Properties of ‘Swelling’ Chlorite in Some Mesozoic Formations of California

Abstract

Slaty strata and their weathering products comprise a large portion of the geologic formations of the western foothills in the Sierra Nevada, Mid-Northern California. The weathering products of Mesozoic slates in particular, locally known as ‘swelling’ chlorites, have caused numerous problems in road construction.

A typical stratigraphic section of slates, which includes ‘swelling’ chlorites, is given for the area of Chili Bar, California, as part of the general geology of the western foothill formations. Remolded slate densities were observed to decrease while measured swelling pressures increased with increasing slate alteration. Swelling pressures in excess of 12.5 psi were observed. Curves are presented in comparison with DTA results showing the effect of alteration on the slate.

The results of X-ray diffraction analyses, in correlation with i.r. data, show a typical slate mineral composition for unaltered material of about one-half chlorite with the remainder being about equal portions of muscovite and quartz. The entire chlorite content of the altered slate becomes a regular mixed-layer clay mineral, corrensite, which has been observed to alter to sedimentary vermiculite and Mg-saponite in residual soil. An i.r. absorption peak at 3690 cm^-1 characterizes the mixed-layer clay mineral. Heat treatment of the mixed-layer clay mineral structure reduces the 14.3 Å basal spacing to 11.8Å at 540°C, which decreases to 10.6Å at 850°C, disappearing by 1050°C. Procedures are given for direct quantitative analysis of these three-phase mineral systems using simultaneous linear equations.

Evidence is presented for the alteration minerals formed during weathering of the slate, including Fourier analysis of the mixed-layer clay structure.

Résumé

Des couches schisteuses et leurs produits d’altération forment une grande partie des formations géologiques des zones de piémont à l’ouest de la Sierra Nevada, Californie, moitié Nord. Les produits d’altération des schistes mésozoïques en particulier, connus localement sous le nom de chlorites ’gonflantes’, one été la cause de nombreux problèmes lors de la construction des routes.

Une section stratigraphique typique de ces schistes, comprenant les chlorites ’gonflantes’ est donnée pour la région de Chili Bar, Californie; elle constitue une partie de l’ensemble géologique des formations de piémont occidentales. On a observé que les densités du schiste remanié diminuent alors que les pressions de gonflement mesurées augmentent avec une altération croissante du schiste. Des pressions de gonflement supérieures à 12,5 psi ont été observées. Les courbes sont présentées en faisant la comparaison avec les résultats d’ATD, ce qui montre l’effet de l’altération sur le schiste.

Les résultats des analyses par diffraction X joints aux données infrarouges montrent que la composition minérale typique du schiste pour le matériau non altéré est d’environ une moitié de chlorite, le reste étant en proportions sensiblement égales de la muscovite et du quartz. La totalité du constituant chlori-tique du schiste altéré se transforme en un minéral argileux interstratifié régulier, la corrensite, dont on a pu observer l’altération en vermiculite sédimentaire et saponite Mg dans le sol résiduel. Un pic d’absorption infrarouge à 3690 cm^-1 caractérise le minéral argileux interstratifié. Le traitement thermique de l’in-terstratifié réduit l’espacement basal de 14,3 à 11,8 Å à 540°C, puis à 10,6 Å à 850°C. Le pic de diffraction disparaît à 1050°C environ. On donne des méthodes permettant l’analyse quantitative directe de ces systèmes minéraux à trois phases, en utilisant des équations linéaires simultanées.

On fournit une preuve de la modification des minéraux formés pendant l’altération du schiste, comprenant notamment l’analyse de Fourier de la structure de l’argile interstratifiée.

Kurzreferat

Schiefrige Schichten und ihre Verwitterungsprodukte bilden einen großen Anteil der geologischen Formationen in den westlichen Vorgebirgen der Sierra Nevada im nördlichen Mittel-Kalifornien. Insbesondere die Verwitterungsprodukte mesozoischer Schiefer, die lokal als ‘quellfähige’ Chlorite bekannt sind, haben zahlreiche Probleme beim Straßenbau hervorgerufen.

Ein typischer stratigraphischer Schnitt von Schiefern, der quellfähige Chlorite einschließt, wind für das Gebiet von Chili Bar, Kalifornien, als Teil der allgemeinen Geologie der westlichen Vorgebirgsformationen beschrieben. Es wurde beobachtet, daß die Dichten wiederaufgeschmolzener Schiefer abnahmen, während die Quellungsdrucke mit zunehmender Schieferumwandlung anstiegen. Quellungsdrucke von mehr als 12,5 psi wurden beobachtet. Als Vergleich zu DTA-Ergebnissen werden Kurven vorgelegt, die den Einfluß der Umwandlung auf die Schiefer zeigen.

Die Ergebnisse von Röntgenbeugungsanalysen zeigen in Verbindung mit Infrarotdaten, daß das unveränderte Material eine für Schiefer typische MineralzU.S.A.mmensetzung besitzt, die etwa zur Hälfte aus Chlorit und einem zu etwa gleichen Teilen aus Muskovit und Quarz zU.S.A.mmengesetzten Rest besteht. Der gesamte Chloritgehalt der veränderten Schiefer geht in ein regelmäßig wechselgelagertes Tonmineral, den Corrensit, über, dessen Umwandlung zu sedimentärem Vermiculit und Mg-Saponit in reliktischen Böden beobachtet wurde. Ein Infrarotabsorptionsmaximum bei 3690cm-1 kennzeichnet das Wechsella-gerungstonmineral. Erhitzung der Wechsellagerungstonmineralstruktur vermindert den 14,3 Å-Basise-benenabstand bei 540°C auf 11,8 Å, läßt ihn bei 850°C auf 10,6 Å zurückgehen und bei 1050°C verschwinden. Verfahren für eine direkte quantitative Analyse dieser Drei-Phasen-Mineralsysteme unter Verwendung simultaner linearer Gleichungen werden beschrieben.

Es werden Nachweise für die bei der Verwitterung des Schiefers gebildeten Umwandlungsminerale beigebracht einschließlich der Fourier-Analyse für wechselgelagerte Tonmineralstrukturen.

Резюме

Сланцеватые отложения пород и продукты их выветривания составляют большую часть геологических отложений западных предгорий в Сьерре-Невада, среднесеверная Кали- форния. Продукты выветривания мезозойских сланцев, местно известных как «вспучива-ющиеся» хлориты, особенно создают много проблем при постройке дорог.

Сланцы, типовые стратиграфические сечения которых включают «вспучивающийся» хлорит, являются частью общей геологии формования западных поясов предгорий в районе Чили Бар, Калифорния. Заметили, что плотность переформирующегося сланца понижалась в то время как измеряемое давление вспучивания повышалось с возрастающим изменением сланца. Наблюдалось давление вспучивания превышающее 12,5 фунт/дюйм2. Для сравнения с результатами DTА приводятся кривые, показывающие эффект изменения на сланец.

Результаты рентгенографических анализов вместе с данными ИК-спектра дают типовую композицию минерального сланца, состоящего из одной половины примерно неизмененного хлорита, а другой — почти равные части мусковита и кварца. Весь хлорит содержимый измененным сланцем становится глинистым минералом сосмешанными слоями, а в остаточной земле коррезит превращается в осадочный вермикулит и Мg-сапонит. Пик ИК-поглощения в 3690 см-1 характеризует глинистый минерал со смешанными слоями. Термообработка этого глинистого минерала при температуре 540°С сокращает базальный параметр от 14,3 А до 11,8 А, при температуре 850°С он сокращается до 10,6 А, а при 1050°С — исчезает. Дается процедура непосредственного численного анализа трехфазных минеральных систем посред-ством совместных линейных уравнений.

Представляются экспериментальные данные об изменениях происходящих во время выветривания сланца, включая анализ структуры глины со смешанными слоями Фурьера.