Clay Mineral Formation In A Deeply Weathered Boulder Conglomerate In North-East Scotland

Abstract

The clay minerals formed in a deeply weathered boulder conglomerate of Middle Old Red Sandstone (Devonian) age in north-east Scotland have been studied by a variety of physical and chemical techniques. The granite and granulite boulders in this deposit are completely weathered. With the exception of microcline, all the feldspars in these rocks—orthoclase feldspar, orthoclase-microperthite, albite, and oligoclase—weather to a Cheto-type montmorillonite, poor in iron. Electron and optical microscopy indicate that the weathering transformation is a direct one, without the intervention of any intermediate crystalline or well-defined amorphous phase. Structural control of the primary mineral over the formation of the montmorillonite seems to have been a minimal factor and the evidence suggests that the clay mineral crystallized from the soluble or colloidal products arising from the decomposed feldspars. Smaller amounts of kaolinite also formed during weathering but largely from the weathering of muscovite. The environment in which these changes occurred seems to have been alkaline in a relatively closed system. Chemical analyses of related cores and weathered shells of granite and granulite bounders show only a slight decrease of silica and an increase in magnesia. Judging from the extent of alteration to secondary clay minerals, the order of resistance towards weathering of the primary minerals in these rocks is plagioclase = orthoclase < muscovite < biotite < microcline < quartz.

Résumé

Les minéraux argileux formés dans un conglomérat à galets profondément altéré du niveau Middle Old Red Sandstone (Dévonien) situé au Nord-Est de l’Ecosse, ont été étudiés par diverses techniques physiques et chimiques. Dans ce gisement, les galets de granite et de granulite sont complètement altérés. A l’exception du microcline, tous les feldspaths de ces roches—orthoclase, orthoclase-microperthite, albite et oligoclase—s’altèrent en une montmorillonite du type Cheto, pauvre en fer. Les microscopies électronique et optique indiquent que la transformation qui se passe pendant l’altération est directe, sans aucune intervention de phase à cristallisation intermédiaire ou de phase amorphe bien définie. Le contrôle structural qu’exerce le minéral primaire sur la formation de la montmorillonite semble avoir été un facteur de faible importance et ce que l’on observe suggère que le minéral argileux a cristallisé à partir de produits dissous ou colloïdaux provenant des feldspaths décomposés. De plus petites quantités de kaolinite se sont également formées pendant l’altération, mais essentiellement à partir de la muscovite. L’environnement dans lequel ces changements ont eu lieu semble avoir été un système relativement fermé et alcalin. Les analyses chimiques des parties profondes et des écailles altérées correspondantes des galets de granite et de granulite montrent seulement une légère diminution de la silice et une augmentation de la magnésie. Si l’on se réfère à l’importance de l’altération en minéraux secondaires, l’ordre de résistance à l’altération des minéraux primaires de ces roches est: plagiociase = orthoclase < muscovite < biotite < microcline < quartz.

Kurzreferat

Die Tonminerale, die sich in einem tief verwitterten Geschiebekonglomerat in der Sandsteinschicht der Devonischen Formation von Nordostschottland gebildet hatten wurden mittels verschiedener physikalischer und chemischer Methoden untersucht. Die Granit—und Granulitgeschiebe dieses Vorkommens sind vollständig verwittert. Mit der Ausnahme des Mikroklins, verwittern alle die Feldspate dieser Gesteine-Orthoklasfeldspat, Orthoklasmikroperthit, Albit und Oligoklas zu einem eisenarmen Montmorillonit vom Cheto-typ. Elektronen- und optische Mikroskopie zeigen an, dass die Witterungsverwandlung eine unmittelbare ist, ohne das Dazwischentreten einer kristallinen oder wohlausgebildeten amorphen Zwischenphase. Die Gefügesteuerung des Primärminerals in bezug auf die Bildung des Montmorillonits scheint ein unbedeutender Faktor gewesen zu sein und das vorhandene Material deutet darauf hin, dass das Tonmineral aus den löslichen oder kolloidalen Produkten kristallisiert hat, die sich aus den zersetzten Feldspaten ergeben. Während der Verwitterung werden auch kleinere Mengen von Kaolinit gebildet, jedoch hauptsächlich durch die Verwitterung von Muskowit. Das Milieu in dem diese Veränderungen stattfanden scheint alkalisch gewesen zu sein, in einem verhältnismässig geschlossenem System. Chemische Analysem verwandter Bohrkerne und verwitterter Schalen von Granit- und Granulitgeschieben zeigen nur eine geringe Verminderung an Kieselsäure und eine Zunahme an Magnesia an. Auf Grund des Ausmasses an Veränderung zu sekundären Tonmineralen kann angenommen werden, dass die Widerstandsfähigkeit der Primärminerale gegen Verwitterung in diesem Gestein gemäss der folgenden Reihenfolge vertauft: Plagioklas = Orthoklas < Muskowit < Biotit < Mikroklin < Quartz.

Резюме

С использованием различных физических и химических методов проведено исследование глинистых минералов, образовавшихся в глубоко выветрелых валунных конгломератах девона (Миддл Олд Ред Сэндстоун) северо-востока Шотландии. Гранитные и гранулитовые валуны испытали глубокое выветривание. За исключением микроклина, все полевые шпаты — ортоклаз, ортоклаз-микропертит, альбит и олигоклаз — превращены в монтмориллонит типа цето с малым содержанием железа. Изучение в электронном и оптическом микроскопах показало, что выветривание протекало без образования каких-либо промежуточных кристаллических или аморфных фаз. Влияние структуры первичных минералов на процесс образования монтмориллонита, по-видимому, является минимальным и имеются доказательства того, что кристаллизация глинистых минералов происходила из истинно растворенных или коллоидных соединений, образовавшихся при разложении полевых шпатов. В процессе выветривания образовалось также небольшое количество каолинита, главным образом, по мусковиту. Среда, в которой протекали изменения минералов, очевидно, была щелочной, а система — относительно замкнутой. Химические анализы свежих и выветрелых частей гранитных и граяулитовых валунов обнаружили лишь незначительный дефицит кремнезема и повышенное содержание окиси магния. Судя по степени изменения в глинистые минералы, по устойчивости к выветриванию первичные минералы образуют ряд: плагиоклаз = ортоклаз < мусковит < биотит < микроклин < кварц.