l’aide d’une méthode de diffraction des rayons X, basée sur l’analyse du prélèvements cylindriques. Les données tridimensionnelles d’intensité ainsi obtenues ont été représentées par des vecteurs dont les extrémités forment une surface caractéristique de l’orientation des particules. Généralement, les vecteurs engendrent des distributions normales hémisphériques dont le vecteur principal coïncide avec la perpendiculaire au plan du lit.

Kurzreferat

Die Zusammensetzung von Tonmineralfolgen aus triassichen Argilliten und Schiefern wurde mit derjenigen der verdichteten Muttersedimente verglichen. Lockatong Argillit in der Nähe der verwitterten Zone setzt sich in der Hauptsache aus Illit, Chlorit und Feldspat zusammen. Im unmittelbar darüber liegenden Tonhorizont wird der Feldspat durch lllit ersetzt, und der Kaolingehalt wird grösser je weiter man sich von der Berührungsstelle entfernt und stellt in der Nähe des Scheitelpunktes der verwitterten Zone beinahe das einzige Tonmineral dar. Eine ähnliche Untersuchung wurde an Brunswick Schiefer durchgeführt. Hier besteht das Muttergestein grösstenteils aus lllit mit etwas Kaolinit, Montmorillonit, Quartz und Feldspat. Der Kaolinit erhöht sich in dem Masse als man sich durch die Verwitterungszone aufwärts bewegt, der Montmorillonit nimmt ab, doch wird in den obersten Schichten immer noch 30 Prozent lllit angetroffen. Chlorit im Argillit in der Nähe der verwitterten Zone ist unregelmässig orientiert, während lllit deutlich bevorzugte Orientierung aufweist, was vermutlich darauf hindeutet, dass der Chlorit während der Verwitterung an Ort und Stelle gebildet wurde, lllit in Brunswick Schiefer zeigt sehr deutlich eine bevorzugte Orientierung.

Diese beiden triassischen Sedimente befinden sich weniger als fünf Meilen voneinander entfernt, und es kann angenommen werden, dass sie nach der Ablagerung in ähnlicher Umgebung existierten. Die unterschiedliche diagenetische Entwicklung ist bemerkenswert und muss in erster Linie der chemischen Zusammensetzung und Lithologie des Muttersediments zugenschrieben werden.

Die Orientierung der Tonteilchen im Festgestein wurde mit Hilfe von Röntgenbeugungsmethoden auf der Grundlage der Analyse zylindrischer Proben untersucht. Die so erhaltenen dreidimensionalen Intensitätsdaten wurden durch Vektoren dargestellt, deren Enden eine für die Orientierung der Teilchen charckteristische Oberfläche formen. Im allgemeinen bilden die Vektoren hemisphärische, normale Verteilungen, deren Hauptvektor mit der Senkrechten auf die Schichtfläche übereinstimmt.

Резюме

Состав свит глинистых минералов, полученных из триасового аргиллита и сланца сравнивался со свитами получаемыми из уплотненных осадочных исходных пород. Локатонг аргиллит, поблизости зоны выветривания, состоит преимущественно из иллита, ×лорита и полевого шпата. В находящемся сразу над ним глиноносном горизонте иллит замещает полевой шпат, а количество каолинита возрастает по мере увеличения расстояния от контакта до тех пор, пока при самом верхе зоны выветривания присутствует почти только глинистый минерал. Сходное исследование проводилось на брунсвигском сланце. В этом случае исходная порода состоит главным образом из иллита и содержит также некоторое количество каолинита, монтмориллонита, кварца и полевого пшата. Каолинит постепенно увеличивается по мере продвижения вверх через зону выветривания, а монтмориллонит уменьшается, но прибл. 30% иллита все еще находят в верхних слоях. Хлорит в аргиллите близ зоны выветривания беспорядочно ориентирован, в то время как иллит показывает сильную предпочитаемую ориентировку, вероятно указывая, что ×лорит образовался на месте в ×оде эрозии. Иллит в брунсвигском сланце показывает сильную предпочитаемую ориентировку.

Эти два триасовые отложения на расстояние менее 8 км (5 миль) друг от друга и можно предположить, что они оба имели сходную окружающую среду после отложений. Разница в диагенетическом развитии очень заметная и следует приписать ее преимущественно ×имическому содержанию и литологии исходного отложения.

Ориентировка частиц глины в коренной породе исследовалась, применяя методы дифракции рентгеновских лучей, основанной на анализе цилиндрических образцов. Полученные таким образом данные трехмерной интенсивности изображаются векторами, концы которых образуют поверхность, что и ×арактерно для ориентировки частиц. В общем, векторы генерируют полусферические нормальные распределения, главный вектор которых совпадает с нормалью к плоскости напластования.