background image

GEOLOGICA CARPATHICA, 50, 3, BRATISLAVA, JUNE 1999

257–272

DIAGENETIC  TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES  FROM

SEDIMENTS  OF  THE  ŠAMBRON  ZONE  (EASTERN  SLOVAKIA):

XRD,  SEM,  AND  EMPA  STUDY

ADRIAN BIROÒ*, JÁN SOTÁK and JURAJ BEBEJ

Geological Institute, Slovak Academy of Sciences, Bratislava; Branch: Severná 5, 974 01 Banská Bystrica, Slovak Republic;

*biron@gu.bb.sanet.sk

(Manuscript received March 24, 1998; accepted in revised form March 17, 1999)

Abstract: Trioctahedral clay minerals occurring as phyllosilicate cement in diagenetically altered serpentinitic graywackes

have been studied using X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, and microprobe analyses. Two distinct

cement assemblages were observed: (1) saponite ± calcite ± dolomite ± opal-CT ± pyrite, which is restricted to quartz-

rich graywackes, and (2) ordered mixed-layered chlorite/smectite (C/S) + saponite ± calcite ± dolomite ± opal-CT ±

pyrite characteristic of serpentinite-rich graywackes. Swelling properties as well as chemical analyses reveal a predomi-

nance of high-charge layers both in saponite and C/S. Saponite and C/S show a unique composition of 2:1 layers with

respect to Si/(Si+Al) ratio. The decrease in Mg/(Mg+Fe) ratio from saponite to C/S with respect to the increasing Al

IV

content implies that Fe-Mg substitution was controlled by distortion of tetrahedral sheets caused by Si-Al substitution.

The lack of correlation between whole-rock and phyllosilicate Mg/(Mg+Fe) ratios supports this interpretation. Textural

as well as compositional evidence suggests that both saponite and C/S originated by the interaction of the sediment with

pore-fluids during burial as direct precipitates. It is inferred that a different bulk rock composition, and consequently, a

different chemistry of pore-fluids played an important role during authigenesis. Particularly, the availability of Al may

have been a primary factor controlling whether saponite or C/S formed, while the role of Mg (or Mg/(Mg+Fe) ratio) as

well as the role of temperature were only of secondary importance.

Key words: Šambron Zone, serpentinitic sandstones, diagenesis, saponite, mixed-layer chlorite/smectite, corrensite.

(without saponite precursor) has also been reported (Almon et

al. 1976; Shau et al. 1990; Bettison-Varga et al. 1991; Bautier et

al. 1995).

This study is concerned with saponite and corrensite-like

chlorite/smectite  mixed  layer  (C/S)  clay  from  serpentinitic

sandstones of the flysch formations of the Šambron Zone of

the Central Carpathian Paleogene Basin (Levoèa sub-Basin)

(Soták & Bebej 1996). The sandstones are significantly en-

riched with unstable lithic components — serpentinized ul-

tramafic  rocks.  This  specific  composition  gave  rise  to  the

formation  of  mafic  expandable  clay  minerals  during  burial

diagenesis. The exposed sedimentary sequence with serpen-

tinitic  sandstones  represents  a  narrow  stratigraphic  range

(only a few meters in thickness), so that physical conditions

of post-sedimentary alteration were equal for each sandstone

bed. Nevertheless, they show significantly different mineral-

ogy of the authigenic clay phases and individual sandstone

beds  have  either  saponitic  or  corrensitic  phyllosilicate  ce-

ment.  Apparently,  the  conventional  scheme  of  temperature

controlled  saponite  to  chlorite  series  cannot  explain  such

spatial  distribution  of  authigenic  assemblages.  This  indi-

cates,  that  instead  of  temperature,  other  factors  influenced

the  origin  of  the  clay  minerals  in  serpentinitic  sandstones

from the Šambron Zone.

In this paper, it is our intention to: (1) demonstrate the oc-

currence, structure and chemistry of saponite and C/S; and

(2) propose a model that explains their formation in the ser-

pentinitic sandstones of the Šambron Zone.

Introduction

Trioctahedral clay minerals such as saponite and corrensite (1:1

regularly  interstratified  chlorite/smectite)  are  abundant  in  di-

verse geological settings. They widely form under diagenetic to

subgreenschist facies conditions in regionally metamorphosed

and  hydrothermally  altered  mafic  igneous  rocks  (e.g.  Krist-

mannsdóttir 1978; Bettison & Schiffman 1988; Shau et al. 1990;

Schiffman & Fridleifsson 1991; Shau & Peacor 1992; Robinson

et al. 1993; Schiffman & Stautigel 1995), evaporite and carbon-

ate sequences (e.g. April 1981; Bodine & Madsen 1987; Fisher

1988; Janks et al. 1992; Masaryk et al. 1995), or clastic sedi-

mentary rocks containing significant amounts of mafic volcano-

clastic material (e.g. Iijima & Utada 1971; Galloway 1974; Al-

mon et al. 1976; Helmond & van de Kamp 1984; Inoue et al.

1984; Chang et al. 1986; Inoue & Utada 1991; Bautier et al.

1995). In all the above mentioned environments, the origin of

chlorite/smectite  minerals  is  related  to  high  concentrations  of

Mg. Corrensite generally occurs as an intermediate product dur-

ing  the  smectite-to-chlorite  transition.  Most  commonly,  this

transition occurs through the discontinuous sequence of three

phases  saponite,  corrensite,  and  chlorite,  concurrent  with  in-

creasing temperature of formation (e.g. Inoue & Utada 1991;

Meunier et al. 1991; Schiffman & Stautigel 1995). Only a few

examples have been interpreted as a more or less continuous se-

ries  of  mixed-layer  chlorite/smectite  minerals  (Schultz  1963;

Helmond & van de Kamp 1984; Chang et al. 1986). Alternative-

ly, a direct precipitation of corrensite from concentrated solution

background image

258                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

Geological setting

The  serpentinitic  graywackes  were  found  in  the  Šambron

Zone of the Central Carpathian Paleogene in Eastern Slovakia

(localities  near  Kamenica  —  Fig.  1;  Soták  &  Bebej  1996).

They  occur  within  a  thinly  bedded  sandstone–claystone  se-

quence resembling the “zebra”-type flysch. The sandstones are

grey in colour, fine- to medium grained and usually laminated

in Bouma Td intervals. The claystones are weakly calcareous

(average  content  of  CaO  and  MgO  in  carbonate  fraction  is

5.12 and 3.68 wt. %, respectively) and with their brownish co-

lour close to the Menilite shales. The sandstone–claystone se-

quence is also interbedded with thin layers of whitish dolo-

mites. The age corresponds to the Late Oligocene (NP 24–25

nanoplanktone  zone;  Soták  &  Bebej  1996).  The  graywacke

flysch deposits near Kamenica are refolded into recumbent to

moderately plunging folds and intersected by overthrust faults.

The occurrence of serpentinite-rich flysch deposits in the Šam-

bron Zone  indicates  a  suture  zone  of  the  Tertiary  collision

running along the junction of the Central Carpathian Paleo-

gene with the Pieniny Klippen Belt. The Šambron Zone is

thought to be a perisutural part of the Central Carpathian Pa-

leogene Basin enriched with ophiolitic detritus.

Analytical methods

Samples were examined by the following methods: optical

microscopy, X-ray powder diffraction (XRD), scanning elec-

tron  microscopy  (SEM),  back-scattered  electron  imaging

(BSE).  The  chemical  composition  of  clay  minerals  was

determined  by  electron  microprobe  analysis  (EMPA)  and

whole-rock  chemical  composition  by  X-ray  fluorescence

spectrometry.

XRD. Preparation of clay size fractions for XRD analyses

utilized standard procedures. Samples were crushed to obtain

chips about 5 mm in diameter. Rock fragments were then dis-

aggregated in distilled water using an ultrasonic bath for 10

min to extract phyllosilicates from pore spaces. Suspensions

were  flocculated  with  NaCl  and  subsequently  treated  with

sodium acetate buffer, H

2

O

and with sodium dithionite to re-

move carbonate minerals, organic matter and Fe, Mn-oxides,

respectively (Jackson 1975). The <2 

µ

m fraction was sepa-

rated by sedimentation in distilled water. Mg

2+

 and K

+

 forms

of  clay  fractions  were  prepared  by  exchange  (three  times,

overnight)  with  1  M  chloride  solutions.  Finally,  clay  frac-

tions  were  repeatedly  washed  with  distilled  water,  centri-

fuged to remove excess salts, and then air dried.

Oriented samples for XRD analysis were prepared by sedi-

mentation of a clay suspension on glass slide (10 mg/cm

2

)

and analyzed in the air dried state and after saturation by eth-

ylene glycol vapour for 8 h at 60 

o

C. In addition, Mg-saturat-

ed clay was also analyzed after solvation with glycerol va-

pour  at  100 

o

C  for  24  h  (Reynolds  1988).  The  K-saturated

samples  were  heated  at  550 

o

C  for  1  h  and  then  analyzed.

XRD patterns of randomly oriented specimens were also ob-

tained in order to determine the d(06,33) value of phyllosili-

cates. Silicon powder was used as an internal standard.

XRD analyses were performed on a Philips PW 1710 dif-

fractometer (35 kV, 20 mA, CuK

α

, Ni-filter, divergence slit:

1

o

, receiving slit: 0.1 mm, range: 2–50

o

2

Θ

) and a DRON 2.0

diffractometer  (35  kV,  20  mA,  CuK

α

,  Ni-filter,  divergence

Fig. 1. Geological sketch-map of the Levoèské vrchy Mts. depicting the location of serpentinitic sandstone occurrences near the junction

of the Central Carpathian Paleogene with the Pieniny Klippen Belt (westwards of Kamenica village, black arrow).

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      259

slit: 1 mm, receiving slit: 0.1 mm, range: 1–50

o

2

Θ

 and 58–

63

o

2

Θ

).  Oriented  preparations  were  scanned  at  goniometer

speed 1

o

2

Θ

/min, unorientated powders at 0.5

o

2

Θ

/min.

SEM. Specimens for SEM were prepared as freshly frac-

tured, air dried, gold-coated rock fragments or polished, car-

bon-coated thin sections. Both secondary electron and back-

scattered  electron  imaging  were  employed.  SEM

observations were carried out on a JEOL JSM 840 scanning

electron microscope equipped with energy-dispersive spec-

trometer and a Tesla BS 300 scanning electron microscope.

EMPA. Quantitative, wavelenght-dispersive analyses of sa-

ponite and C/S were performed on a JEOL JXA-733 Super-

probe  electron  microprobe  at  15  keV  accelerating  voltage

and 3 nA beam current using an electron beam approximate-

ly 3 

µ

m in diameter. The following silicate and oxide stan-

dards  were  used:  albite  (Na),  orthoclase  (K),  Al

2

O

3

  (Al),

quartz  (Si),  wollastonite  (Ca),  MgO  (Mg),  hematite  (Fe),

rhodonite  (Mn),  TiO

2

  (Ti)  and  chromite  (Cr).  Corrections

were made with the ZAF computing program.

Materials

The  detailed  petrographic  description  of  sandstones  has

been  given  by  Soták  &  Bebej  (1996).  The  sandstones  are

mostly graywackes (Füchtbauer 1959) with lithic grain con-

tent  between  40  and  80  %.  Lithic  grains  include  predomi-

nantly fragments of serpentinized ultramafic rocks with the

typical mesh and loop textures. The coarse-grained, flaky liz-

ardites and fragments of fibrous chrysotiles are also present.

In  addition,  the  detrital  framework  contains  a  subordinate

proportion of glassy fragments, large detrital flakes of mus-

covite, biotite or chlorite, carbonate and phyllitic rocks. Intr-

aclasts from the surrounding shales are relatively frequent.

Other  major  detrital  constituents  are  quartz  grains  (10  to

50 %). Feldspars form only an accessory component of the

sandstones (up to 10 %). Both alkali feldspars and plagio-

clases (Na- or Ca-dominated) are present.

The  sandstones  contain  abundant  phyllosilicate  cement.

Clay minerals are present both as a pore-filling cement, and

as an alteration phase in lithic and feldspar grains. Non-phyl-

losilicate  authigenic  minerals  are  volumetrically  insignifi-

cant and they are not uniformly distributed. Considering de-

trital modes and cement mineralogy, the sandstones can be

divided into two distinct types:

(A) Quartzolithic graywackes with significant content of si-

liciclastic material (Q

37

F

12

L

51

) and authigenic assemblage: sa-

ponite and subordinate dolomite, calcite, opal-CT and pyrite.

(B) Lithic graywackes with absolute prevalence of the lithic

component (Q

19

F

7

L

74

) and authigenic assemblage: C/S + sa-

ponite and subordinate dolomite, calcite, opal-CT and pyrite.

The average whole-rock chemical compositions are shown

in Table 1.

Results

Habit of phyllosilicates

Quartzolithic graywackes. The only authigenic clay miner-

al in quartzolithic graywackes is trioctahedral smectite-sapo-

nite.  Saponite  occurs  as  a  pore-filling  cement  and  usually

completely occludes the intergranular spaces. Observed un-

der the SEM, pore-filling saponite exhibits radial alignment

of densely packed, up to 50 

µ

m long platy crystals (or aggre-

gates of crystals ?) attached approximately perpendicularly

to  the  detrital  grain  surfaces.  Pore-filling  aggregates  show

well-developed medial sutures (Fig. 2A), indicating growth

of  crystal  platelets  inward  from  surrounding  framework

grains  toward  the  center  of  interstitial  voids  (Dickinson

1970;  Wilson  &  Pittman  1977).  If  seen  perpendicularly  to

their prolongation, crystals form an irregular network with a

cellular pattern (Fig. 2B). The similar boxwork-like appear-

ance of saponite have been found in the open pores (Fig. 2C).

Saponite is absent at the detrital grain contacts (Fig. 2D).

The  characteristic  feature  of  quartzolithic  graywackes  is

scarcity of grain-alteration phyllosilicates (in contrast to the

lithic graywackes described below). Only saponite infilling

large pores in the vicinity of feldspar grains may be interpret-

ed  as  originating  by  their  partial  replacement  (Fig.  2D).

Within  lithic  constituents,  which,  in  these  sandstones,  are

represented  mainly  by  completely  serpentinized  ultramafic

rocks, replacement textures are very rare. They can be identi-

fied in the BSE images as a zones with darker image show-

ing shrinking cracks due to dehydration of smectitic interlay-

ers  in  the  vacuum  chamber  (Fig.  2E).  Also  microprobe

analyses obtained from these zones indicate the presence of

smectite-like layers (increased Al and Ca contents) in other-

wise serpentine-dominated material. Saponite was also found

in dolomite beds. It fills small cavities and displays radiating

textures (Fig. 2F).

Lithic graywackes. The dominant authigenic phyllosilicate

in lithic graywackes is C/S. The SEM study reveals that C/S

occurs in many textural habits. The main form of occurrence,

petrographically  very  similar  to  saponite,  is  pore-filling  ce-

ment.  C/S  crystals  are  aligned  radially  with  respect  to  the

framework grains with distinct sutures in the center of pores

(Fig.  3A).  If  pore  space  is  not  entirely  infilled,  aggregates

show  honeycomb  patterns  of  curved,  interlocking  crystal

platelets (Figs. 3B and 3C). Rarely, C/S forms flat and isomet-

Table 1: Whole-rock chemical analyses of serpentinitic graywackes.

Type

Q uartzolith ic g rayw ack es

L ithic g rayw ack es

Mean  d etrital mod e

Q

37

F

12

L

51

Q

19

F

7

L

74

Samp le

2 5 8 /V

K -I

2 5 5 /II

2 5 6/TM 1

SiO

2

5 6.42

5 9.65

49.5 0

47.70

47.80

47.60

A l

2

O

3

7.0 8

7.8 3

7.7 2

10.62

11.5 5

10.06

Mg O

11.98

8 .4 0

14.47

16.68

14.31

11.39

Fe

2

O

3

4.3 93.7 4

4.5 1

6.4 2

7.3 2

5 .2 4

Mn O

0.0 5

0.0 4

0.0 3

0.0 2

0.0 3

0.0 5

TiO

2

0.4 0

0.3 7

0.6 1

0.5 3

0.4 3

0.6 4

CaO

6.3 2

5 .98

7.6 5

3.6 9

3.1 3

8 .91

N a

2

O

0.0 1

0.0 4

0.6 90.0 1

1.0 6

0.6 9

K

2

O

1.2 3

2 .1 0

1.2 2

1.4 5

1.91

1.90

Total

8 7.87

88.14

86.41

8 7.13

87.5 3

8 6.47

Si/(Si+A l)

0.931

0.92 8

0.916

0.8 8 4

0.8 75

0.8 8 9

Mg /(Mg +Fe)

0.8 44

0.8 17

0.8 64

0.8 38

0.7 95

0.8 12

background image

260                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      261

tal feldspars are pseudomorphously replaced by saponite, C/S

cementation is restricted to the original outlines of the grains

(Fig. 4D). This textural relationship clearly reflects intense in

situ dissolution.

X-ray diffraction

Two types of authigenic layer silicates were identified by

XRD study: discrete saponite and R1 ordered mixed-layered

chlorite/smectite.

Saponite.  XRD  traces  of  Mg-solvated,  air-dried  saponite

(Fig. 5A) exhibit an intense 001 reflection at about 14.6 Å,

and weaker higher order (00l) reflections at 4.87 (003), 3.65

(004), 2.920 (005), 2.433 (006) and 2.080 Å (007). The basal

spacing  of  14.6 Å  indicates  two-water-interlayer  complex

(MacEwan & Wilson 1980). The glycerol solvation follow-

ing Mg-saturation produced collapse of the saponite structure

(Fig.  5A).  The  higher  order  reflections  at  4.77  (003),  3.58

(004), 2.868 (005) and 2.043 Å (007) indicate basal spacing

of approximately 14.3 Å, characteristic of single-layer glyc-

erol complex (MacEwan & Wilson 1980). However, distinct

intensity reduction and low-angle-side asymmetry of the 001

reflection suggest heterogeneity in layer charge of this clay.

The estimated position of the first-order basal reflection of

this additional phase at about 17 Å is indicative of two-layer

glycerol complex (MacEwan & Wilson 1980). This conclu-

sion is supported by the existence of weak reflections at 5.97

and 3.02 Å, representing 003 and 006 basal reflections, re-

spectively (Fig. 5A—arrows). In contrast, swelling behav-

iour of the saponite upon Mg-saturation and ethylene glycol

solvation is uniform. The XRD patterns show one series of

rational  00l  reflections  with  d(001)  spacings  of  17.02 Å

(Fig. 5A),  which  is  indicative  of  two-layer  glycol  complex

(MacEwan  &  Wilson  1980).  In  the  K-saturated,  air-dried

samples  first-order  basal  reflection  at  12.4 Å  (not  shown

here)  suggests  the  presence  of  one-water  layer  hydrate

(MacEwan  &  Wilson  1980).  Heat  treatment  to  550 

o

C  for

one hour caused a full dehydration of this clay and collapse

of the structure to 10.2 Å (Fig. 7A). XRD analysis of ran-

domly oriented <2 

µ

m fractions gave 06,33 reflections at

1.535 (± 0.001) Å (Fig. 5B) and a calculated unit-cell dimen-

sion of 9.21 Å. In all XRD patterns the basal reflections of

saponite show a rational series of spacings, characteristic for

pure mineral without structural interstratification. Clay frac-

tions usually contain small admixtures of dioctahedral illite,

chlorite and a mineral of serpentine group, which are consid-

ered to be detrital in origin.

The  swelling  behaviour  displayed  by  the  authigenic  clay

from quartzolithic graywackes is intermediate between that of

smectite (i.e. two-layer glycol complex and no structural col-

lapse upon K-saturation) and vermiculite (i.e. one-layer glyc-

erol complex), indicating a high negative charge of the 2:1

layers.  Such  swelling  properties  are  characteristic  both  of

high-charge  saponite  and  low-charge  vermiculite,  which

makes categorization of this phase difficult (Malla & Douglas

1987; de la Calle & Suquet 1988). However, the layer charge

of 1.05 per O

20

(OH)

4

 calculated from EMPA (see below) is

below the limiting value of 1.20 per O

20

(OH)

4

, proposed by

the AIPEA Nomenclature Committee for distinguishing smec-

Fig.  2.  Photographs  of  authigenic  saponite  from  quartzolithic

graywackes.  A  — SEM photomicrograph of pore-filling aggregate

of saponite showing radial alignment of crystallites and well-devel-

oped  medial  suture.  Crystallites  are  perpendicular  to  the  detrital

grain surfaces; Cal — calcite. B — SEM photo of pore-filling sapo-

nite  viewed  perpendicularly  to  the  prolongation  of  crystallites.

Highly  folded  platelets  form  a  cellular  pattern,  sometimes  with  a

concentric organization (upper left). C — The boxwork-like appear-

ance of saponite in the open pore. Saponite is overlain by opal-CT

lepispheres (SEM). D — A large pore entirely infilled by saponite.

Saponite  partly  replaces  detrital  albite  grain  (Ab).  Surrounding

framework consist of quartzose grains. Note the absence of saponite

at  the  grain-to-grain  contacts,  e.g.  lower  right  (BSE  image).  E  —

BSE image of detrital serpentinite grain. The darker-contrast zones

are partly replaced by saponite (see text for further explanation). F

—  Saponite  exhibiting  radial  arrangement  of  crystallites  infills

rounded cavity in metasomatically (?) dolomitized sandstones. Cav-

ity is rimmed by euhedral crystals of Fe-dolomite (BSE image).

ric (in ab plane) crystals with rounded outlines, tangentially at-

tached to the grain surface. Particles range from 1 to 3 

µ

m in

diameter and sometimes form rosette-like clusters (Fig. 3D).

The authigenic C/S also occurs as an alteration phase in

lithic grains. Replacement textures are best developed within

partially  serpentinized  detrital  grains  where  C/S  infills

rounded voids after completely dissolved primary mafic min-

eral (olivine ?). In thin sections (BSE image), original detri-

tal grains are recognizable through preserved mesh texture,

since  the  serpentinized  parts  of  clasts  remained  conserved

(Fig. 3E). The void-filling C/S exhibit characteristic textural

zonation, with coarser-grained, up to 20-

µ

m-wide rims and

fine-grained interiors. Initial parallelly stacked platelets are

normal to the inner wall of voids, while later platelets display

rather random arrangement (Fig. 3F). Considering the physi-

cally unstable character of clay replacements, alteration un-

doubtedly  occurred  in  situ,  as  grains  could  not  withstand

transport and subsequent compaction.

In many instances lithic grains were replaced completely

and  their  original  character  is  unknown.  However,  taking

into account the frequent presence of apatite and/or opaque

minerals in these aggregates it is assumed that they represent

altered fragments of fresh igneous minerals or vitritic clasts.

Observed under the SEM, alteration C/S commonly shows

multi-layered, curvilinear textures (Figs. 4A and 4B). Exten-

sive replacement has locally resulted in almost complete de-

struction of the detrital framework of the sandstones. In such

domains,  massive  aggregates  of  C/S  commonly  contain

floating grains of chemically stable detrital constituents (e.g.

quartz, serpentinites or large flakes of detrital phyllosilicates,

Fig. 4B). On the other hand, C/S rims never occur if grain-to-

grain contact is preserved.

The  second  diagenetic  clay  mineral  present  in  lithic

graywackes is saponite. Saponite is developed exclusively as a

replacement  phase  after  detrital  feldspars.  It  usually  infills

small dissolution voids (Fig. 4C), but nearly complete pseudo-

morphs after grains were also observed (Fig. 4D). In this type

of  graywacke,  saponite  was  never  found  as  pore-filling  ce-

ment. From petrographic observations, it appears that saponite

replacements post-date earlier formation of C/S. Even if detri-

background image

262                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      263

Fig. 4. Photographs illustrating C/S and saponite from lithic graywackes. A — SEM photo of a large pore filled by C/S showing multi-

layered, curvilinear texture. B — The same situation as in (A) seen in the BSE image. Extensive dissolution and replacement partly de-

stroyed detrital framework of the sandstones producing massive aggregates of C/S with floating grains of chemically stable detrital con-

stituents. C — BSE image of saponite filling dissolution voids in detrital grain of K-feldspar (Kfs). D — Detrital grain of Ca-dominated

plagioclase (Plg) almost entirely replaced by saponite. Note that the formation of saponite post-dates precipitation of C/S since C/S ce-

ment respects the original outlines of detrital grains (BSE image).

Fig. 3. Photographs of diagenetic C/S from lithic graywackes. A — Authigenic pore-lining (or pore-filling) C/S showing growth inward

from opposing sides of pores. Crystals intersect along distinct sutures near the center of the pore (SEM). B and C — Curved, interlocking

crystallites of C/S organized in honeycomb arrangement (SEM). D — Rosette-like cluster of C/S crystallites (SEM). E — A detail of

partly serpentinized (dark strips) detrital grain exhibiting characteristic mesh texture. Primary mafic mineral (olivine ?) was entirely re-

placed by C/S forming irregular-shaped aggregates with lighter contrast (BSE image). F — C/S filling dissolution voids in lithic grain.

Note the distinct textural and compositional zonation of aggregates. The rim material consists of platy and parallelly aligned crystallites

with a lighter BSE image (high Fe content) while the core material displays rather random arrangement.

background image

264                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

tites  from  vermiculites  (Bailey  1980).  This  defines  this  ex-

pandable  phase  as  high-charge  saponite.  On  the  other  hand,

the ability to form simultaneously two types of glycerol com-

plexes  indicates  heterogeneity  in  layer  charge  distribution

(Malla & Douglas 1987; April & Keller 1992), i.e. the pres-

ence of a small proportion of a low-charge smectite.

Mixed-layer chlorite/smectite. XRD patterns of Mg-satu-

rated,  air-dried,  glycerolated  and  glycolated  mixed-layer

chlorite/smectite are shown in Fig. 6. In clay fraction, C/S al-

ways  occurs  with  discrete  saponite  and  traces  of  detrital

phyllosilicates (illite, chlorite, serpentine) which hampers in-

terpretation  of  XRD  profiles  due  to  interference  of  reflec-

tions. Nevertheless, the following characteristics have been

observed.

The presence of superstructure reflection near 29 Å in the

air-dried pattern which shifts to 31 Å after glycolation indi-

cates the presence of R1 ordered C/S (Reynolds 1988). Gen-

erally, these reflections as well as higher order reflections are

weak and broad (particularly after ethylene glycol solvation).

This suggests that the ratios of component layers in this C/S

differ significantly from the ideal corrensite, and consequent-

ly, some amount of disorder. The percentage of chlorite lay-

ers was estimated on the basis of migration of basal reflec-

tions  in  response  to  ethylene  glycol  solvation  (Reynolds

1980, 1988). Comparison of observed and calculated basal

spacings indicates a chlorite content of approximately 60 %,

when 004 vs. 009 (or 002/002 vs. 004/005) peak combination

is used (Fig. 6A). However, it must be noted that XRD pat-

terns of R1 ordered mixed-layer chlorite (0.60)/smectite cal-

culated  with  the  NEWMOD  program  (Reynolds  1985;  not

shown here) do not fit satisfactorily with experimental XRD

patterns.  For  example,  (1)  higher  odd-order  superstructure

reflections were not observed in the Mg-saturated, air-dried

patterns (particularly the 003 peak near 9.6 Å should be visi-

ble even in the presence of a small admixture of illite); (2)

the  006  and  007  reflections  occurring  in  the  16–21 

o

2

Θ

CuK

α

 range after ethylene glycol solvation are not resolved.

Hillier (1995) showed that any R1 chlorite/smectite always

has a mixed-layer (R0) chlorite/corrensite equivalent. Using

a partially segregated arrangement of component layers, he

was able to simulate an XRD pattern which still has a peak at

31 Å (EG) but other diffraction maxima are broad and shift-

ed. On the basis of these findings, Hillier (1995) concluded

that the shoulder at 31 Å is not related to any kind of order-

ing but rather to the presence of a 31 Å component layer (i.e.

corrensite). This might suggest that crystallites with partially

segregated packets of corrensite and chlorite layers are also

present in chloritic material from lithic graywackes, which

could be consistent with textural heterogeneity observed in

the SEM study. However, no attempt was made to simulate

such a type of structure.

The  swelling  properties  of  C/S  are  very  similar  to  those

previously described for the saponite. Mg-saturated, air-dried

C/S shows basal reflections at ~29.4, 14.54, 7.26, 4.82, 3.60,

2.893 and 2.057 Å (Fig. 6A). Upon glycerol solvation of this

same sample, a structural contraction occurred, as indicated

Fig. 5. A — XRD patterns of <2 

µ

m size fractions of saponite oriented preparations in MgCl

2

 solvated + air-dried, MgCl

2

 + glycerol sol-

vated, and MgCl

2

 + ethylene glycol solvated state; B — 06,33 reflection of randomly oriented preparation. I — illite, Srp — serpentine, C

— chlorite. d-spacings in Angströms.

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      265

Fig. 7. XRD patterns of <2 

µ

m size fractions of (A) saponite and (B) mixed-layer chlorite/smectite after K-saturation and heating to 550 

o

C

for 1 hr. C/S — mixed-layer chlorite/smectite, Sap — saponite, I — illite, Srp — serpentine, C — chlorite. d-spacings in Angströms.

Fig. 6. A — XRD patterns of <2 

µ

m size fractions of mixed-layer chlorite/smectite (C/S) oriented preparations in MgCl

2

 solvated + air-

dried, MgCl

2

 + glycerol solvated, and MgCl

2

 + ethylene glycol solvated state; B — XRD pattern of 06,33 reflection of randomly oriented

preparation. Sap — saponite, I — illite, Srp — serpentine, C — chlorite. d-spacings in Angströms.

background image

266                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

by  the  shift  of  reflections  towards  the  higher  degrees  two-

theta (Fig. 6A). With ethylene glycol solvation Mg-saturated

C/S expands to ~31.5 Å. Glycol solvation also produces res-

olution of overlapping peaks. Similarly, heat treatment of K-

saturated samples at 550 

o

C for one hour resulted in two se-

ries  of  reflections  with  001  spacings  of  ~25  and  ~10.2 Å,

respectively, the former representing collapsed C/S and the

latter collapsed saponite (Fig. 7B). This means, that charge

of expandable interlayers must be high enough to produces

both vermiculite-like and smectite-like swelling behaviour.

By analogy with the above described expansion properties of

discrete saponite, the expandable component of this mixed-

layer mineral can be tentatively categorized as high-charge

saponite.

Randomly orientated C/S-rich clay fractions display strong

06,33 reflection at 1.537 (±0.001) Å (Fig. 6B). However, this

value cannot be safely attributed to C/S because of substantial

admixture of saponite and probable peak interference.

Electron microprobe data

Authigenic phyllosilicates examined in this study, occur in

exceptionally well developed and densely packed aggregates

(pore-fillings,  pseudomorphic  replacements  within  lithic

grains). Therefore, microprobe analyses can be used to deter-

mine  their  compositional  characteristics  with  reasonable

confidence. The following discussion assumes that total Fe is

in the Fe

2+

 state.

Saponite. Representative chemical analyses of saponite are

given in Table 2. The structural formulae have 6.15–6.31 oc-

tahedral cations (i.e. Al

VI 

+ Mg + Fe + Mn), which is consid-

erably higher than the theoretical trioctahedral limit of 6 cat-

ions per O

20

(OH)

4

. The high octahedral occupancy indicates,

that  the  smectite  is  either  structurally  interstratified  with  a

small percentage of chlorite component or intergrown with

another  chloritic  mineral.  Considering  the  XRD  data,  a

mixed-layering can be eliminated (see X-ray diffraction sec-

tion). The existence of intimate intergrowths with chloritic

phase is difficult to detect, however, contamination of EMPA

should result in a positive correlation between total Al con-

tents and octahedral cation totals, which is not the case (r =

0.09; see also Fig. 9B). The second possible interpretation is

that the saponite contains a small amount of Mg ions located

in the interlayer position. This alternative was recently veri-

fied by Beaufort & Meunier (1994) as well as Schiffman &

Southard (1996) for saponites from metabasaltic rocks. Sapo-

nite from serpentinitic graywackes have formed in environ-

ments exceptionally rich in Mg (see Table 1), therefore, the

presence of the interlayer Mg is also highly probable. More-

over,  assignment  of  the  „excess“  Mg  (~0.20  cations/

O

20

(OH)

4

) to the exchangeable sites presented in Table 2 in-

creases the interlayer charge of the saponite. This approach

seems  reasonable  as  the  prevalence  of  high-charge  layers

was deduced from the XRD results.

The  saponites  from  the  quartzolithic  graywackes  exhibit

only  negligible  compositional  variations  between  samples.

Table 2: Representative electron microprobe analyses of saponite.

NOTE:

 1 

total Fe as FeO, 

2

 calculated from stoichiometry, 

interlayer charge including Mg(IL)

Sample

258/V

258/V

258/V

K-I

K-I

K-I

255/II

255/II

255/II

256/TM1

Oxygen basis

O

20

(OH)

4

Habit

pore

pore

pore

pore

pore

pore

pore

pore

pore

P lg-replace

SiO

2

45.02

42.87

41.47

47.15

46.38

44.57

46.61

44.25

44.00

45.11

Al

2

O

3

5.80

5.795.65

6.48

6.17

5.73

6.195.78

5.88

6.57

MgO

25.09

23.41

23.39

24.95

23.60

23.71

24.81

23.01

23.94

23.36

FeO

1

2.86

3.31

2.30

4.494.28

4.06

4.32

3.82

4.49

5.48

MnO

0.07

0.08

0.02

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

CaO

2.12

2.51

1.48

1.66

1.791.80

1.36

1.491.68

1.88

Na

2

O

0.06

0.05

0.04

0.03

0.00

0.05

0.06

0.00

0.04

0.05

K

2

O

0.00

0.00

0.00

0.03

0.08

0.00

0.01

0.06

0.02

0.00

Total

81.02

78.02

74.35

84.79

82.30

79.92

83.36

78.41

80.05

82.45

Si

6.948

6.911

6.945

6.976

7.066

7.004

7.008

7.062

6.930

6.925

Al(IV)

1.053

1.089

1.055

1.024

0.934

0.996

0.992

0.938

1.070

1.075

Sum IV

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

Al(VI)

0.002

0.011

0.060

0.107

0.174

0.065

0.104

0.1490.021

0.114

Mg(VI)

5.620

5.5295.615

5.340

5.281

5.400

5.348

5.341

5.388

5.183

Fe

0.3690.446

0.322

0.556

0.545

0.534

0.543

0.510

0.59

1

0.704

Mn

0.0090.011

0.003

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

Sum VI

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

6.000

Mg(IL)

2

0.150

0.097

0.225

0.160

0.080

0.154

0.213

0.134

0.233

0.164

Ca

0.351

0.434

0.266

0.263

0.292

0.303

0.219

0.255

0.284

0.309

Na

0.018

0.016

0.013

0.0090.000

0.015

0.018

0.000

0.012

0.015

K

0.000

0.000

0.000

0.006

0.016

0.000

0.002

0.012

0.004

0.000

Sum IL

0.5190.546

0.504

0.438

0.388

0.472

0.451

0.401

0.533

0.488

ILC

3

1.020

1.076

0.994

0.860

0.760

0.929

0.883

0.789

1.049

0.961

Si/(Si+Al)

0.868

0.863

0.862

0.861

0.864

0.868

0.865

0.867

0.864

0.853

Mg/(Mg+Fe)

0.940

0.927

0.948

0.908

0.908

0.912

0.911

0.915

0.905

0.884

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      267

The Si/(Si + Al) ratio is almost uniform, ranging from 0.85 to

0.87, while the total Mg/(Mg + Fe) ratio varies from 0.89 to

0.95 (Table 2). The average Al

VI

 content ranges from 0.04 to

0.11 cations per O

20

(OH)

4

, which is in agreement with the

essentially trioctahedral character of these smectites indicat-

ed by XRD data. Sample 256/TM1 represents saponite ‘co-

existing’ with the C/S in lithic graywackes. Its Mg/(Mg + Fe)

ratio of 0.88 is the lowest found in this study (Table 2).

The sum of interlayer cations (i.e. calculated MgIL+Ca+

Na+K) ranges between 0.35 and 0.55 cations/O

20

(OH)

4

. In

addition to the only presumed interlayer Mg, Ca is the most

abundant  interlayer  cation  with  very  minor  to  negligible

amounts of Na and K (Table 2). Taking into account the ex-

changeable Mg, saponite shows a large variation of interlay-

er charge ranging from 0.69 to 1.08/O

20

(OH)

4

, with mode of

1.05/O

20

(OH)

4

. A large interval may reflect a heterogeneity

in layer charge distribution also inferred from the swelling

properties of this phase. The layer charge is derived solely

from tetrahedral substitution of Al for Si.

Mixed-layer  chlorite/smectite.  The  C/S-rich  sample  256/

TM1 was investigated in detail. Results of 42 spot analyses

normalized on the O

20

(OH)

10

 basis (i.e. corrensite formula)

are presented as a series of histograms in Fig. 8. In addition,

selected  analyses  are  shown  in  Table  3.  In  contrast  to  the

XRD data, composition of this phase suits the composition

of ideal corrensite fairly well. The number of cations in the

octahedral  sites  is  between  8.70  and  9.18  per  O

20

(OH)

10

(with mode 8.93/O

20

(OH)

10

), which is consistent with com-

bination of one chlorite-like layer (6 octahedral cations per

O

10

(OH)

8

) and one saponite-like layer (3 octahedral cations

per O

10

(OH)

2

). However, BSE imaging revealed textural as

well as chemical zoning of C/S aggregates. The composition-

al heterogeneity is also confirmed by the EMPA data. Two

compositions were detected in sample 256/TM1, as evident

from the bimodal distribution of major elements in the histo-

grams (Fig. 8). The first set of analyses was obtained from

fine-grained phyllosilicates occurring in the central parts of

pore-fillings as well as aggregates replacing detrital grains.

The second group of analyses represents platy and prolonged

crystallites, which form thin rims around the core material

(Figs. 3F and 4B). The composition of core C/S differs from

the composition of rim C/S by having a higher Si/(Si + Al)

ratio (0.72 vs. 0.68) and a higher Mg/(Mg + Fe) ratio (0.84

vs. 0.80; see also Fig. 9 — open squares vs. filled squares

and Table 3). The opposite trend was observed by Shau et al.

(1990)  in  chloritic  minerals  in  amygdaloidal  metabasalts

from  the  northern  Taiwan.  Using  EMPA  and  TEM/AEM

data,  they  observed  that  textural  and  chemical  zonation  of

aggregates  also  indicates  structural  changes  in  phyllosili-

cates. They concluded that increase in total Al content and

decrease in Mg/(Mg + Fe) ratio and Ca content from rim to

core of amygdales correlate with the increasing chlorite com-

ponent in the mixed-layered chlorite/smectite (or mixed-lay-

ered  chlorite/corrensite).  This  may  suggest  the  similar  in-

Table 3: Selected electron microprobe analyses of mixed-layer chlorite/smectite.

NOTE: 

1

 total Fe as FeO; 

2

 calculated from stoichiometry

Sample

256/TM1

O xygen basis

O

20

(O H )

10

H abit

pore

pore

pore

pore

replace

replace

replace

replace

replace

replace

core

core

core

core

core

core

core

rim

rim 

rim

SiO

2

38.77

39.60

39.14

38.80

38.85

36.78

39.91

36.53

36.81

37.55

A l

2

O

3

13.33

13.6913.40

13.0913.5914.4913.36

15.50

17.00

16.54

MgO

27.49

26.85

28.12

26.94

26.82

25.67

26.74

21.82

22.02

23.91

FeO

1

8.97

9.18

9.09

8.81

9.60

9.51

8.92

11.97

12.22

10.90

MnO

0.25

0.090.00

0.11

0.00

0.15

0.00

0.00

0.00

0.16

CaO

0.68

0.64

0.70

0.82

0.62

0.97

0.58

0.50

0.36

0.73

N a

2

O

0.00

0.00

0.13

0.01

0.06

0.08

0.04

0.14

0.00

0.09

K

2

O

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.03

0.00

0.01

0.03

0.00

Total

89.49

90.05

90.58

88.58

89.54

87.68

89.56

86.60

88.44

89.88

Si

6.4396.5196.422

6.49

96.455

6.270

6.589

6.349 6.255

6.254

A l(IV)

1.561

1.481

1.578

1.501

1.545

1.730

1.411

1.651

1.745

1.746

Sum IV

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

8.000

A l(VI)

1.048

1.175

1.013

1.083

1.117

1.181

1.188

1.525

1.660

1.501

Mg(VI)

6.671

6.5496.740

6.667

6.5496.442

6.579

5.654

5.578

5.9

37

Fe

1.246

1.264

1.247

1.234

1.334

1.356

1.232

1.740

1.737

1.518

Mn

0.035

0.013

0.000

0.016

0.000

0.022

0.000

0.000

0.000

0.023

Sum VI

9.000

9.000

9.000

9.000

9.000

9.000

9.000

8.930

8.974

8.978

Mg(IL)

2

0.135

0.040

0.1390.060

0.09

4

0.081

0.002

0.000

0.000

0.000

Ca

0.121

0.113

0.123

0.147

0.110

0.177

0.103

0.093

0.066

0.130

N a

0.000

0.000

0.041

0.003

0.0190.026

0.013

0.047

0.000

0.029

K

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.007

0.000

0.002

0.007

0.000

Sum IL

0.256

0.153

0.303

0.210

0.224

0.291

0.117

0.143

0.072

0.159

Si/(Si+A l)

0.712

0.711

0.713

0.716

0.708

0.683

0.717

0.648

0.648

0.658

Mg/(Mg+Fe)

0.845

0.8390.846

0.845

0.833

0.828

0.842

0.763

0.763

0.79

6

background image

268                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

Fig. 9. Composition of diagenetic phyllosilicates from the serpentinitic graywackes obtained from microprobe analyses: (A) Si vs. Al,

(B) octahedral occupancy vs. Al, (C) Mg/(Mg+Fe) vs. Si, (D) Ca+Na+K vs. Si. All recalculated on the O

20

(OH)

10

 basis; total iron as

Fe

2+

.  The  compositions  of  ideal  low-charge  (L.c.)  and  high-charge  (H.c.)  saponite  and  corrensite,  as  well  as  the  composition  of  cli-

nochlore, are given for reference (filled diamonds). Open circles — saponite; open squares — core C/S, filled squares — rim C/S.

Fig. 8. Results of microprobe analyses of zoned C/S (sample 256/TM1) presented as histograms. Normalization on the basis of O

20

(OH)

10

.

Open columns — core material, filled columns — rim material.

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      269

crease of the chlorite component in the rim material found in

lithic graywackes. Fig. 9A shows that the analysis points of

rim C/S are truly shifted towards the chlorite composition. In

addition, Beaufort et al. (1997) observed that the honeycomb

morphology of C/S diminishes and the resolution of individ-

ual crystals increase as these phases become more chloritic

(see also Wilson & Pittman 1977). Thus, a distinct platy hab-

itat of rim crystals may be regarded as a further (but indirect)

evidence in favour of this interpretation. On the other hand,

the rim C/S has octahedral occupancy comparable with core

C/S, ranging from 8.70 to 8.98/O

20

(OH)

10

 (see also Figs. 8

and 9B). Furthermore, both types of phyllosilicates show ap-

proximately equal (average) sums of interlayer cations (i.e.

Ca+Na+K = 0.153 vs. 0.150/O

20

(OH)

10

; Fig. 9D). Consid-

ering all these facts, we are not able to identify with certainty

the  real  physical  nature  of  the  rim  material.  However,  the

possible coexistence of chlorite-dominated phase along with

corrensite  may  explain  the  poorly  defined  XRD  traces  ob-

served in this study (Hillier 1995; Beaufort et al. 1997).

Compositional  relationships  between  phyllosilicates.  The

diagrams shown in Fig. 9 illustrate basic compositional dis-

tinctions between the studied phyllosilicates. To facilitate this

comparison, both saponite and C/S analyses were normalized

on the basis of the corrensite formula (i.e. 25 oxygens). In gen-

eral, the total Al content increases and the Si content decreases

from  saponite  to  C/S,  without  compositional  overlap  (Fig.

9A). The saponite exhibits a higher total Mg/(Mg + Fe) ratio

(Fig. 9C) as well as higher content of interlayer cations than C/

S (Fig. 9D). In addition, Figs. 9A and 9B clearly illustrate that

the  C/S  (particularly  core  material)  observed  in  lithic

graywackes is compositionally very close to a 50:50 mixture

of chlorite and trioctahedral smectite. The observed composi-

tional trend of increasing Al content and decreasing Mg/(Mg +

Fe) in the order of saponite to C/S is consistent with composi-

tional  relations  between  these  minerals  in  basalt  alteration

parageneses (Shau et al. 1990; Shau & Peacor 1992).

Discussion

Origin of the phyllosilicate cement

In the graywackes from the Šambron Zone, clay minerals

are clearly authigenic. There is no evidence, such as coatings

composed of clay platelets oriented tangentially to grain sur-

faces, fluid internal fabric and polymineralic composition of

aggregates  or  presence  of  fine-grained  impurities,  that  the

phyllosilicates may have been formed by diagenetic recrys-

tallization of a pre-existing (syndepositional or mechanically

infiltrated) detrital clay matrix (Dickinson 1970; Wilson &

Pittman 1977; Moraes & Ros 1992). On the contrary, several

facts lead us to suggest that both saponite and C/S originated

by  the  interaction  of  the  sediment  with  pore-fluids  during

burial as a direct precipitates: (1) perpendicular alignment of

crystallites to detrital grain boundaries, indicating growth in

open pores; (2) the delicate habit of crystallites in the pre-

served open pore spaces; (3) the chemical and structural (?)

zonation of C/S aggregates, most probably reflecting a tem-

poral and spatial evolution of the pore-fluid chemistry (Shau

et al. 1990; Shau & Peacor 1992; Bautier et al. 1995); (4) the

monomineralic, either saponitic or corrensitic, composition

of the clay cement; and (5) in situ dissolution and replace-

ment of lithic fragments.

In the case of C/S, however, another feasible model of its

origin  should  be  considered  —  diagenetic  alteration  of  an

earlier saponite precursor. Such a prograde conversion of tri-

octahedral smectite to chlorite through the ordered interstrat-

ified  chlorite/smectite  (corrensite)  during  burial  diagenesis

has been recorded by a number of authors from various geo-

logical environments (see Introduction section). The process

seems  to  be  strongly  temperature  dependent,  but  little  is

known  about  the  mechanisms  governing  the  reaction  path-

ways. A simple progressive interstratification of the brucitic

interlayers in the original saponite (i.e., solid-state transfor-

mation), proposed by Bodine & Madsen (1987), is unlikely.

A  large  compositional  gap  between  saponite  and  C/S  ob-

served in this study (Fig. 9) indicates that the 2:1 layers in

these two phases have completely different chemical compo-

sition. It means, that the structure and chemistry of the 2:1

layers  in  C/S  could  not  be  inherited  from  the  crystalline

structure of the original smectite. Therefore, the crystalliza-

tion of C/S at the expense of saponite would require a disso-

lution/precipitation mechanism, as proposed by Meunier et

al.  (1991).  The  presence  of  saponite  in  the  C/S-rich

graywackes  supports  this  idea.  However,  petrographic  evi-

dence shows that in this type of graywackes saponite post-

dates the formation of C/S and from some reason it occurs

only as a replacing phase within the detrital feldspars. Fur-

thermore, the dissolution/precipitation mechanism should re-

sult in modification of early diagenetic textures of clay ce-

ment, which is not the case (see above). Considering these

facts, a direct precipitation of C/S from solution is suspected

rather than the smectite-to-corrensite conversion.

Factors controlling precipitation of phyllosilicates

The development of trioctahedral Mg-rich clay minerals is

undoubtedly related to abundant lithic material in the sand-

stones.  Its  gradual  chemical  dissolution  may  have  released

plentiful supplies of Si, Al, Mg and Fe into the solution, so

that the activities of the required ions in porewaters were suf-

ficiently high for direct precipitation of clay minerals. Evi-

dence for this includes the large quantities of alteration tex-

tures and local metasomatic (?) dolomitization of sandstones.

However, the important question is: “Why do sandstones lo-

cated within one small outcrop have either saponitic or cor-

rensitic cementation”. It is obvious that both types of sand-

stones  underwent  the  same  burial  history  therefore  the

temperature  factor  can  be  neglected.  As  described  earlier,

however, there are significant differences in the modal com-

position of the host sandstones (Table 1). This suggests that a

different bulk rock composition, and consequently, a differ-

ent chemistry of pore-fluids played an important role during

authigenesis, being favourable either for saponite or C/S sta-

bility. As can be seen in Fig. 10, there is a very strong posi-

tive correlation (r = 0.96) between phyllosilicate Si/(Si + Al)

ratios and corresponding whole-rock values. It indicates, that

Al-rich C/S has formed only in the graywackes with suffi-

background image

270                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

Fig. 11. Mg/(Mg + Fe) ratios of phyllosilicates plotted against cor-

responding whole-rock values. Note the weak correlation between

these  two  variables.  Structural  formulae  calculated  on  the

O

20

(OH)

10

  basis.  Circles  —  saponite : quartzolithic  graywackes;

squares — C/S : lithic graywackes.

Fig.  10.  Plot  of  phyllosilicate  Si/(Si + Al)  vs.  whole-rock  Si/

(Si + Al),  demonstrating  a  strong  positive  correlation  (r  =  0.96)

between these two variables. Structural formulae calculated on the

O

20

(OH)

10

  basis.  Circles  —  saponite : quartzolithic  graywackes;

squares — C/S : lithic graywackes.

cient Al contents. In other words, the amount of available Al

may have been a primary factor in controlling the precipita-

tion of phyllosilicates. The importance of the whole-rock Al

content for the formation of the trioctahedral phyllosilicates

in  Mg-rich  environments  has  been  pointed  out  by  Shau  &

Peacor  (1992),  Hillier  (1993)  and  Beaufort  &  Meunier

(1994). Experimental studies by Velde (1977) also imply that

the occurrence of the regularly interstratified (R1) phase in-

stead of smectite or chlorite may be controlled by the amount

of R

3+

 component in the system (the Al

3+

 or Fe

3+

 content of

the assemblage). However, it should be noted that different

availability of Al cannot be simply attributed to the percent-

age of lithic grains in the individual sandstone beds because

they are mostly represented by the Al-poor serpentinites. As-

suming low mobility of Al-ions during diagenesis (Wintsch

&  Kvale  1994),  there  must  have  been  an  other  potential

source of Al, which was present in some sandstones at the

time  of  deposition.  The  role  of  feldspars  is  not  considered

here, due to their accessory amounts in sediments. In addi-

tion,  textural  relationships  suggest  that  the  main  phase  of

feldspar dissolution post-dates formation of the pore-filling

phyllosilicates.  However,  the  graywackes,  in  which  C/S

dominates, are characterized by large domains with an exten-

sively altered detrital framework. It has been proposed that

they  mostly  represent  replaced  glassy  fragments  or  mafic

minerals.  As  the  equivalent  replacement  textures  have  not

been observed in the quartzolithic graywackes (with saponit-

ic cementation), it is possible to suggest that presence or ab-

sence of these highly unstable detrital components in original

sediments was crucial for their diagenetic evolution.

Several authors have also discussed an influence of bulk-

rock or fluid Mg/(Mg + Fe) ratio on the occurrence of smec-

tite, corrensite or chlorite (Almon et al. 1976; Velde 1977;

Brigatti & Poppi 1984; Shau et al. 1990). Results obtained

from  different  geological  and  rock  environments  infer  that

saponite  is  favoured  by  a  high  bulk-rock  or  fluid  Mg/

(Mg + Fe) ratio whereas corrensite (or chlorite) is favoured

to form in rocks with a lower Mg/(Mg + Fe) ratio (Brigatti &

Poppi 1984). The data presented here do not show such rela-

tionship.  In  fact,  differences  in  whole-rock  Mg/(Mg + Fe)

values between saponite- and C/S-rich graywackes are negli-

gible, ranging from 0.817 to 0.864, and 0.795 to 0.838, re-

spectively (Table 1). Furthermore, as shown in Fig. 11, there

is only weak correlation between phyllosilicate and whole-

rock Mg/(Mg + Fe) ratios. This implies that the composition

of  saponite  and  C/S  with  respect  to  Mg/(Mg + Fe)  ratio  is

unique and independent of whole-rock chemistry. Shau et al.

(1990) have proposed that the contents of Fe (relative to Mg)

and Al

IV

 (relative to Si) increase in the order of saponite, cor-

rensite, to chlorite as a consequence of minimization of the

misfit between octahedral and tetrahedral sheets within the

2:1  layers  (i.e.  due  to  unique  crystal-chemical  relations  in

each mineral). The substitution of Al

IV

 for Si causes an in-

crease in size of the tetrahedral sheets, which requires a sub-

stitution of the larger Fe

2+

 ions for Mg

2+

 in the octahedral

sheets in order to compensate for such changes. Our results

seem to offer further evidence in favour of this idea.

Acknowledgements:  The  authors  are  grateful  to  ¼ubica

Puškelová (Geological Institute of Slovak Academy of Sci-

ences) for XRF and XRD analyses. We also wish to express

special thanks to Pavol Siman and his staff at the Geological

Survey of Slovak Republic for their technical assistance in

the SEM/EMPA work. Financial support for this study was

provided  by  the  Scientific  Grant  Agency  (VEGA),  grants

No. 2/4077/97 and No. 95/5305/520.

background image

TRIOCTAHEDRAL  PHYLLOSILICATES:   XRD, SEM  AND  EMPA  STUDY                                      271

References

Almon W.R., Fullerton L.B. & Davies D.K., 1976: Pore space re-

duction  in  Cretaceous  sandstones  through  chemical  precipita-

tion of clay minerals. J. Sed. Petrology, 46, 89–96.

April R.H., 1981: Trioctahedral smectite and interstratified chlorite/

smectite in Jurassic strata of the Connecticut Valley. Clays and

Clay Miner., 29, 31–39.

April  R.H.  &  Keller  D.M.,  1992:  Saponite  and  vermiculite  in

amygdales  of  the  Granby  basaltic  tuff,  Connecticut  Valley.

Clays and Clay Miner., 40, 22–31.

Bailey  S.W.,  1980:  Summary  of  recommendations  of  AIPEA  no-

menclature committee. Clays and Clay Miner., 28, 73–78.

Bautier M.D., Früh-Green G.L. & Karpoff A.M., 1995: Mechanism

of  Mg-phyllosilicate  formation  in  a  hydrothermal  system  at  a

sedimented ridge (Middle Valley, Juan de Fuca). Contr. Miner-

al. Petrology, 122, 134–151.

Beaufort D. & Meunier A., 1994: Saponite, corrensite and chlorite-

saponite  mixed-layer  in  the  Sancerre-Couy  deep  drill-hole

(France). Clay Miner., 29, 47–61.

Beaufort D., Baronnet A., Lanson B. & Meunier A., 1997: Corren-

site: A single phase or a mixed-layer phyllosilicate in the sapo-

nite-to-chlorite  conversion  series?  A  case  study  of

Sancerre-Couy  deep  drill  hole  (France).  Amer.  Mineralogist,

82, 109–124.

Bettison L.A. & Schiffman P., 1988: Compositional and structural

variations of phyllosilicates from the Point Sal ophiolite, Cali-

fornia. Amer. Mineralogist, 73, 62–76.

Bettison-Varga L.A., MacKinnon I.D.R. & Schiffman P., 1991: Inte-

grated  TEM,  XRD,  and  electron  microprobe  investigation  of

mixed-layer chlorite/smectite from the Point Sal ophiolite, Cal-

ifornia. J. Metamorphic Geol., 9, 697–710.

Bodine M.W. & Madsen B.M., 1987: Mixed-layer chlorite/smectites

from  a  Pennsylvanian  evaporite  cycle,  Grand  County,  Utah.

Proc.  Int.  Clay  Confer.  1985,  Denver.,  Clay  Miner.  Soc.,

Bloomington, Indiana, 85–96.

Brigatti M.F. & Poppi L., 1984: Crystal chemistry of corrensite: a

review. Clays and Clay Miner., 32, 391–399.

Chang H.K., Mackenzie F.T. & Schoonmaker J., 1986: Comparisons

between the diagenesis of dioctahedral and trioctahedral smec-

tite, Brazilian offshore basins. Clays and Clay Miner., 34, 407–

423.

De  la  Calle  C.  &  Suquet  H.,  1988:  Vermiculite.  In:  Bailey  S.W.

(Ed.):  Hydrous  Phyllosilicates  (exclusive  of  micas).  Rev.  in

Mineralogy, Vol. 19, Mineral. Soc. Amer., 455–496.

Dickinson  W.R.,  1970:  Interpreting  detrital  modes  of  graywacke

and arkose. J. Sed. Petrology, 40, 659–707.

Fisher R.S., 1988: Clay minerals in evaporite host rocks, Palo Duro

Basin, Texas Panhandle, J. Sed. Petrology, 58, 836–844.

Füchtbauer H., 1959: Zur Nomenklatur der Sedimentgesteine. Erdöl

u. Kohle, 12, 605–613.

Galloway W.E., 1974: Deposition and diagenetic alteration of sand-

stone  in  northwest  Pacific  arc-related  basins:  Implications  for

graywacke genesis. Geol. Soc. Amer. Bull., 85, 379–390.

Helmond K.P. & van de Kamp P.C., 1984: Diagenetic mineralogy

and controls on albitization and laumontite formation in Paleo-

gene  arkoses,  Santa  Ynez  Mountains,  California.  In:  Mc-

Donald D.A. & Surdam D.C. (Eds.): Clastic Diagenesis. Amer.

Assoc. Petrol. Geol. Mem., 37, 239–276.

Hillier S., 1993: Origin, diagenesis, and mineralogy of chlorite min-

erals in Devonian lacustrine mudrocks, Orcadian Basin, Scot-

land. Clays and Clay Miner., 41, 240–259.

Hillier  S.,  1995:  Mafic  phyllosilicates  in  low-grade  metabasites.

Characterization  using  deconvolution  analysis  —  discussion.

Clay Miner., 30, 67–73.

Iijima A. & Utada M., 1971: Present-day diagenesis of the Neogene

geosynclinal  deposits  in  the  Niigata  oilfield,  Japan.  In:  Gould

R.F. (Ed.): Molecular  sieve  zeolites-I (Advances  in chemistry,

Series 101). Amer. Chem. Soc., Washington DC, 34–349.

Inoue A., Utada M., Nagata H. & Watanabe T., 1984: Conversion of

trioctahedral  smectite  to  interstratified  chlorite/smectite  in

Pliocene acidic pyroclastic sediments of the Ohyiu district, Ak-

ita Prefecture, Japan. Clay Sci., 6, 103–116.

Inoue A. & Utada M., 1991: Smectite-to-chlorite transformation in

thermally metamorphosed volcanoclastistic rocks in the Kami-

kita  area,  northern  Honshu,  Japan.  Amer.  Mineralogist,  76,

628–640.

Jackson  M.L.,  1975:  Soil  chemical  analysis  —  advanced  course.

Madison, Wisconsin, 1–386.

Janks J.S., Yusas M.R. & Hall C.M., 1992: Clay mineralogy of the

interbedded  sandstone,  dolomite,  and  anhydrite:  The  Permian

Yates  Formation,  Winkler  County,  Texas.  In:  Houseknecht

D.W.  &  Pittman  E.D.  (Eds.):  Origin,  diagenesis,  and  petro-

physics of clay minerals in sandstones. SEPM Spec. Publ.,  47,

145–157.

Kristmannsdóttir  H.,  1979:  Alteration  of  basaltic  rocks  by  hydro-

thermal activity at 100–300 

o

C. In: Mortland M.M. & Farmer

V.C. (Eds.): Proc. Int. Clay Confer. 1978, Elsevier, Amsterdam,

359–367.

MacEwan D.M.C. & Wilson M.J., 1980: Interlayer and intercalation

complexes  of  clay  minerals.  In:  Brindley  G.W.  &  Brown  G.

(Eds.): Crystal structures of clay minerals and their X-ray iden-

tification. Mineral. Soc., (London), 197–249.

Malla P.B. & Douglas L.A., 1987: Identification of expanding layer

silicates: Layer charge vs. expansion properties. Proc. Int. Clay

Confer. 1985, Denver., Clay Miner. Soc., Bloomington, Indiana,

85–96.

Masaryk P., Šucha V. & Lintnerová O., 1995: Is the volcanic materi-

al present in the Middle Triassic basin sediments of the Hronic

Unit  (Choè  Nappe,  Western  Carpathians)?  Geol.  Carpathica,

46, 175–181.

Meunier A., Inoue A. & Beaufort D., 1991: Chemographic analysis

of trioctahedral smectite-to-chlorite conversion series from the

Ohyu caldera, Japan. Clays and Clay Miner., 39, 409–415.

Moraes  M.A.S.  &  de  Ros  L.F.,  1992:  Depositional,  infiltrated  and

authigenic clays in fluvial sandstones of the Jurassic Sergi For-

mation,  Recôncavo  Basin,  northeastern  Brazil.  In:  House-

knecht  D.W.  &  Pittman  E.D.  (Eds.):  Origin,  diagenesis,  and

petrophysics  of  clay  minerals  in  sandstones.  SEPM  Spec.

Publ., 47, 197–208.

Reynolds  R.C.,  1980:  Interstratified  clay  minerals.  In:  Brindley

G.W. & Brown G. (Eds.): Crystal Structures of Clay Minerals

and  their  X-ray  Identification.  Mineral.  Soc.,  (London),  249–

303.

Reynolds R.C., 1985: NEWMOD A computer program for the cal-

culation  of  the  one-dimensional  patterns  of  mixed-layered

clays. R.C. Reynolds, 8 Brook Rd. Hanover, New Hampshire.

Reynolds R.C., 1988: Mixed layer chlorite minerals. In: Bailey S.W.

(Ed.):  Hydrous  phyllosilicates  (exclusive  of  micas).  Rev.  in

Mineralogy, Vol. 19, Miner. Soc. Amer., 601–629.

Robinson D., Bevins R.E. & Rowbotham G., 1993: The character-

ization of mafic phyllosilicates in low-grade metabasalts from

eastern Greenland. Amer. Mineralogist, 78, 377–390.

Schiffman P. & Fridleifsson G.O., 1991: The smectite-chlorite tran-

sition in drillhole NJ-15 Nesjavellir geothermal field, Iceland:

XRD,  BSE,  and  electron  microprobe  investigations.  J.  Meta-

morphic Geol., 9, 679–696.

Schiffman P. & Stautigel H., 1995: The smectite to chlorite transi-

tion in a fossil seamount hydrothermal system: The  basement

complex of La Palma, Canary Islands. J. Metamorphic Geol.,

background image

272                                                                                   BIROÒ, SOTÁK and BEBEJ

13, 487–498.

Schiffman  P.  &  Southard  R.J.,  1996:  Cation  exchange  capacity  of

layer silicates and palagonitized glass in mafic volcanic rocks:

A comparative study of bulk extraction and in situ techniques.

Clays and Clay Miner., 44, 624–634.

Schultz L.G., 1963: Clay minerals in the Triassic rocks of the Colo-

rado Plateau. U.S. Geol. Surv. Bull., 1147-C, 1–71.

Shau Y.H., Peacor D.R. & Essene E.J., 1990: Corrensite and mixed-

layer chlorite/corrensite in metabasalts from northern Taiwan:

TEM/AEM, EMPA, XRD, and optical studies. Contr. Mineral.

Petrology, 105, 123–142.

Shau Y.H. & Peacor D.R., 1992: Phyllosilicates in hydrothermally

altered basalts from DSDP Hole 504B, Leg 83 — a TEM and

AEM study. Contr. Mineral. Petrology, 112, 119–133.

Soták J. & Bebej J., 1996: Serpentinitic sandstones from the Šam-

bron-Kamenica Zone in Eastern Slovakia: Evidence of deposi-

tion  in  a  Tertiary  collisional  belt.  Geol.  Carpathica,  47,

227–239.

Velde  B.,  1977:  Clays  and  clay  minerals  in  natural  and  synthetic

systems. Elsevier, Amsterdam, 1–211.

Wilson M.D. & Pittman E.D., 1977: Authigenic clays in sandstones:

Recognition and influence on reservoir properties and paleoen-

vironmental analysis. J. Sed. Petrology, 47, 3–31.

Wintsch R.P. & Kvale C.M., 1994: Differential mobility of elements

in  burial  diagenesis  of  siliciclastic  rocks.  J.  Sed.  Res.,  A64,

349–361.