Kinetic Model of Zeolite Paragenesis in Tuffaceous Sediments

Abstract

The sequence of mineral reactions involving zeolites and other authigenic phases in tuffaceous sedimentary rocks can be explained by growth- and dissolution-reaction kinetics. Kinetic factors may determine the specific authigenic phases which form and the temporal and spatial constraints on the solution composition during irreversible dissolution and growth reactions in glass-bearing rocks. The glass phase generates a high level of supersaturation with respect to a variety of aluminosilicates in the pore fluid. The sequence of assemblages formed during a series of metastable reactions resembles an Ostwald step sequence. Metastable reactions occur because formation of less stable phases such as gels, clays, and disordered zeolites may lower the total free energy of the glass-bearing system faster than the growth of the stable assemblage including ordered feldspars, quartz, and micas. Eventually, after a series of steps, the most stable silicate assemblage for the bulk composition, temperature, and pressure may form. However, the formation of intermediate metastable phases can delay the attainment of equilibrium by as much as tens of millions of years.

Резюме

Порядок минералогических реакций, включающих цеолиты и другие аутигенные фазы в туфовых осадочных породах, можно объяснить кинетикой реакций роста и растворения. Кинетические факторы могут определять образующиеся специфические аутигенные фазы, а также временные и пространственные ограничения, влияющие на состав раствора во время необратимых реакций растворения и роста в породах, содержащих стекло. Стекляные фазы создают высокий уровень пересыщения различными алюмосиликатами в поровой жидкости. Порядок формаций, образующихся в течение серии метастабильных реакций, напоминает ступенчатый порядок Оствальда. Метастабильные реакции происходят, так как образование таких менее стабильных фаз, как гелей, глин, и неупорядоченных цеолитов, может снизить общую свободную энергию систем, включающих стекло, быстрее, чем рост стабильных формаций, содержащих упорядоченные фельдшпаты, кварц, и слюду. В конечном итоге по серии стадий может образоваться формация силиката наиболее стабильная для общего состава, температуры и давления. Однако образование промежуточных метастабильных фаз может задержать достижение равновесия до 10 миллионов лет. [E.C.]

Resümee

Die Abfolge von Mineralreaktionen, die Zeolithe und andere authigene Phasen in tuffhaltigen sedimentären Gesteinen mit umfaßt, kann durch Wachstums- und Lösungskinetik erklärt werden. Kinetische Faktoren können die sich bildenden spezifischen authigenen Phasen erklären sowie die zeitlichen und räumlichen Auswirkungen auf die Lösungszusammensetzung während irreversibler Lösungs- und Wachstumsreaktionen in glashaltigen Gesteinen. Die Glasphase verursacht einen hohen Grad von Übersättigung im Hinblick auf eine Reihe von Alumosilikaten in der Porenlösung. Die Abfolge von Mineralkombinationen, die sich während einer Reihe von metastabilen Reaktionen bildet, ähnelt einer Ostwald'schen Stufenregel. Metastabile Reaktionen treten auf, da die Bildung von weniger stabilen Phasen, wie Gelen, Tonen, schlecht geordneten Zeolithen, die gesamte freie Energie des glashaltigen Systems schneller verringern können als das Wachstum stabiler Paragenesen, die geordnete Feldspäte, Quarz, und Glimmer enthalten. Gelegentlich kann sich dann, nach einer Reihe von Schritten, die im Hinblick auf den Gesamtchemismus, die Temperatur und den Druck stabilste Silikatparagenese bilden. Die Bildung von metastabilen Übergangsphasen kann jedoch die Einstellung des Gleichgewichtes um Zehner von Millionen von Jahren verzögern. [U.W.]

Résumé

La séquence de réactions minérales impliquant des zéolites et d'autres phases authigéniques dans des roches tufacées sédimentaires peut être expliquée par la cinétique de réactions de croissance et de dissolution. Des facteurs cinétiques peuvent déterminer les phases authigéniques spécifiques qui se forment, et les contraintes temporelles et spatiales sur la composition de la solution pendant les réactions irréversibles de dissolution et de croissance dans des roches contenant du verre. La phase verre génère un niveau élevé de supersaturation respectivement à une variété d'aluminosilicates dans le fluide des pores. La séquence d'assemblages formés pendant une série de réactions métastables ressemble à une séquence par étapes d'Ostwald. Des réactions métastables sont produites parceque la formation de phases moins stables comme des gels, des argiles, et des zéolites désordonnés peut abaisser l’énergie totale libre du système contenant le verre plus rapidement que la croissance de l'assemblage stable impliquant des feld-spaths, du quartz, et des micas ordonnés. Eventuellement, après une série d’étapes, l'assemblage silicate le plus stable pour la composition en masse, la température, et la pression, peut être formée. La formation de phases intermédiaires métastables peut cependant retarder l'obtention de cet équilibre pendant des dizaines de millions d'années. [D.J.]