Lithium and Potassium Saturation of Illite/Smectite Clays from Interlaminated Shales and Sandstones

Abstract

Mixed-layer illite/smectite (I/S) clays in lower Eocene sediments of the Texas Gulf Coast decrease in expandability with depth as found in previous studies of clay diagenesis, but at the same depth the 1/S clays from sand laminae tend to be more expandable than clays from adjacent shales. The I/S clays with greater expandability from sands collapse to phases with very low expandabilities after saturation with K. This non-ideal smectite behavior indicates that many of the expandable layers in I/S clays from sand laminae possess an illite-level negative layer charge on the structure. The Greene-Kelley Li-saturation test of the I/S clays also reveals that a considerable portion of the increased layer charge deficiency is created by tetrahedral substitution. The illitization of individual smectite layers in an I/S clay is envisioned to be a two step process instead of the single step rapid transformation implied in many earlier studies. The first rate-limiting step is the creation of sufficiently large negative layer charge in the lattice, primarily by AI for Si substitution in the tetrahedral sheet. The second rate-limiting step is the supply of K to the high-charged expandable layers. The abundance of high-charged expandable layers in I/S clays from sand laminae suggests that the K supply is influenced more by competing ions in the interstitial waters than by the absolute activity of K.

Резюме

Смешанно-слойные глины, иллит/смектит (И/С), в осадках нижней Эоценовой формации на побережьи Техаского залива характеризуются уменьшающейся способностью к расширению с глубиной, как это было обнаружено в предыдущих исследованиях диагенеза глин. На одинаковой глубине, тем не менее, И/С глины из песчаной плоскости отслоения имеют большую тенденцию к расширению, чем глины из соседних сланцев. И/С глины, из песков, с большей способностью к расширению обваливаются на фазы с очень низкой способностью к расширению после насыщения калием. Это неидеальное поведение смектита указывает на то, что многие расширающиеся слои в И/С глинах из песчаной плоскости отслоения имеют отрицательный слойный заряд решетки на уровне иллита. Проба Грина-Келлея по насыщению И/С глин литием также показывает, что значительная часть увеличивающейся недостаточности заряда слоев воздается тетраэдрическим замещением. Иллитизация индивидуальных слоев смектита в И/С глине является двуступенчатым процессом вместо одноступенчатой быстрой трансформации, предполагаемой во многих ранних исследованиях. Первая ограничивающая скорость ступень—это создание достаточно большого отрицательного cлoйного заряда решетки, в основном, замещением кремния алюминием в тетраэдрических пластах. Вторая ограничивающая скорость ступень—это снабжение калием расширающихся слоев в высоким зарядом. Избыток этих слоев в И/С глинах из песчаной плоскости отслоения указывает на то, что конкурирующие ионы промежуточных вод влияют на доставку калия более, чем его абсолютная активность. [Е.С.]

Resümee

Die Expandierbarkeit der Illit/Smektit-Wechsellagerungen (IS) in den Untereozänen Sedimenten der Golfküste von Texas nimmt mit der Tiefe ab, wie aus früheren Untersuchungen zur Diagenese von Ton hervorgeht. Die I/S-Tone aus den Sandlagen der gleicheu Tiefe sind jedoch mehr expandierbar als die Tone der benachbarten Tonschiefer. Die I/S-Tone mit der größeren Expandierbarkeit aus den Sanden kontrahieren nach einer Kalium-Sättigung zu Phasen mit einer sehr geringen Expandierbarkeit. Dieses nichtideale Smektit-Verhalten deutet darauf hin, daß viele der expandierbaren Lagen in den I/S-Tonen aus den Sandschichten eine dem Illit entsprechende negative Schichtladung haben. Der Lithiumsättigungs-Test nach Greene und Kelley der I/S-Tone zeigt ebenfalls, daß ein beträchtlicher Anteil des erhöhten Schichtladungsmangels durch Substitution auf den Tetraederplätzen hervorgerufen wird. Es wird angenommen, daß die Illitisierung einzelner Smektit-Lagen in einem I/S-Ton in zwei Schritten vor sich geht anstatt durch eine rasche Umwandlung in einem Schritt, wie es in vielen, früheren Untersuchungen angenommen wurde. Der erste geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Bildung einer genügend großen negativen Schichtladung im Gerüst, die vor allem dutch die Substitution von Si durch Al in den Tetraederlagen hervorgerufen wird. Der zweite geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Kaliumzufuhr zu den hoch geladenen expandierbaren Lagen. Der Überschuß an hochgeladenen expandierbaren Lagen in den I/S-Torten aus den Sandschichten deutet daraufhin, daß die Kaliumzufuhr in größerem Maße durch die konkurrierenden Ionen im Wasser der Zwischenschicht als durch die absolute Kalium-Aktivität bestimmt wird. [U.W.]

Résumé

L’expansion des argiles illite/smectite (I/S) à couches mélangges dans les sédiments du bas éocène de la Côte du Golfe du Texas décroit à mesure que la profondeur croit, ainsi qu’on l’a montré dans des études précédentes de la diagénèse des argiles, mais à la même profondeur, les argiles I/S dans les lames de sable tendent à être plus expansibles que les argiles duns les shales adjacents. Les argiles I/S ayant la plus grande expansion s’effondrent en des phases avec des expansions très basses apres avoir été saturées de K. Ce comportement non-idéal de smectite indique que beaucoup de couches expansibles dans les argiles I/S des lames de sable possèdent une couche à charge négative au niveau illite sur l’édifice cristallin. Le test de saturation-Li Greene-Kelley des argiles I/S révèle aussi qu’une portion considérable de la plus grande déficience de charge de couche est crée par la substitution tétraèdre. L’illitisation de couches individuelles de smectite dans une argile I/S est vue comme un procédé à deux étapes plutôt qu’une transformation rapide à une étape impliquée dans beaucoup d’études précédentes. La première étape limitant l’allure est la création d’une charge négative suffisemment grande darts l’édifice cristallin, principalement par la substitution d’ Al pour Si dans la feuille tétraèdre. La deuxième étape limitant l’allure est la fourniture de K aux couches expansibles hautement chargées. L’abondance de couches expansibles à haute charge dans les couches des argiles I/S des lames de sable suggère que la fourniture de K est plus influencée par la compétition d’ions dans les eaux interstitiales que par l’activité absolue de K. [D.J.]