Diagenesis of illite in argillaceous sediments of the Rhinegraben

Abstract

The diagenesis of illite from smectite was investigated in relation to temperature on marly shale core samples from different Tertiary stages (depths between 200 and 3000 m) by X-ray and chemical analyses. It is concluded that the alteration of smectite to illite primarily depends on the cumulative energy supply (temperature × time). Small grain size and high potassium concentrations in the pore solutions shorten the time necessary to complete the alteration. Potassium is supplied by decomposition of feldspar within the sediment so that the replacement of feldspar by secondary calcite increases the availability of potassium. Supply of potassium by pore solutions from distant sources is very unlikely due to reduced permeability in compacted shales. Illite diagenesis is influenced by the inherited layer charge of the initial smectite.

Résumé

La diagenèse de la smectite en illite a été étudiée en fonction de la température sur des échantillons de sondage de schistes marneux provenant de différents étages tertiaires (profondeurs comprises entre 200 et 3000 m) au moyen d'analyses chimiques et aux rayons X. On en conclut que la modification de la smectite en illite dépend essentiellement de l'apport cumulé d'énergie (température × temps). Une faible dimension de grain et de fortes concentrations en potassium dans les solutions présentes dans les pores abrègent le temps nécessaire à l'achèvement de la modification. Le potassium est fourni par la décomposition du feldspath à l'intérieur du sédiment, et ainsi le remplacement du feldspath par une calcite secondaire accroît le potassium disponilbe. L'arrivée de potassium de solution présente dans les pores et provenant de sources éloignées est très improbable en raison de la perméabilité réduite des schistes compactés. La diagenès en illite est influencée par la charge héritée de la smectite initiale.

Kurzreferat

Die diagenetische Umwandlung von Smektit in Illit wurde in Abhängigkeit von der Temperatur an mergeligen Tonproben verschiedener Tertiärstufen des Oberrheingrabens aus 200 bis 3000 m Tiefe röntgenographisch und chemisch untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Illitgiagenese in erster Linie von der kumulativen Energiezufuhr (Produkt aus Temperatur und Dauer) bestimmt wird. Gereinge Korngrösse und hohe Kaliumgehalte in den Porenlösungen können die Umwandlung beschleunigen. Das erforderliche Kalium stammt aus dem Zerfall von dem im Sediment vorhandenen Kalifeldspat. Die Verdrängung von K-Feldspat durch sekundären Calcit vergrössert das Kaliumangebot. Die K-Zufuhr durch Porenwasserströmungen aus vertikal oder horizontal entfernteren Bereichen ist unwahrscheinlich wegen der geringen Durchlässigkeit der Mergeltone bei fortgeschrittener Kompaktion und der geringen K-Konzentration der Porenlösungen. Der Einfluss der Schichtladung des primären Smektites auf die Illitdiagenese wird vermutet.

Resumen

Se ha investigado la diagénesis de la ilita a partir de la esmectita en relación con la temperatura en muestras de esquisto margoso procedentes de distintas etapas del Terciario (profundidades entre 200 y 3000 m) mediante anáilisis de rayos X y químico. Se ha llegado a la conclusión de que la alteración de la esmectita a ilita depende principalmente de la aportación de energía acumulativa (temperatura × tiempo). El tamaño pequeño de los granos y las fuertes concentraciones de potasio en las soluciones de los poros acortan el tiempo necesario para que tenga lugar la alteración. El potasio es aportado por la descomposición de feldespato dentro del sedimento, de modo que reemplazando el feldespato por calcita secundaria aumenta la disponibilidad de potasio. La aportación de potasio por las soluciones de los poros desde procedencias distantes es muy improbable debido a la reducida permeabilidad en los esquistos compactados. La diagénesis de la ilita está influída por la carga heredada de la esmectita inicial.