「地球科学」科目において教材としての「粘土」
著者名(日)
生沼 郁
雑誌名
東洋大学紀要. 自然科学篇
号
48
ページ
195-203
発行年
2004-03
URL
http://id.nii.ac.jp/1060/00002494/
Creative Commons : 表示 - 非営利 - 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ja生 沼 郁＊
Clay in course of Earth Science
as for Teaching Materials
Kaoru OINUMA
Abstract Earth science is one of courses of generaユeducation （natural science）at Toyo University． This course is common and available to students in Faculties of Literature， Economics， Sociology and Business Administration． This paper presents “clay”and“clay minerals”as for teaching materials in course of earth science， Definition of the term clay， kind of clay minerals， identification of clay minerals， presence of clay minerals in soils， sediments and rocks， forrnation of clay minerals， use of clays and clay minerals are described in this paper．1．まえがき
40年以上大学文系学部の学生に対して教養教育のため自然科学科目の「地球の科学」を 担当してきている．その授業の内容の1つに，筆者の専門研究分野である「粘土」を取り 入れている．粘土を教材として扱うことは，総合的に地球を理解また地球と人間とのか かわりを理解させるのには良いと考えられる． 筆者は55年間粘±と粘土鉱物の研究をしてきた．これを実際の教育の題材として活か すことは重要であると考えられる．また実際の地球科学の講義において長年扱ってきた経 験をもとに，どのようににその内容を授業で展開していくべきか検討した、 ここでは粘±を題材に，広く一般の鉱物から位置づけし，それの自然界での存在，自然 界での変転，人間の利用面など，総合的に理解されるように構成した．ここにはその授業 の展開を順に述べる． ’東洋大学自然科学研究室 〒351－8510埼玉県朝霞市岡2－11－10 Natural Science Laboratory， Toyo Universityt 11一ユO， Oka 2， Asaka－shi， Saitama 351－8510、 JAPAN196 生 沼 郁
2．粘土の定義と自然界での存在・身近な存在
我々の身近な所で，まず我々が踏んで歩く地表の土（土壌）について考えてみることに する．陸地は広くこの土で覆われ，そこに植物が生育し，そこまたその上に多くの動物が 棲息している．±は荒い砂および微細な泥からなっている．その泥を構成する微細な物質 を「粘土」とよぶことから説明をはじめる． 粘土の定義について，わかり易く説明する．「細粒で土状の天然物で，水で湿った状態 で可塑性があるもの」（日本粘土学会，1987；p．1）．「性質による：微粒子の集合体で，適 量の水と混ぜ合わせる時，可塑性を示す．高温に加熱すると焼き固まる．粒径での規定： 特定の粒径範囲をさす，専門分野で異なるが，たとえば2μm以下の範囲」（岩生ほか， 1985；p．332）． 粘土は自然界に広く存在している．土の中にあるほか，大気のほこりや，海底の泥また 堆積岩の中，岩石の風化したものに含まれている．また，これは古くから焼き物の原料と して使われてきたことはもとより，紙に混ぜられたり，化粧品の原料として，我々の身の 回りに広く使われている．3．鉱物における粘土鉱物の位置づけと粘土鉱物の種類
この粘±を構成している主体は微細な鉱物である．これを「粘土鉱物」という．次に粘 土鉱物について理解させる． 鉱物一般の理解から，「粘土鉱物」の位置づけをする．まずは鉱物について，その本質 である化学組成と結晶構造から，次のように各種の鉱物を分類・整理し説明する． ◎ 元素鉱物 ◎ 硫化鉱物 ◎ 酸化鉱物 ◎ ハロゲン化鉱物 ◎ 炭酸塩鉱物 ◎ 硫酸塩鉱物 ◎ 燐酸塩鉱物 ◎ 珪酸塩鉱物 その基本として，SiO、の四面体について模型を使い，立体的に理解させる．さらに，その 構造により多くのタイプがあることを同じく模型で，SiOiの四面体がどのように結合し拡 がっていくかを説明する．そして，その構造による分類およびそのタイプの代表的な鉱物 を示すが，その細分されたタイプの名称は専門的であり特に重視せず，その構造的違いを理 解させる．また，これらの鉱物は地殻をつくる岩石の主要な鉱物であることを理解させる． a）Sio．、四面体が単独で，陽イオン（Mg2→， Fe2」など）と結晶をつくる鉱物 かん らん石．b）SiO、四面体が2個ひとつの頂点を共有した［Si201］が基本のタイプ． c）SiO、四面体が頂点を共有し何個かリング状になったものが基本のタイプ． d）SiO、四面体が頂点を共有してくっつき，鎖状（チェーン）になったものが基本の タイプ．鎖が1本（シングルチェーン），鎖が2本（ダブルチェーン）の2つのタ イプがある．1本の鎖が基本のもの 輝石，2本の鎖が基本のもの 角閃石． e）SiOi四面体が頂点を共有してくっつき平面的に拡がり，層（シート）をつくった ものが基本のタイプ．このSiO、四面体の層が陽イオンや水酸基や水分子などと交 互に重なりあい鉱物をつくる．これらは層状珪酸塩鉱物と呼ぶ．代表的な鉱物は薄 くはげ易い努開を持つ白雲母や黒雲母である． f）SiO4四面体が4つの頂点を共有し，立体的にやぐら状になった構造のタイプの鉱 物 石英，長石． 粘土鉱物のほとんどは結晶質のものであり，それらは微細な上記珪酸塩鉱物のe）のタ イプ，すなわち層状珪酸塩鉱物であることを説明する．また非晶質のタイプのものもある ことも説明する． 結晶質の粘土鉱物はその構造において層の積み重なりの違いにより多くの種類がある． それら各種の粘土鉱物についてその名称；カオリン鉱物（デイッカイト，カオリナイト， ハロイサイト），イライト，クロライト（緑泥石），バーミキュライト，スメクタイト（モ ンモリロナイトなど），さらに化学組成，結晶構造の特徴などをまとめて示す．後記の参 考文献に多くの粘土鉱物に関する書物を示すが，それらにまとめ説明されている．ここに はその一例として，生沼・須藤（1972）のまとめたものを図1に示す． 型 6亨錐テ雰£ω 膨潤性 r構造型 ±口 糸 2一八面体型 lCd…t、h，d，a｜） 無 有 3一八面体型 無tri。ctahedral） i2：1晶 構2一八面体型 ・造 質 元
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質 無 有 丁構造型 2 種 類 カオリナイト ハロイ’サイト ジャ紋石 雲母枯土鉱物 モンモリロナイト デイッカイト ナクライ ト イライト 海緑石 モンモIJロナイト ノX’Cデライト 構 造 式 Al2Si205（OH）‘ Al，Si20，（OH）‘・2H，O X」「 雇イ 一フ ユ キ ノントロナイトFCCAI・Si）・O・。COH，・’〔Na・K・CE）・’nH2 “1緑泥∋
1規則型 混鑑物1不規。。 模式的な結晶構造 1ロフェン Mg・Si・0・（OH）・ L÷；蒜；ll；芸亮懸 l
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1．、S、。， Al，。ゴ。，、。 ⊥口 a軸方向から見た構造の一部 褒3一八面体型のものもみられる，見X2一八面体型のものもみられる，衷類膨潤するものもある。 〔1）八面体層〔0とOHが陽イオンをとりかこんだ層）中の格子点が％だけ3価のイオンで占めちれている ものを2’八面体型，全部が2価のイオンで占められているものを3一八面体型という。 図1 粘土鉱物の種類と構造式・結晶構造 （生沼・須藤，1972）198 生 沼 郁
4．粘土鉱物の形態
一般の鉱物は肉眼で見え，時には奇麗な結晶としてでてくる．また岩石などを構成して いる鉱物や砂なども肉眼で見える大きさであるが，ルーペや光学顕微鏡により拡大してそ れらを見ることができる．特に偏光装置を備えた偏光顕微鏡では鉱物の識別ができる． しかし，2μm以下の微細な鉱物は通常の光学顕微鏡では，その形態をはっきり見るこ とが難しい．高倍率の顕微鏡として光の代わりに電子線を使う電子顕微鏡がある．粘土鉱 物の研究にはこの電子顕微鏡が広く使われる． 電子顕微鏡写真により，各粘土鉱物の形態の特徴などを理解する．論文や単行本にその 写真は掲載されている（Beutelspacher and Van Der Marel；1968， Gard；1971，須藤 ほか；1980）．電子顕微鏡では透過で分散した鉱物試料の形態を見ることができるほか， 電子線回折により回折像を見ることができ，それにより，粘土鉱物が微細であるが，結晶 をしていることがわかる．回折像で原子の並んでいることが明確に示される．また層に垂 直に電子線を当てて回折すると，層構造の積み重なりの様子がわかる．透過型の電子顕微 鏡以外に，走査型の電子顕微鏡がある．それによると，粘土鉱物の集合状態を立体的に観 察することができる． 電子顕微鏡写真を見せることにより，実際に身近に理解することができると思う． カオリン鉱物で一般的なカオリナイトは薄い6角形をした形態で出てくることが多くそ の大きさも2μmよりはるかに小さいことがわかる．カオリン鉱物で結晶度の良いディッ カイトは大きくよりはっきりとした形を示す．電子回折像は6角形に斑点が配置し原子が 規則正しく並んでいることがわかる．これらを走査型の顕微鏡で見た写真では薄い板状の 結晶が本のように積み重なった様子（カオリナイト ブック）が見えることがある．カオ リン鉱物の中でハロイサイトと呼ばれるものは，薄片が丸まって，長い管状の形態ででて くる． イライトは明瞭な6角形の薄片状のものから，薄い不定形のものまである．モンモリロ ナイトは一般には薄く不定形であるが，明らかに粒子であることがわかる．また，粘土鉱 物の格子像の写真から，層の積み重なりを実感できる． この写真を学生に実際に見せることで，間違いなく微細ではあるが，1つ1つ形も持つ 鉱物であることをわからせることができる．5．粘土鉱物の特性と調べ方
各種の粘土鉱物には違いがある．その組成や結晶構造から熱的な性質やX線回折の様 子などの違いを示す．各粘土鉱物の性質を比較する．その一例を図2に示す．これらの説 明をすることで理解を深める． 特に，微細ではっきりと目に見えない各種の粘土鉱物の判別には，結晶構造の違いを知 ることのできるX線回折分析が主として用いられる．その方法の概要をはじめ，その他 の分析方法などを理解させる．それらからどのように粘土鉱物が判定できるか，各種の粘 土鉱物が混合した場合の試料での一般的な分析方法について，たとえば図3などにより説［示差熱分析曲線 赤外線吸収暢イオン X線回折 X線回折、底面反射（00～）の変化 （OH領域｝啖挾容景（舵O、反射の｛立置 一カオリナイト 1 薬品処理 無処理 加 熱
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3～15ト
k醐ノloo‘i 171 奄堰e （A） P4～15 圭 iLu ： ハロイサイト 10～40 i‘・ ：二． ii」、㌔ 1 ： 乏 11 質 r11］V
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・イライトi3．八伸1臣海緑石 一一~＾一 7 さ 10－40 体型〕 ，i×1 ， モンモ1｝ロナイト 80～150 ‘i〃 （3一八面 1× 5 l l p 1 4．7～4．8 蓑 1 体型）‘ 1 ｝i I 1 ミコー 〔2一八面 ﾌ¶） 3．6 x パーミキュライト 1〔（～150 ：z 3．58 `3．58 1 1‘ ’ 撃hIll 一・?|一 3．54 Al質パーミキPライト `順緑泥石 緑泥石 Fe質 l琶質 1 額wA順 10～40 （2．八面 ﾌ型∫ @／ ・％ 狽 ‘〔2一八面体｝ 一300600 900℃ 質 塩酸雀 硝 1エコ c2二理り理 loo 500 （℃）』1000 3700 3500 a300 @〔㎝一’） 1．45 L50 ユ．55 1．60 Q一八面体型 3一八面休甲 o 図2 幾つかの粘土鉱物のもつ各種の性質の比較（生沼・須藤，1972） 部分 X線分析 粘土鉱物 非粘土鉱物の検討 （OOI）反射の検討 （M，1，ch，V，K） Kdiectahedral （060）反射の検討 tri。ctahedral 24～26’（2のの高分解能走査 一一一一xta分bl－－K．ch（Fe－rich） （CuKα線） 熱処理（150℃，3◎0℃，450℃， 一一一xee分析一M．Lch．V，H600℃，700’C） エチレングリコールまたは グリセリン処理 X線分析一M，H（ch，1） 硝酸アンモニウム処理 X隷分析一V 塩酸処理 X線分析一一ch、K クエン酸ナト1｝ウム十塩化 カルシウム＋グリセリン処理 X線分析一Al－V 酢酸カリゥム処理 X線分析一一一K －一一赤外線吸」艮スーK ペクトル分析 一一・一ｦ蓬熱分析一K（ch，M，1，V） 一一一 ｦ差熱分析一M 呈色反応一M 化学分析 陽イオン交 換容量測定一（M，V’ 電子顕微鏡＿H（K） 観察 （）は他の分析結果と比較して判定できるもの．M：モンモリロナイト K：カオリナイト」：イライト，H：ハロイサイF，eh：縁泥石、AI：アルミニウム質 V：パーミキュライト 図3 粘土鉱物の分析方法と判定される粘土鉱物の種類 （生沼・須藤，1972）200 生 沼 有F 明する． 時間的余裕があれば，現在，物質研究全般に広く使われるX線回折分析，赤外線吸収 分析，熱分析などの原理・機器・方法などの概要を説明する． なおこれらの分析装置があれば，それを見せると同時に，実習などの時間をとって，実 際の粘土の試料や，利用例としてのアート紙などについてX線回折などの実験を行うか， あらかじめ用意したデータの解析などにより粘土鉱物の判定などを行わせるとより一層理 解が深まる．
6．地球での粘土鉱物の存在・生成と分布
粘土鉱物の自然界での存在についてその生成との関連で説明する．地表のすぐ下で風化 作用により粘土の生成，さらにそれら物質が運搬されて堆積し，堆積後の変化，また地下 深くで岩石が変質して生じる場合などに分けて理解する．また粘±の我々の利用に関連し て，粘±鉱床についてもふれる． 6．1地表近く 地表また地表近くで，大気や地表水の影響で岩石が変化する作用を風化作用という．風 化作用には機械的に岩石が破壊され細かくなる物理的風化作用と，岩石を構成する鉱物が 溶解や変質など化学変化によってもろい軟らかい土（土壌）へ変わる化学的風化作用があ る．この化学的な風化作用により微細な粘土鉱物が生成する．この風化生成物である土壌 の微粒な泥の主な成分は粘土鉱物である．これは植物の生育に必要な水や各種イオンや養 分を吸着している． 岩石や火山灰が地表付近で化学的風化作用を受けて土壌になる時に，各種の粘土鉱物が 生成することを説明し理解させる． 6．2 堆積して 陸上では浸食の作用が働き，岩石や土などは削られて，その物質は各種の方法（流水， 風氷河など）で運搬され，それが堆積する．流水の作用では，礫や砂また泥は河川で運 ばれ，最終的に海へ，そして海底へ堆積する．このようにして泥の構成物の粘土鉱物は海 底に堆積する．各種の粘土鉱物があるが，それらは一部海水の条件で変質することもあり， さらに多くの因子に支配されて海底の泥質の堆積中に広く含まれ分布する．また堆積後は， 海底に厚く堆積物が積もり，その圧力や弱い熱の作用，時間の経過などのいわゆる続成作 用を受けて，軟らかい堆積物は固化して，固い堆積岩に変化する．その過程で粘土鉱物の 変化も起こる． これについて生沼・須藤（1972）は模式的にまとめて図に書いている．それを図4に示 す．このような内容について説明する． 6．3 地下深部 岩石が地下において割れ目などをとおして熱水溶液と反応すると別の岩石または粘土な どに変化する．その作用を熱水変質という．熱水変質では構造水を含む鉱物種が生成され ることが多い，特に粘±鉱物を主体とする粘土ができやすい．熱水作用による粘セ化作用 では各種の粘±鉱物（カオリン鉱物，緑泥石，モンモリロナイト，セリサイト，ろう石な｛国違
癒 ［鉋
学的環塊 〔海ホの塩分，州，εh…閨ぎ
x二会｝錯7が 図4 海底堆積物中の粘土鉱物を支配する因子 （生沼・須藤，1972） ど）が生成する． 6．4 粘土の鉱床 粘土がかなり多量に存在し，その粘土に経済的な利用価値が認められるものを粘土の鉱 床という． 粘土の鉱床については岩生ほか（／985）にわかり易く整理されている．その成因から， （1風化により生じた粘土鉱床，（2＞堆積性および続成作用の粘土鉱床，（3）熱水性の粘土鉱床 に分けられ，（1）ではカオリン鉱物とバーミキュライト，（2）にはカオリン鉱物，ベントナイ ト（おもにモンモリロナイトからなる粘土），（3）にはカオリン鉱物，セリサイト（絹雲母： 微細な雲母粘土鉱物），パイロフィライト（ろう石），陶石（陶磁器原料として古くから採 掘利用されている；多くは微粒石英とセリサイトを主成分とする白色の岩石），バーミキ ュライト，ベントナイトなどの鉱物が出てくる． できればスライドやビデオなどで，実際の鉱床の例，採掘の様子などを見せることがで きればより効果が上がるし，実際の粘土鉱物の試料や標本を見せて，さわらせ観察させる ことも必要である．7．粘土の利用と我々の生活
粘土は我々の生活にはなくてはならないほど多くの面で利用されている．それを，粘土 そのまま，また加熱するなど加工して利用するとの観点から説明することもできる．また 別な立場で，分野別にその利用を整理して説明するのも良いと思う．粘±の利用や我々の 生活との関連に関しては，多くの図書にまとめられている（日本粘土学会；1967，1987， 1997，日本林業技術協会；1996，白水；1990，古賀；1997，須藤談話会；1986，岩生ほか； 1985）． 7．1 粘土そのままを利用 粘土を混ぜるなどして，広く利用されている．202 生 沼 β 有 ゴム，プラスチック，紙（洋紙アート紙など），鉛筆の芯，化粧品，医薬品，農薬， 塗料，顔料，ボーリング泥水．鋳物砂，園芸，農業など． 7．2 粘土を加熱して利用 粘土を加熱してのその性質を変えての利用． 陶磁器，タイル，碍子，屋根瓦，土管，煉瓦，セメントなど． 7．3 分野別の利用に整理して a）窯業（セラミックス）における粘土 陶磁器，煉瓦，耐火煉瓦，セメントなど． b）化学工業における粘土 製紙用，複写用，繊維用，ゴム・プラスチックの充填剤，顔料・塗料用，石油・油 脂工業用，化粧品用，医薬用，農薬用粉剤，鋳物用，鉛筆用，廃水処理用，溶接棒 用など． c）石油鉱業における粘土 ボーリング用泥水． d）農業における粘土 e）土木建築における粘土 7．4 粘土と災害や環境 a）地すべり・崖くずれ・地盤沈下 b）トンネルの盤ぶくれや破壊 c）水質汚濁 d）健康への影響
