Estimation of Clay Proportions in Mixtures by X-Ray Diffraction and Computerized Chemical Mass Balance

Abstract

As part of a laboratory study of the hydrothermal alteration of kimberlite, a mass balance procedure has been developed for estimating the relative proportions of synthetic phyllosilicate phases— chlorite, vermiculite, smectite, kaolinite and serpentine—present in reaction products. The procedure is based on a combination of X-ray powder diffraction (XRD) measurements (for phase identification), atomic absorption determinations (for total Si, Al, Fe, and Mg) and published analyses of clay minerals (for stoichiometric deductions). It centers on the computer inversion of a 4 × 4 matrix form of four simultaneous equations representing the mass balance of Si, Al, Fe, and Mg in four chosen minerals and incorporates a systematic routine for selecting from all possible permutations of high and low estimates of the mineral chemical analyses acceptable sets of product stoichiometries and phase proportions consistent with the total metal analyses. To minimize uncertainties and computing time, the program takes account of elemental relationships and water mass balances associated with phyllosilicates. It also accommodates data relevant to poorly crystalline phases for which a range of theoretical type-analyses modeled on aluminum oxyhydroxides and 9–11-Å, 2:1 layered aluminosilicates are employed.

The procedure produces reliable trends in phase proportions consistent with the intensities of characteristic XRD peaks of clay minerals present in the analyzed mixture; for example, increases in estimated kaolinite proportions correspond with larger 7-Å (and other) peaks in analyzed samples. A precision of 7–25% has been routinely achievable.

Резюме

Как часть лабораторных исследований гидротермического изменения кимберлита, разработан метод для определения относительных пропорции фаз синтетических филлосилика-тов—хлорита, вермикулита, смектита, каолинита и серпентина—присутствующих в продуктах реакции, метод осован на комбинации измерений порошковой рентгеновской дифракции (для идентификации фаз), определения атомной абсорбции (для суммарного содержания Si, Al, Fe, и Mg) и опубликованных данных по химическому анализу глинистых минералов (для стоихио-метрических вычитаний). Этот метод основан на численной инверсии 4 × 4 матрицы определяемой системой четерех уравнений, определяющих баланс массы Si, Al, Fe, и Mg в четерех выбранных минералах, а также включает процедуру систематического отбора (их всех возможных перму-тации высоких и низких оценок минеральных химических анализов) допускаемых групп стоихио-метрий продуктов и пропорции фаз, совместимых с полным анализом металлов. Для минимизации неопределенности и времени вычислений, прокрама включает элементарные взаимодействия и баланс массы воды, связанные с филлосиликатами. Эта програма также включает данные относящиеся к слабо кристаллическим фазом, для которых используется диапазон анализа теоретического типа, моделированного на оксигидроокисях алюминия и 9–11 Å, 2:1 слоистых алюминосиликатах.

Этот метод является устойчивым для определения тенденции в пропорции фаз, согласных с интенсивностями линий порошковой рентгеновской дифракции, характерных для глинистых минералов, находящихся в анализируемой смеси; например увеличение пропорции каолинита соответствует увеличению линии 7 Å (и других) в анализируемом образце. Обычно достигались уровни точности порядка 7–25%. [E.G.]

Resümee

Als Teil einer Laboruntersuchung der hydrothermalen Umwandlung von Kimberlit wurde ein Massenbilanzverfahren zur Abschätzung der relativen Anteile von synthetischen Schichtsilikaten—Chlorit, Vermiculit, Smektit, Kaolinit, und Serpentin—die in den Reaktionsprodukten vorkommen, entwickelt. Das Verfahren basiert auf einer Kombination aus Röntgendiffraktionsmessungen (zur Phasenidentifizierung), Atomadsorptionsbestimmungen (für die Bestimmung des Gesamtgehaltes an Si, Al, Fe, und Mg) und publizierten chemischen Tonmineralanalysen (zu stöchiometrischen Ableitungen). Es konzentriert sich auf die Computerinversion einer 4×4 Matrix für 4 simultane Gleichungen, die die Massenbilanz für Si, Al, Fe, und Mg in den 4 ausgewählten Mineralen darstellen. Außerdem schließt es eine systematische Routine zur Auswahl (aus allen möglichen Permutationen von hohen und niedrigen Möglichkeiten einer chemischen Mineralanalyse) möglicher Kombinationen von stöchiometrischen Zusammensetzungen der Produkte und von Phasenverhältnissen ein, die mit der Gesamtmetallanalyse übereinstimmen. Um Unsicherheiten und die Rechenzeit möglichst klein zu halten, berücksichtigt das Programm Elementbeziehungen und die Wasserbilanz, die im Zusammenhang mit den Phyllosilikaten steht. Es bezieht auch Daten mit ein, die im Hindblick auf schlecht kristallisierte Phasen wichtig sind, für die ein Bereich von theoretischen Typanalysen eingesetzt wird, die auf Aluminium-Oxihydroxiden und Å 9–11 Å 2:1 Alu-moschichtsilikaten beruhen.

Diese Vorgangsweise liefert reproduzierbare Trends bei Phasenverhältnissen, die mit den Intensitäten der charakteristischen XRD-Peaks der Tonminerale, die in den analysierten Mischungen vorhanden sind, übereinstimmen; z.B., entsprechen Zunahmen bei den geschätzten Kaolinitanteilen größeren 7 Â (und anderen) Peaks in den analysierten Proben. Genauigkeiten von 7–25% waren routinemäßig zu erreichen. [U.W.]

Résumé

En tant que partie d'une étude de laboratoire de l'altération hydrothermique de la kimberlite, un procédé d’équilibre de masse a été développé pour estimer les proportions relatives de phases phyllosilicates synthétiques—chlorite, vermiculite, smectite, kaolinite, et serpentine—présentes dans les produits de réaction. Le procédé est une combinaison de mesures de diffraction des rayons-X (pour l'identification de phases), de déterminations d'adsorption atomique (pour le contenu total en Si, Al, Fe, et Mg) et d'analyses chimiques de minéraux argileux publiées (pour les déductions stoïchiométriques). Il centre sur l'inverse à l'ordinateur d'une forme de matrice 4 × 4 de quatre équations simultanées représentant l’équilibre de masse de Si, Al, Fe, et Mg dans quatre minéraux choisis, et incorpore une routine systématique pour la sélection (à partir de toutes les permutations possibles d'estimations élevées et basses des analyes chimiques de minéraux) d'ensembles acceptables de stoichiométrics produites et de proportions de phases consistantes avec les analyses de métaux totaux. Pour minimiser les incertitudes et le temps à l'ordinateur, le programme tient compte de relations d’éléments et des équilibres de masse d'eau associées avec des phyllosilicates. Il accomode aussi les données ayant rapport aux phases pauvrement cristallines pour lesquelles on emploie une gamme d'analyses-type théoriques modelées sur des oxyhy-droxides d'aluminium et sur des aluminosilicates à couches 9–11 Å 2:1.

Le procédé est sûr pour la production de tendances de proportions de phases consistantes avec les intensités de sommets XRD caractéristiques de minéraux argileux présents dans le mélange analysé; par exemple des augmentations de proportions estimées de kaolinite correspondent à de plus hauts sommets 7 Å (et autres) des échantillons analysés. Il était commun d'obtenir des niveaux de précision de 7–25%.