Mineralogical Transformations During Weathering of Lignite Overburden in East Texas

Abstract

Mineralogical weathering sequences in sediments overlying lignite beds were investigated in a core (27 m deep) from Calvert, Robertson County, northeast Texas. Weathering trends were evaluated based on the properties and relative distributions of both the expandable and non-expandable minerals. The sulfide minerals in these sediments are the most susceptible to weathering and were only observed in the unaltered (reduced) zone below 7 m. Oxidation of the sulfides has resulted in the formation of jarosite and gypsum in the upper 7 m of the core (oxidized zone). The oxidized zone is further characterized by reddish brown colors (high chroma), a greater quantity of dithionite-extractable iron, and absence of chlorite. Although the major clay minerals in these sediments (smectite, kaolinite, mica) are largely detrital, weathering has resulted in an increase in the content of kaolinite and a decrease in the content of mica towards the surface. The mica appears to have altered to a high-charge smectite characterized by basal spacings of 32 Â after intercalation with octadecylammonium cations. The high-charge smectite is most abundant in the soil horizons at the top of the core and gradually decreases with depth. A low-charge smectite is the most abundant species in the un weathered parent sediments and increases with depth. Key Words—Lignite, Oxidation, Reclamation, Smectite, Soil, Weathering.

Резюме

Исследовалась последовательность минералогического выветривания в осадках, залегающих лигнитовые пласты в стержне (глубиной 27 м) из Кальверт, Область Робертсон, северно-восточный Тексас. Тенденции выветривания определялись на основе свойств и относительного распределения расширяющихся и нерасширяющихся минералов. В этих осадках серные минералы являются наиболее чувствительными к выветриванию и могут наблюдаться в неизмененной (уменьшенной) зоне только ниже 7 м. Образование ярозита и гипса в верхних 7 м стержня (окисленная зона) является результатом окисления сульфидов. Окисленная зона характеризуется также красно-коричневыми цветами (большое количество желтого цвета), увеличенным количеством железа, извлекаемого дитионитом и отсутствием хлорита. Хотя в этих осадках главные глинистые минералы (смектит, каолинит, слюда) в основном являются детритовыми, результатом выветривания есть увеличение содержания каолинита и уменьшение содержания слюды в направлении к поверхности. Повидимому, слюда изменилась в высоко-заряженный смектит, характеризующийся основным расстоянием 32 А после прослойки с катионами октадецилового аммония. Высоко-заряженный смектит главным образом присутствует в почвенных пластах в верхней части стержня и его количество постепенно уменьшается с глубиной. Низко-заряженный смектит является наиболее обильным в невыветренных материнских осадках и его количество увеличивается с глубиной. [Е.С.]

Resümee

Mineralogische Verwitterungsabfolgen in Sedimenten, die Lignit-Schichten überdecken, wurden in einem Bohrkern (27 m tief) von Calvert, Robertson County, Nordost-Texas untersucht. Verwitterungstrends wurden anhand der Eigenschaften und der relativen Verteilung von expandierbaren und nicht expandierbaren Mineralen ausgewertet. Die Sulfidminerale in diesen Sedimenten sind am meisten für die Verwitterung anfällig und wurden nur in der unveränderten (Reduktions-)Zone unter 7 m beobachtet. Die Oxidation der Sulfide führte zur Bildung von Jarosit und Gips in den oberen 7 m des Bohrkerns (Oxidationszone). Die Oxidationszone ist weiters durch rotbraune Farben (hoher Chromgehalt), einen höheren Gehalt an durch Dithionitextrahierbares Eisen und das Fehlen von Chlorit gekennzeichnet. Obwohl die häufigsten Tonminerale in diesen Sedimenten (Smektit, Kaolinit, Glimmer) weitgehend detritisch sind, führte die Verwitterung in Richtung zur Oberfläche zu einer Zunahme des Kaolinitgehaltes und einer Abnahme des Glimmergehaltes. Der Glimmer scheint in einen “high-charge” Smektit umgewandelt zu sein, der nach dem Austausch mit Oktadecylammoniumkationen durch einen Basalabstand von 32 Ä charakterisiert ist. Dieser Smektit ist in den Bodenhorizonten an der Spitze des Bohrkerns am häufigsten und nimmt allmählich mit der Tiefe ab. Ein “low-charge” Smektit ist am häufigsten in den unverwitterten Ausgangssedimenten und nimmt mit der Tiefe zu. [U.W.]

Résumé

Des séquences d'altération minéralogique dans des sédiments emplacés au dessus de lits de lignite ont été investigués dans une carotte (27 m de profondeur) de Calvert, Robertson County, Texas du nord-est. Une évaluation des tendances d'altération a été faite basée sur les propriétés et les distributions relatives des minéraux expansibles et non-expansibles. Les minéraux sulfides dans ces sediments sont plus susceptibles à l'altération et n'ont été observés que dans la zone non-altérée (réduite) sous 7 m. L'oxidation des sulfides a resulté en la formation de jarosite et de gypse dans les 7 m supérieurs de la carotte (zone oxidée). La zone oxidée est d'avantage caracterisée par des couleurs rouge-brunâtres (chroma élevé), une quantité supérieure de fer qui peut être extrait de la dithionite, et l'absence de cholorite. Malgré que les minéraux argileux majeurs dans ces sédiments (smectite, kaolinite, mica) sont largement détritiques, l'altération a résulté en une augmentation du contenu en kaolinite et une réduction du contenu en mica vers la surface. Le mica semble s’être altéré en une smectite à charge élevée caractérisée par des espacements de base de 32 Â après intercalation avec des cations octadecylammonium. La smectite a charge élevée est la plus abondante dans les horizons de sol au haut de la carotte et décroît de manière graduée proportionnellement à la profondeur. Une smectite à basse charge est l'espèce la plus abondante dans le parent non-altéré et augmente proportionnellement à la profondeur. [D. J.]