KLEIMINERALOGISCH ONDERZOEK V A N ENKELE KWARTAIRE EN T E R T I A I R E AFZETTINGEN
A. Breeuwsma W. Balkema R. Zwijnen
Stichting voor Bodemkartering, Wageningen, 1987
INHOUD Biz.
WOORD VOORAF 7
1 INLEIDING 9
2 BESCHRIJVING VAN DE MONSTERS 11
3 ANALYSEMETHODEN 13
4 RESULTATEN 15
LITERATUUR 19
TABELLEN BIJLAGEN
WOORD VOORAF
Dit rapport vormt een onderdeel van een samenwerkingsproject tussen de Rijks Geologische Dienst (RGD) en de Stichting voor Bodemkartering (STIBOKA). Het bevat de resultaten van een klei-mineralogisch onderzoek dat door de afdeling Bodemchemie van STIBOKA werd verricht. De resultaten van een micromorfologisch onderzoek aan dezelfde monsters door de afdeling Bodemstructuur en Micromorfologie zijn in rapport nr. 1850 beschreven door Dr. E.B.A. Bisdom.
De directeur van de
Stichting voor Bodemkartering,
1 INLEIDING
De Rijks Geologische Dienst is geïnteresseerd in de mogelijkhe den die kleimineralogisch en micromorfologisch onderzoek bieden voor de karakterisering van geologische afzettingen met betrek king tot de ontstaanswijze en de eigenschappen van milieutech nische, resp. geotechnische aard. Bij de ontstaanswijze gaat het onder andere om het sedimentatiemilieu, bij milieutechni sche aspecten om de chemische samenstelling en eigenschappen, en bij de geotechnische aspecten om de porositeit en doorlatend-heid. In verband hiermee is in een samenwerkingsproject met de Stichting voor Bodemkartering bij wijze van proef een kleimine ralogisch en micromorfologisch onderzoek uitgevoerd in tien monsters van (voornamelijk) Kwartaire en Tertiaire klei-afzet-tingen. Dit rapport bevat alleen de resultaten van het kleimi-neralogisch onderzoek. De gegevens die uit dit onderzoek naar voren komen, zullen door de RGD op hun bruikbaarheid in toekom stig onderzoek worden beoordeeld.
2 BESCHRIJVING VAN DE MONSTERS
De tien onderzochte kleimonsters zijn afkomstig uit boringen in de potklei (Groningen) en uit boringen in West-Brabant, Weesp en Mol (België) (zie tabel 1). Negen van de monsters zijn af komstig uit Kwartaire afzettingen en één uit het Tertiair (Mol, klei van Boom).
3 ANALYSEMETHODEN
Voor gedetailleerde informatie over de toegepaste chemische en mineralogische analysemethoden wordt verwezen naar de bij STI-BOKA aanwezige analysevoorschriften.
- Chemisch
In het totale monster werd een bepaling verricht van de zuur graad (pH-KCl), het kalkgehalte (CaCO^) en het gloeiverlies (bij 500 °C). Het gloeiverlies is een maat voor het
organi-sche-stofgehalte. Dit gehalte kon echter niet exact worden vastgesteld omdat de gloeiverliescijfers voor het gloeiver lies van de minerale delen moet worden gecorrigeerd. Daarvoor is vooral het lutumgehalte van belang en dit was niet bekend. Het kan hieruit (in massaprocenten) worden berekend via
(Sjardijn & Breeuwsma, in voorb.):
org.-stofgeh. = gloeiverlies - (0,35 + 0,064 lutumgeh.) (1) Van de lutumfractie (<2pm) is de chemische samenstelling en de kationenuitwisselcapaciteit bepaald. De chemische samen stelling werd bepaald door het monster te ontsluiten met een mengsel van fluorwaterstof en koningswater en de concentra ties in het extract te meten met AAS (K en Na) en ICP-AES (overige elementen). De kationuitwisselcapaciteit (Engelse afkorting: CEC) is gemeten bij pH 8,2 met een oplossing van bariumchloride en triethanolamine. In verband met de bepaling van het vermiculietgehalte is de CEC opnieuw bepaald na een behandeling van het monster met een kaliumchloride-oplossing. - Mineralogisch
Voor de kleimineralogische analyse van de lutumfractie zijn de monsters voorbehandeld met waterstofperoxyde en een ace taatbuffer ter verwijdering van, respectievelijk, organische stof en carbonaten. Het adsorptiecomplex van de kleimineralen werd vervolgens met magnesium-ionen bezet en de kleisuspensie uitgewassen en gedroogd. Van dit materiaal werden op een kera mische filter georiënteerde preparaten gemaakt voor een rönt-gendiffractie-onderzoek.
14
Van de Mg-kleien werden 7 röntgendiffractiecurven opgenomen na de achtereenvolgende behandelingen:
1. drogen aan de lucht (Mg-luchtdroog); 2. behandeling met glycerol (Mg-glycerol); 3. behandeling met KCl (K-luchtdroog);
4. uitwassen met MgCl^ resp. water en drogen aan de lucht (Mg-luchtdroog);
5. behandeling met glycerol (Mg-glycerine); 6. verhitting bij 350 °C (Mg-350 °C);
7. verhitting bij 550 °C (Mg-550 °C).
De interpretatie van de rontgendiffractiegegevens is geba seerd op onderzoek dat eerder is verricht in Holocene klei-afzettingen (Breeuwsma, 1985). Het betreft hier een semi-kwantitatieve analyse waarbij ook gebruik is gemaakt van che mische gegevens (naar Jackson, 1969). Dit geldt onder andere voor het K^O-gehalte (illiet), de CEC (smeculiet) en verande ringen in de CEC door K-fixatie (vermiculiet). Een ander voorbeeld van het gebruik van chemische gegevens is de bepa ling van het kaolinietgehalte met een loogoplossing vóór en na afbraak van kaolinietmineralen door verhitting bij 500 °C. Een nauwkeurige schatting van mineraalpercentages wordt be moeilijkt door variaties in deeltjesgrootte, kristalstructuur en chemische samenstelling. In verband hiermee is volstaan met het aangeven van de trajecten waarin het werkelijke ge halte vermoedelijk ligt. Deze trajecten zijn in klassen inge deeld zoals aangegeven in tabel 3. De rontgendiffractiecurven zijn in bijlage 1 opgenomen.
4 RESULTATEN
Voor alle duidelijkheid wordt opgemerkt dat de resultaten uit sluitend betrekking hebben op de onderzochte monsters. In hoe verre de resultaten representatief zijn voor de onderzochte afzettingen valt op grond van het geringe aantal monsters niet te zeggen. De belangrijkste resultaten kunnen als volgt worden samengevat :
Chemisch onderzoek
- Uit de chemische analyses blijkt dat de meeste monsters kalk-rijk waren (Tabel 2).
- In samenhang hiermee komen lage pH's alleen voor bij de flu-viatiele afzetting van Kedichem (nr. 8 en 9), waarbij vooral het humeuze monster opvalt door een zeer lage pH (4,6). - De lutumfracties vertonen wat de chemische samenstelling be
treft vooral verschillen in ijzergehalte. Dit is waarschijn lijk vooral een gevolg van wisselende gehalten aan "vrij" (niet-silicaatgebonden) ijzeroxyde. Vooral het monster uit de
formatie van Harderwijk valt op door een hoog ijzergehalte (25% Fe20^)• Bij het röntgendiffractie-onderzoek bleek dat dit monster relatief veel lepidocrociet (y-FeOOH) bevat (Ta bel 3). Als gevolg van het hoge ijzergehalte zijn de gehalten van de overige elementen lager dan bij de andere monsters. Kleimineralogisch onderzoek
- Met uitzondering van de monsters uit de potklei lijkt de klei-mineralogische samenstelling van de monsters uit het Kwartair, zoals weergegeven in tabel 3, zeer sterk op die van de Holo-cene afzettingen (Breeuwsma, 1985).
- Het monster uit het Tertiair (klei van Boom) wijkt af doordat de kaolinietpiek in de röntgendiffractiecurven in verhouding veel hoger is (bijlage 1). Ook bij de potklei is dit het ge val. Dit laatste is in overeenstemming met een eerder onder zoek waarbij in potklei via de in hoofdstuk 3 aangegeven me thode (Jackson, 1969) een kaolinietgehalte van 17% werd ge vonden (Breeuwsma, pers. meded.). De overeenkomst in kaoli nietgehalte van de Tertiaire klei van Boom en de potklei is
1 6 CM CM CM 00 CM CM r-» O O o O O o o o o o c A A ft ft •t * ft z O O o o O o o o o O CM CM m CO CM m 00 ro «d- CM 00 o 00 00 h» l£> r>» r-. 00 00 r-ft r-ft « •t A n ft ft «t •— O O O O o o o O o O o *— o o _ ro 10 00 o r-CM CM CM CM r— CM CM T— <0 A M ft ft A « •t ft ft ft z O O O o O O O o O O o CO ro «3- CM r»* ro m m CM ft •t •» •t ft ft ft ro ro m CM ro ro ro CM CM ro O in 00 cr> r- O CM 00 r-
Kß
o> A ft ft ft •t ft z CM CM CM CM ro ro CM CM CT> •4* ro r- m ro ro CM •3" _ o O t— r— o o O O O O <0 #» A •t «k A ft ft ft ft o O o O o o O O o o O C") o CO •tf-KD •a-
r- O .tf- CM m in CM •t ft « ft ft ft ft •t ft 4> r- r-» m O Oï CM V£ «d- r-. Li CM r-<JP c a; en •P O o o 00 O r- ro 00 m ro CM #» * M * •t ft •t <0 CO CMr-
r-. O CM O ro m CM .c < CM CM csj r— CM CM CM CM CM CM 0) O) <0 f0 <N CM Ifi m 00 r— O ro r-» O •P O ft M •* A ft ft ft ft O O o 00 O V0 air—
a> 4-> (/) m m m ro -3* vt m « 4-> O t TO Ol 4, <+-E + s «w ro CM CO O rom
00 -d- o 4-) O r- «4* •3- -3* •a* •& ro j-<r
D LtJ 5 * ft *< •> •t ft ft ft ft _J O O O o O O o O O o o 1 o 0) •— O —•» *•- CO CO a> r- r-*. 00 00 -a-f—V
ÓP •« ft ft ft A ft ft ft •t ft o> > <£> 10 (X) r-. m m V0KD KD
fO L. om
-3" 00 00 <r» ro O r-0) o —» #» ft ft«t
ft « •t ft 4-} <0 dp VD VD r». mKD
c» O O *— </) o — CM C O E <D »— o fO 4-> 1 O O o o V0 ro -4*KO
O X •s M « A ft ft ft ft h- a. r^ r-. rs. r^. m r*» m •d- f^. •»-}V)
<-»• 4> •r» c*« E E E • •r- £ C 4) 4) 4) (/) •P t. <D X X X c <0 o O o a> </) r— O O O 4) E r—r—
•ot/)
4) •r- •*» 4> > t- a> 4) 0) L.to
CT5 "D *o •o a. <D o a> 0) 0) <0<0
4) 4) 4) <D 3 CT« Lu CL û_ CL X S 1— 4> CD m «— CM CM r— CM ro 4) r— CM x: t 1 t 1 1 1 1 1 1 o CO PO ro o O f*. ro m m to r>* r- ai co CM CM t_ ro ro m CM ro ro E « 4> o\L
iL LL O O m CÛ LlJ Ui X o m tn o o O O O D Q: T— CM CM m m m C CM L. 0) 4-> CM ro m r>. 00 Ol O 0) </> -O C .o 1 I 1 1 t 1 1 t 1 <0 O m m m in m m m m m m in 1— z: »— 00 00 co GO 00 00 00 co 00 00E D •P 3 4> *o 4) 4-> </> c 4) E 4) XT Ü CD O -P <D Ü O L. O O "O *5. 4> •P «D _C o «P O 4> E CO 4-) 0) 0) > •P «D 4) C 'o <0 0) X) O O 4> p </) C -Q o m z — f— *— f— f— m m i f i i n m m m m O D O ) 4) 0) 4) û. Q_ Û_ r». r- m T— r— CM co fO m r>» 1^. r*-1 Ll. L1 l. Lt l. T— r— T~ * r~ T~ CM CO 1 m 1 m 1 m 00 00 00 PO co co co co CO -d- C 4) •P C 4) O
to
e— O •r •r» c~ E E E S 3 c 4> 4) 4) L. Q. U r— <Dsz
-C -C 4) (0 t— o O O r— </) •o (0 0) <p> •r C- TO en *D "D •D a 4) fD fO ID <D 4> 4) 4) 3 E X 2: h- ar C r- CM CM CM CO c ai 1 •r-O •r-O h». <r> cr» CO LT) m 00 CM CM r— 4> CO t CO m CM CO co *D C o o m GQ Ll) ÜJ tn m(Ts
O O O 1 CM CM -d- m tn m 4) m 00 m r-. t m 1 U"> m 00 co 00 oo mm
co m 00 y m O Y o co o m *— m o o co18
wellicht niet toevallig omdat ook de polleninhoud en de zware mineralensamenstelling op een Tertiaire herkomst van de pot-klei wijzen (Doppert et al., 1975).
- Bij de monsters van de Kwartaire afzettingen is geen verschil tussen mariene en fluviatiele afzettingen gevonden. Bij de Holocene afzettingen treedt onder andere een duidelijk ver schil in vermiculietgehalte op. In de monsters van de Kwar taire afzettingen blijkt dit gehalte in alle gevallen klein te zijn. Dit werd bevestigd door het feit dat de CEC ook in de fluviatiele afzettingen nauwelijks afnam door K-fixatie (ongeveer 0,01 mol(+)kg S»
- Ten opzichte van eerder onderzochte kleimonsters uit (zan dige) aquifers van dezelfde formaties, treden alleen bij kao-liniet verschillen op (Breeuwsma en Zwijnen, 1984).
- Bij het chemisch onderzoek is reeds gewezen op het voorkomen van lepidocrociet in het monster uit de formatie van Harder wijk. Wegens de vrij specifieke oranje kleur van dit mineraal èn de bijzondere genese kan het mogelijk een rol spelen bij de kartering en bij onderzoek naar de sedimentatiegeschiede nis.
LITERATUUR
Breeuwsma, A. en R. Zwijnen, 1984. Kleimineralogische samen stelling van Nederlandse aquifers. STIBOKA rapport nr. 1816, 11 p.
Breeuwsma, A, 1985. Kleimineralogische en chemische karakteris tieken van zeeklei, rivierklei en beekklei. STIBOKA rapport nr. 1869, 34 p.
Doppert, J.W.Chr., G.H.J. Ruegg, C.J. van Staalduinen, W.H. Zagwijn en J.G. Zandstra, 1975. Formaties van het Kwar tair en Boven-Tertiair in Nederland. In: Toelichting bij Geologische overzichtskaarten van Nederland, red. W.H. Zagwijn en C.J. van Staalduinen, 11-55.
Jackson, M.L., 1969. Soil chemical analysis. Advanced course, 894 p.
Sjardijn, R.Ch. en A. Breeuwsma, in voorber. Een verbeterde gloeiverliesmethode voor de bepaling van het organi-sche-stofgehalte van grondmonsters.
Bijlage 1
Röntgendiffractiecurven
De curven zijn per monster van boven naar beneden gerangschikt in volgorde van behandeling (zie hoofdstuk 3):
1. Mg-luchtdroog 2. Mg-glycerol 3. K-luchtdroog 4. Mg-luchtdroog 5. Mg-rglycerol 6. Mg-350 °C 7. Mg-550 °C
I ; ;! !TM II] .
