Beidellite crystallization from plagioclase and amphibole precursors: local and long-range equilibrium during weathering

Abstract

A comprehensive study of weathering in plagioclase-hornblende rock (amphibolite) from La Roche-l'Abeille, Massif Central, using optical and classical methods of clay mineralogy and electron microprobe determinations demonstrates the mineral reactions which can occur as amphibole and plagioclase weather. Both minerals decompose ultimately into beidellitic smectites but of different lattice compositions. It appears, depending on the host mineral, that an aluminous ‘intergrade’ mineral, similar to a hydroxy-complexed vermiculite, forms first, recrystallizing into the beidellites. Exchangeable ion composition of the beidellites suggests that all smectites were in equilibrium with waters of similar chemical activity for Ca and Mg ions at equivalent depths in the profile. The activities of the exchangeable interlayer ions of the newly-formed smectites are similar, regardless of the host mineral. Very local chemical potentials evidently dictate the lattice composition of the phases, ferribeidellite formed from amphiboles, aluminous beidellite formed from plagioclases, but longer range equilibria (centimetric) dictate the type of phase which will crystallize, i.e. smectite.

Résumé

L'étude de l'alteration d'une amphibolite située à La Roche-l'Abeille, Massif Central, France, a été menée à l'aide du microscope pétrographique, des méthodes classiques d'analyse utilisées en minéralogie des argiles et de la microsonde. Cette étude met en évidence les réactions entre minéraux qui se produisent quand plagioclase et hornblende deviennent instables au cours de l'altération. Ces deux minéraux se décomposent en smectites beidellitiques, de compositions différentes selon le matériau parental. Il apparaît que les deux minéraux recristallisent tout d'abord en un minéral ‘intergrade’ alumineux, semblable à une hydroxy-vermiculite qui, à son tour recristallise en beidellite. La composition en ions échangeables de telles beidellites suggère que toutes les smectites étaient en équilibre avec des eaux à activité chimique semblable pour Ca et Mg, à des profondeurs identiques dans le profil.

L'observation la plus frappante indique que, bien que ce soit le même minéral argileux qui se forme d'un bout à l'autre de l'aréue amphibolitique, sa composition est différente selon le type de minéral à partir duquel il se forme, c'est-à-dire plagioclase ou amphibole. Les activités des ions interfoliaires échangeables des smectites néoformées sont semblables, quel que soit le minéral à partir duquel elles se forment. Il est alors évident que des potentiels chimiques très locaux dictent la composition des phases, ferribeidellites formées à partir des amphiboles, beidellites alumineuses à partir des plagioclases, mais que des équilibres de plus vaste étendue (centimétriques) déterminent le type de phase qui cristallisera, c'est-à-dire une smectite.

Kurzreferat

Im Rahmen einer umfassenden Untersuchung des Witterungsablaufs eines Amphibolits von La Roche—l'Abeille im Zentralmassiv von Frankreich werden mit Hilfe der klassischen mineralogischen Methoden sowie mit dem Raster—elektronenmikroskop die Mineralreaktionen aufgezeigt, die bei der Verwitterung von Amphibol und Plagioklas ablaufen. Sie führen zur Bildung von Smektiten, allerdings haben die Tonminerale, je nachdem ob sie aus Plagioklas oder Amphibol erfolgt, verschiedene Gitterzusammensetzung. Es scheint, als ob sich zunächst ein aluminiumhaltiges ‘intergrade’ Mineral bildet, ähnlich einem hydroxy-komplexen Vermikulit und dann erst Beidellit. Die Zusammensetzung der austauschbaren Ionen von den Beidelliten lässt vermuten, dass alle Smektite im Gleichgewicht mit Wasser von ähnlicher chemischer Aktivität für Ca und Mg waren, d.h. Ionen bei äquivalenten Profiltiefen.

Die Aktivitäten von den austauschbaren Zwischenschichtionen der neugebildeten Smektite sind einander ähnlich und zwar unabhängig vom Ausgangsmineral. Örtlich begrenzte chemische Potentiale bestimmen offenbar die Gitterzusammensetzung der Phasen Ferri-Beidellit aus Amphibolen und Al-Beidellit aus Plagioklasen. Jedoch bestimmen weiter reichende Gleichgewichte (cm-Bereich) den sich bildenden Phasentyp wie z.B. Smektit.

Resumen

Un extenso estudio de la meteorización en roca de plagioclasa-hornablenda (anfibolita) de La Roche-l'Abeille, Massif Central, empleando métodos ópticos y clásicos de mineralogía de la arcilla y determinaciones con microsonda electrónica demuestra las reacciones minerales que pueden ocurrir al meteorizarse el anfíbol y la plagioclasa. Ambos minerales se descomponen en esmectitas beidelíticas, pero que son de distintas composiciones de malla. Parece ser que ambos minerales recristalizan primero formando un mineral aluminoso de grado intermedio, similar a una vermiculita hidroxidada, cristalizando seguidamente en las beidelitas. La composición de iones intercambiables de las beidelitas sugiere que todas las esmectitas estaban en equilibrio con aguas de similar actividad química en cuanto a iones Ca y Mg a profundidades equivalentes en el perfil.

Las actividades de los iones intercambiables de la capa intermedia de las esmectitas recién formadas son similares, cualquiera que sea el mineral hospedante. Evidentemente los potenciales químicos muy locales dictan la composición reticular de las fases, formándose ferribeidelita de los anfiboles, beidelita aluminosa de las plagioclasas, pero equilibrios de mayor alcance (centimétricos) dictan el tipo de fase que cristalizará, as decir, la esmectita.