A swelling hematite/layer-silicate complex in weathered granite

Abstract

A naturally occurring hematitic iron oxide/layer-silicate complex has been found in red mottled patches of a deeply weathered granite in north-east Scotland. X-ray diffraction shows a basal spacing of 36 Å—also observable by high resolution electron microscopy—which expands to 40 Å with glycerol and contracts to 33·5 Å on heating. Selected area electron diffraction reveals a composite hematite/layer-silicate pattern with the a-axis of hematite parallel to the b-axis of the silicate. The IR spectrum of the complex clearly shows the contribution made by each of the components. The silicate, with bands due to OH stretching at 3602 cm⁻¹, OH deformation at 855 cm⁻¹, and Si-O stretching at 1085, 1035, 540 and 471 cm⁻¹ resembles ferruginous pyrophyllite, while the hematite, with a perpendicular band at 647 cm⁻¹, in-plane bands at 519, 438, 400, 302 and 227 cm⁻¹ and a characteristic pattern of relative band intensities, is similar to a platy form of soil hematite. Electron microprobe analysis of individual particles gives the complex an (Fe + Al): Si ratio of 6:1, which is consistent with a structure made up of twelve octahedral sheets terminated on both sides by a silicate sheet. It seems likely that the complex developed from a siliceous ferrihydrite which became progressively more organized with geological time.

Résumé

Dans des fragments striés de rouge d'un granit fortement altéré du Nord-Est de l'Ecosse, on a trouvé un complexe oxyde de fer (type hématite) silicate-phylliteux. Le spectre de diffraction des rayons X présente un espacement de base de 36 Å—que l'on peut également observer en microscopie électronique à haute résolution—qui glonfle à 40 Å en présence de glycérol et se contracte à 33·5 Å lors d'un chauffage. La microdiffraction électronique révèle un réseau composé—hématite, silicate phylliteux—avec l'axe a de l'hématite parallèle à l'axe b du silicate. Le spectre I.R. de ce complexe montre la contribution fatie par chacun de ces composants. Le silicate, avec des bandes dues à l'allongement des OH situés à 3602 cm⁻¹ de déformation OH à 855 cm⁻¹, d'allongement Si-O à 1085, 1035, 540 et 471 cm⁻¹, ressemble à une pyrophyllite ferrugineuse alors que l'hématite avec une bande perpendiculaire à 647 cm⁻¹ et une bande dans le plan à 519, 438, 400, 302 et 227 cm⁻¹ et un diagramme caractéristique en intensité relative des bandes est semblable à de l'hématite des sols de forme aplatie. Une analyse par microsonde électronique des particules individuelles donne au complexe un rapport (Fe + Al): Si = 6:1, ce qui est en accord avec une structure formée de 12 feuillets octaédriques terminés de chaque côté par un feuillet silicaté. Il est probable que ce complexe se développe à partir d'une ferrihydrite siliceuse qui s'organise progressivement avec le temps à l'échelle géologique.

Kurzreferat

Ein natürlich vorkommender hämatitischer Eisenoxid/Schichtsilicat-Komplex wurde in rot gefleckten Partien eines stark verwitterten Granits im Nordosten Schottlands gefunden. Mit Röntgenbeugung ermittelt sich ein Basisabstand von 36 Å—ebenso wie unterm hochauflösenden Elektronenmikroskop—, welcher mit Glycerin auf 40 Å geht und beim Erhitzen auf 33·5 Å kontrahiert. Feinbereichselektronenbeugung ergibt eine HämatitSchichtsilicat-Anordnung mit paralleler Austrichtung der Hämatit a-Achse zur Silicat b-Achse. Das IR-Spektrum dieses Komplexes zeigt eindeutig jede dieser beiden Komponenten. Mit Banden für OH-Valenzschwingung bei 3602 cm⁻¹, OH-Deformationsschwingung bei 855 cm⁻¹ und Si-O-Valenzschwingungen bei 1085, 1035, 540 und 471 cm⁻¹ ähnelt das Silicat einem eisenhaltigen Pyrophyllit, während der Hämatit mit einer Bande bei 647 cm⁻¹ senkrecht zur Schicht, Banden bei 519, 438, 400, 302 und 227 cm⁻¹ in Schichtebene und einem charackteristischen Spektrum relativer Bandenintensitäten der Plättchenform von Bodenhämatiten ähnelt. Elektronenmikrosondenanalysen ergeben für den Komplex ein (Fe + Al): Si Verhältnis von 6: 1, was einem Strukturaufbau von 12 Oktaederschichten mit beidseitiger Begrenzung durch eine Silicatschicht gleichkommt. Es scheint wahrscheinlich, daß sich dieser Komplex aus einem siliziumhaltigen Ferrihydrit entwickelte, dessen Ordnungsgrad mit dem geologischen Zeitablauf zunahm.

Resumen

Se ha encontrado en complejo natural óxido de hierro hematítico/silicato laminar, en unas manchas moteadas de rojo de un granito profundamente alterado en el noreste de Escocia. Los diagramas de difracción de R-X muestran un espaciado basal de 36 Å—observable asimismo por microscopia de alta resolución-que se expande hasta 40 Å con glicerol y se contrae a 33·5 Å por calentamiento. Los diagramas de microdifracción electrónica corresponden a una mezcla hematites/silicato laminar con el eje a de la hematities paralelo al eje b del silicato. El espectro I.R. del complejo muestra claramente la contribución de cada uno de los componentes. El silicato, con bandas debidas a la tensión OH a 3602 cm⁻¹, a la deformación OH a 855 cm⁻¹ y a la tensión Si-O a 1085, 1035, 540 y 471 cm⁻¹ se parece a una pirofilita ferruginosa, mientras que la hematites, con una banda perpendicular al plano a 647 cm⁻¹, en el piano a 519, 438, 400, 302 y 227 cm⁻¹ y un diagrama characterístico de intensidades relativas, es similar a una forma planar de hematities del suelo. El análisis por microsonda electrónica de las partículas individuales del complejo dan una relación (Fe + Al): Si de 6: 1 que es consistente con una estructura formada por doce capas octahédricas terminadas en ambos lados por una capa de silicato. El complejo parece que se formó a partir de una ferrihidrita silícea que con el tiempo se fue organizando progresivamente.