Synthesis of Iron Layer Silicate Minerals under Natural Conditions

Abstract

The low temperature synthesis of iron silicate minerals with clay structures is possible at surface temperatures only under reducing conditions. Under oxidizing conditions clay minerals could not be synthesized. Instead quartz and quartzine were found in these X-ray amorphous Fe III hydroxide-silica precipitates after 14 days at low temperatures (20° and 3°C) as well as geothite or X-ray amorphous iron hydroxides. Only from solutions containing Fe-II could the different iron-containing clay minerals be built up within days at low temperatures. The presence of Fe-II enables an octahedral layer of the brucite-gibbsite type to be formed. This is necessary for the bidimensional orientation of SiO₄-tetrahedra leading to clay mineral formation. The presence of Fe²⁺- and/or Mg²⁺-ions is necessary for the formation of the Al³⁺- and Fe³⁺-containing octahedral layers. The reducing conditions were obtained in the experiments by addition of dithionite. With a high content of silica (ca. 20 ppm SiO₂,7 ppm Fe) nontronite and lembergite, the di-Fe-III and tri-Fe-II octahedral, three-layer silicates, were built up in several days at low temperatures. With a lower silica content, that is, a lower Si/Fe ratio (15 ppm SiO₂ and 20 ppm Fe), the two-layer silicate minerals greenalite and chamosite could be synthesized. A higher Mg content and more reducing conditions in the solutions favored the tri- as well as dioctahedral chamosite synthesis.

The conditions of formation of recent naturally formed nontronite fit well with the synthesis conditions. Chamosites in sedimentary iron ores are characterized by a low content of SiO₂, between 15–30% SiO₂. This low content of silica cannot be the result of primary precipitation from seawater. The iron and silica ratio in seawater or in river waters would lead to a precipitation of ~60% SiO₂ in the iron hydroxide precipitates. A probable origin for chamosite iron ores, which explains the low SiO₂ content, is diagenesis of the lateritic weathering crust. Indeed, investigations of recent tropical shoreline sediments and in particular their trace element content confirm that chamosite minerals have formed diagenetically from lateritic particles in reducing sediments.

Резюме

Низкотемпературный синтез железистых силикатных минералов с глинистыми структурами возможен при наземной температуре только в восстановительной среде.В окислительной среде глинистые минералы не синтезируются.Вместо этого в аморфных к рентгеновским лучам кремнеземных осадках,содержащих гидроокись Fe-III,после 14 дней содержания при низкой температуре /20° и 3°С/ были обнаружены кварц и кварцин,а также гетит или аморфные к рентгеновским лучам железистые гидроокиси.Только из растворов,содержащих Fe-II,могут образоваться различные железо-содержащие глинистые минералы в течение нескольких дней при низкой температуре.Присутствие Fe-II способствует образованию октаэдрического слоя брусито-гиббситового типа.Это необходимо для двумерной ориентации тетраэдров SiO⁴,ведущей к формированию глинистых минералов.Присутствие ионов Fe²⁺H /или/ Mg²⁺ необходимо для формирования содержащих Аl³⁺и Fe³⁺ октаэдрических слоев. При экспериментах восстановительная среда достигалась добавлением дитионита.ПРи высоком содержании кремнезема /около 20 ч/млн SiO₂ и 7 ч/млн Fe/ были получены нонтронит и лембергит,двухоктаэдральный с Fe-III и трехоктаэдральный с Fe-II трехслойные силикаты,в несколько дней при низкой температуре.При низком содержании кремнезема,т.е.при низком отношении Si/Fe/15 ч/млн SiO₂ и 20 ч/млн Fe/ были синтезированы двухслойные силикатные минералы гриналит и шамозит.Более высокое содержание Mg и усиление восстановительных свойств раствора способствует синтезу трех- и двухоктаэдрического шамозита.

Условия современного формирования природного нонтронита хорошо соответствуют условиям синтеза.Шамозит в осадочных железных рудах характеризуется низким содержанием SiO₂,OT 15 до 30% SiO₂.Низкое содержание кремнезема не может быть результатом первичного осаждения его из морской воды.Соотношение железа и кремнезема в морской или речной воде должно привести к осаждению примерно 60% SiO₂ в гидроокисных железистых отложениях.Возможное происхождение шамози- товых железных руд,которое объясняет низкое содержание SiO₂,связано с диагенезом продуктов латеритового выветривания поверхностных отложений.Действительно, исследования современных тропических прибрежных осадков и в особенности содержащихся в них рассеянных элементов убеждают,что шамозитовые минералы образовались диагенетически из латеритовых частиц в восстановительной среде.