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泥岩と二酸化炭素を含む水溶液との反応に関する実験的研究

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Academic year: 2021

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(1)泥岩と二酸化炭素を含む水溶液との反応に関する実験的研究 Jii;上靖弘'・.ら. w(平成9年9月19日受理) ターンより3試料のいずれでも主要構成鉱物は石英,. 1.はじめに. 斜長石,カリ長石,白雲母(イライト),緑泥石である。 地表付近に分布する多くの岩石は天水による風化作用 あるいは浸透地下水による溶脱作用によって変質してい. 2. 2岩石と水溶液の化学分析. る。著者達は,これまで岩石が水との反応によって変化. 2. 2. 1岩石の化学分析 出発物質の全岩分析を以下の方法で行った。. する過程について研究を進めてきた(例えば, MINATO et al., 1986)c本研究では泥岩を二酸化炭素を含む水溶 液と反応させて,泥岩から溶脱する主要元素(Si, AL. (A) Fe203, MnO, MgO, CaO, Na20, K2O含有量 をE]立製作所製180-80型偏光ゼーマン原子吸光光度計. Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K)の量を測定し,溶脱量の時 間変化を検討する。さらに,純水と泥岩を反応させた実. を用いて測定した。 Fe203, MnO, MgOおよびCaO の含有量は原子吸光光度法, Na20とK20の含有量は. 験も行ったので,その結果も報告する。. 炎光光度法によって求めている。 IOmgの試料を硫酸と フッ化水素酸で分解して蒸発乾固し,生じた固体を2回 蒸留水と濃塩酸2.5ccを加えて溶かした。その後10%. 2.実験方法. 塩化ランタン水溶液5ccを加えた後で2回蒸留水を加. 2. 1出発物質. えて50ccに定容し分析した。地質調査所が配布してい. 試料は四万十帯の泥岩3試料(試料番号71309, 71315 および試料Shima)である。試料中に含まれている鉱. る標準岩石試料(JG-3とJB-1)を用いて,吸光度を補 正して試料中の酸化物含有量を計算した。. 物を調べるために,まずX線粉末回折分析を行った。島. (B)試料中のH20含有量は島津製作所製熱分析装置. 津製作所製X線回折装置XD-5を用いて,加速電圧が 30kV,電流が20mA,スリット系が1。 -0.3-. TG-30を用いて測定した。試料IOmgを加熱して,堊. -0.3mm,走査速度が2-/min.,時定数が2秒の条件. 温よりno-cの問の減量をH20'一, 110℃から960℃の 間での減量をH2C+の値とした。この場合,各試料とも. で測定を行った。. 灼熱減量はすべてH20の発生によるものと考えた。. X線粉末回折パターンを図1に示す。 Ⅹ線粉末回折パ. 図1.出発物質のX線粉末回折パターン。 (A)は試料71309, (B)は試料71315, (C)は試料Shima。 I. 2. (A ) ( ∽ :事1. 01.5. I 石英. I -. 「. tr*. *. 石+ カリ長石. > 一 一 s u e ] u i. Lf. i I イライト. I ▲ 帆J. L. A. A. ▲ u h J L JL J. 緑泥石 l1m. 10 I蝣. 20. 30. 40 2β. *兵庫教育大学第3部(自然系教育講座) H兵庫教育大学名誉教授. 8ngle. 50 (deg). BO.

(2) 石英. I i 料転石+ カ リ長石. -. TO. 1. (sdo>)). (B ). A }. ー i. I S U. S^A. A. 3. I JU w ^ AjJ f. 一. ,. U. い ノU. l. ∪. l. 」 メ. .. 緑泥石 i. 30. 40. 2B. I. 60. (deg). .」 l.一 .■」. I. -. .. 石英. 5. 1. (sdo>n. (C ). angle. 50. 料. > 一 s u a i u i. イライ ト. 石 + カ リ長石. L. \J. 上. A. I L J. ∧. U. A山 V Y W. v w. A. A v. v .u. A V. A. し んル J ▼ W. LJ ▼. 線泥石 Tlllllr. 1 10. 20. 3. 40 2o. angle. 50. 6 .0. (dea). (C)試料中のSi02, AhO , TiO2含有量は次のように. 2. 3溶脱実験の実験方法. して求めた150mgに秤量した試料にNa2CO3+K2C O。を混合して加熱融解した。生成物に塩酸を加えて生. 本研究では,溶液を繰り返し交換するbatch system で実験を行った。実験の手順は次の通りである。. じる沈澱物(Si02)を重量分析した。このろ液に硝酸酸. 2. 3. 1 CO*を含む水溶液と泥岩との反応. 性条件下で塩化アンモニウムとアンモニア水を加えてA. (1)試料を粉砕してふるいにかけ,粒径250μmから. 1203とFe203の沈澱物の重量を測定した。そして,原. 149μmの粉末を分離して出発物質とした。. いてAhOs含有量とした。さらに, A1203とFe203が沈. (2)粉末試料9.00gと2回蒸留水90.0gをIOOccのポリビ ンに入れた後,二酸化炭素ガスを5分間通じてフタを. 澱した後で残っている水溶液にIY2Q207を加えて生じ. した。ポリビンをよく振って岩石粉末と水溶液をよく. るSi02の沈澱量でSi02含有量を補正した。これらの 表1.出発物質の化学組成 分析操作を行った. 混合した後で,室温で静置した。. 子吸光分析によって求められたFe203含有量を差し引. 後で,ろ液中の. 7 130 9. 71 31 5. S h im. w t .X. w t .X. vrt . X. TiO2含有量を硫 酸酸性条件下で, リン酸と過酸化水 素水を加えて波長 430nmの条件で 比色分析した。 以上の方法によ る分析結果を表1 に示す。. (3)静置後,懸親物質をろ紙で除去しながら溶液50cc を分取して分析の原液にした。 (4)分取した50ccの溶液を25ccずつ2つに分けて,片. S i0 2. 7 1 .93. 65 .6 5. T iO 2. 0 .50. 0 .7 7. 6 2 .08 0 .88. Å12 0 3. 1 3 .7 9. 17 .7 6. 2 1 .39. Fe2 03. 4 .2 4. 3 .78. 5 .54. H nO. 0 .084. 0 .0 45. 0 .38 0. M g0. 1 .08. 1 .4 1. 1 .88. CaO. 0 .32. 0 .2 7. 1 .l l. N a 2O. 3 .17. 2 .98. 2 .8 6. K20. 1 .69. 2 .7 8. 3 .1 0. H 20 +. 2 .84. 3 .7 3. 1 .5 0. H 2 0". 0 .25. 0 .1 8. 0 .0 6. 9 9 .89 4. 9 9 .3 5 5. 100 .7 80. To ta l. 方を原子吸光分析(あるいは炎光分析)に用い,他方 をシリカの比色分析に用いた。試料原液25ccを50cc のメスフラスコに入れた後,濃塩酸Ice, 10%塩化ラ ンタン水溶液3cc,および2回蒸留水を加えて50cc にしてAl, Fe, Mn, Mg, Caの濃度を原子吸光法で 測定した。また,水溶液中のNaとKの濃度は炎光光 度法で測定した。いずれの分析にも日立製作所製18080形偏光ゼ-マン原子吸光光度計を用いたo Al以外.

(3) 砧岩と二酸化炭素を含む水溶液との反応に関する実験的研究. の元素の分析には空気-アセチレンのフレーム, Al. なお,水溶液の重さは岩石の重量の10倍のままであ. の分析には亜酸化窒素-アセチレンのフレームを用い m. る。. 2.3.2純水と泥岩との反応 泥岩試料(Shima)を純水と反応させて元素の溶脱量 を測定した。 (2)と(5)で二酸化炭素を通していないこ とを除けばC02を含む水溶液を使用した実験と同じ方 法で行った。実験は280時間15分間行った。. 水溶液中のシリカの比色分析には分析線の波長を 650nmに設定した日立製作所製100-20形分光光度計 を用いた。分析溶液は次のようにして準備した。試料 溶液25ccから20ccを25ccのメスフラスコ中に分取し, 1ccの7.5%モリブデン酸アンモニウム水溶液を加え. 3.溶脱量の計算. た。その10分後に1ccの10%酒石酸水溶液, 0.25cc の還元溶液(亜硫酸水素ナトリウム9gを2回蒸留水 lOgで溶かした溶液),および2回蒸留水を加えて. 試料溶液の濃度から試料原液50cc中の元素の重さ,. 25ccにした。測定は還元溶液を加えてから50分後に. ポリビン中に残っている40ccの試料溶液中に含まれて. 行った。. いる元素の重さ, 90cc中の重さを計算した。もし,実. (5) (3)で水溶液を分取した後でポリビンに新たに50cc の2回蒸留水を加え二酸化炭素ガスを5分間通じた。. 験中の水溶液が90ccではない場合(Vccとする)には, 50cc, V-50cc, Vcc中に含まれている元素の重さを計 算した。. その後ポリビンを振ってしばらく撹搾混合した後で静 置して実験を続けた。. n回目に試料溶液を分取してからn+1回目に試料溶 液を取り出すまでに固相から溶脱した重さ(W)は次の. (6)実験を356時間20分の間行った後で,固相をろ紙 で分離してⅩ線粉末回折分析を行った。測定条件は出 発物質と同じ条件である。. ようにして求めることができる。 n+1回日に分取した 溶液中の濃度から計算できるVcc中の重さをW¥ n回 目に分顕した溶液中の濃度から計算できるV - 50cc中. さらに,初期段階での溶脱量について,先に示した (2)から(4)の要領で実験を行った。試料の重さは,. の重さをW"とする。 n回目の試料溶液の分取後,ポ. 試料71309が7.480gで試料71315がIO.Olgである。. リビン中にはV-50ccの溶液が残っている。この後, 50ccの2回蒸留水を加えているだけなので, n+1回目 の実験を始めた直後の 溶存成分の重さはW''. 表2.試料71309に関する溶脱実験の結果 元素濃度S. i. AI. Fe抽Hg. Ca. である。その後,溶液. 実験開始からZ5cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の の経過時間濃度(pp皿)濃度(ppm)浪度(ppm)濃度(PPl)濃度(ppm)濃度(ppm). H C. r. i (. U. t f C. O. > O. U. C. 5. ハ. D. ^. I. (. O. D. H. '. M. b. V ]. ハ. 3 3. O. D. i. A. 3. a. o U. H. I. H. 3. ー. -. ォ. 1. サ. 3. ォ. -. t. o U. ー. h ハ. f. L n i n o 3 t - O J ハ. W. サ. o f. i. D. t. 一. 0. C. *. 0. o. O. H. O. -. C. o. t. -. -. c. 3. O. D. q. O. n. 1. 3. ォ. O. i. H. 3. N. a. ^. 3. H. *. 5. c. -. 0. -. ^. 0. e 0. O. 蝣. -. 蝣. 0. i. C. D. -. ). r 7. a i. *. *. =. 蝣. 一. >. s. 5. -. C. j. O. 0. M. 蝣. l. t. 0. 3. W. T. >. C. M. 只. t. -. 0. O. 0. r. ハ 0. C. f. 一. O. -. -. 3. C. *. 3. 0. ク. M. J. c. a. o ^ H O ん 4 9 J N O. D. I. i J. -. C. -. H. 3. n O. -. O. d. ハ. -. O. O. i O. l. D. O. 3 6 白 o c a c s i ^ り. -. ハ. ハ. O. H. 3. 3. 蝣. l. t. 3 r. C. j. H. m 8. ソ. 一. o. m 5. i. *. o. o 3. 蝣. サ. c. '. -. D. c -. c. d. *. '. O. *. ハ. ^. o. ・iswcomo. -. ワ. O. I. ^. o. D. 0. 蝣. Q. J. C. ". ー. c. ]. C. -. 0. I. =. 3. サ. -. ソ. '. C. 蝣. 0. 1. C. D 9. n. '. 一. ハ. ^. *. O. c. ご. D. 月 U ワ ん n i n 蝣 *. O. o. O. o. m. <. O. 0. n. '. j. ハ ソ J i n c v ] l > - 0 0 0 ) I N O O O C D ' C 一 C ¥ J - I O O. 5 i. c 3. C. i. c. '. S. o. o. 0. 蝣. c. 3. 0. O. n. o. 0. C O - H - 1 - I - I. O. o 5. i. n. G. o. 0. 0. m. 1. a. 3. n. t. ^. 0. c. c. ・. CNCOinINCDinCeU452dcocoin. i. O. g. 0. D. r. ・. o. C. O. T. .. 0. e. 0. C. I. o. (^HtjH^t-cnoiMONC-'. o. C. ^. 0. I. 1. O. O. 3. r. ・. -. -. I O t - N O 見 I C O D - O O C D C M. ". -. O. -. l. c. O. 1. O. -. o. ・. mHICE^Bvlm日印MWl=tH=. λ. i. o. a. H. ハ. -. -. o. Mn. t. o. 6. O. -. c. r. t t D o ^ o C ) D C O tC J3 'C V3 Na ^o f ' ハ H 3 糾 N 細 * o ^ g < M 一 c T o 7 o m O c D [ > I C O C C O O I f i f O C O ウ d N W N - h - H. 9. I. -. n. o. c. -. C. o. THincnocoiO'l'tocDCni. o. 4 ウ ム t O 4 ハ ソ q N c O C M C - C O n d t o i n c o o O ハ ' N O i c n o i n c o c i i o o. 16時間30分 23時間00分 37時間00分 47時間30分 88時間00分 96時間30分 112時間00分 119時間30分 137時間30分 158時間00分 182時間00分 209時間00分 280時間15分 356時間20分. を分取した時までに溶. Ms. 実験BEI始から溶脱量溶脱量溶脱量溶脱量溶脱量溶脱量溶脱量 の経過時間(mg) (サg) (Bg)喝) (喝tug) (蝣g) C O H O H C 3 0 0. Q. 0. I. 0.1278 0.1618. O. 0. 1443 0.0945 -0.2170. (. 0. 1382 0.0570. 一. 0. 1355 0.0673. 0.0940 0.2324 0.2990 0.2571 0.0091 0.4304. t. 0. 1484 0.0686. 0.0983 0.2118 0.2678. t. 0. 1357 0.2376 0.2862. -. 0.1662 0.0403 0. 1538 0.0324. C. 0.0719 0.2220 0.2210. 3. 0.0732 0.3408 0.3696. 0. 0. 1592 0.0668. -. 0. 1232 -0.0117. 0.0495 0.2838 0. 3008. 蝣. 0. 1166 0.2892 0.2486. C. 0.4254 0. 3195. ". 0.3548 0.2412. 0.0959 0.8832 0.9396. H. 0.0696 0.7590 0.7924. -. 0. 4284 0. 4832. -. 0.4194 0.7345. 0. 1403 0.7020 0.8446. T. 0.0435 0.5164 0.8368. O. 0.8915 1.8450. 0. c o m c o c o o ワ L N N - H N - H '. 0. 1678 0.6040 1.2590. O. 0. C. 0. -. 0.1332 0.1985. 0. C. ^mcoencotlICO0300tr-2DO3OCmoocDint-'-HtDDom.. O. 0. 16時間30分0. 994 0.3505 23時間00分0. 573 -0.0206 37時間00分0.704 0. 1361 47時間30分0. 549 0.0748 88時間00分0.734 0.0403 96時間30分0.524 0. 1216 112時間00分0.573 0.0572 119時間30分0.427 0.0608 137時間30分0.613 0.0305 158時間00分0.574 0. 1056 182時間00分0.615 0.0812 209時間00分0. 612 0.2367 280時間15分0. 636 0.0986 356時間20分0.612 0.0758. け出した溶存成分の重 さはW'である。従っ て, n回目からn+1 回目までに溶脱した量 (W)はw-wW"の関係式から求め られる。なお,出発物 質の重さが9gでない 時には,溶脱量を9g の時の値に換算した。. 4.結果と考察 4. 1溶脱溶液中の元 素の濃度の時間変化 溶液の分析結果と溶 脱量の計算結果をまと めて表2から表4に示 す。.

(4) 表3.試料71315に関する溶脱実験の結果 元 素 濃度 実 験 開始 か ら の 経 過 時間 16時 間30分 2 3 時 間 0 0分 37時 間00分 47時 間30分. Al. Si. Fe. 5 0c c 中 の. 25cc中の 濃 度 (p p m. 濃 度 (pp m ). 6 .97 7 .0 7 4 .8 7. 5 0c c 中 の 濃 度 (p pm ). 50cc中の 濃 度 (p p m ). Mg. Ca. 5 0 cc 中 の 溝 度 (p p m ). Na. 50cc中 の 濃 度 (p p m ). K. 5 0 cc 中 の 濃 度 (p pm ). 50cc 中の 濃 度 (p pl ). 0 .4 4 5. 1 .0 1 4. 0 .2 0 1. 4 .5 2 2. 6 .7 62. 4 .3 7 9. 2 0 .0 7 2. 0 .4 7 6. 0 .9 64 1 .0 2 7. 0 .31 0 0 .37 2. 4 . 14 0 3 .8. 4.707 4 .0 07. 2 .5 9 1 1 .5 5 4. 1 3 .2 42 1 0 .1 52. 0 .7 4 1 1 .0 58. 1 . 132. 0 .4 1 8. 3 .5 18. 3 .28 2. 1 .0 1 8. 7 .2 9 5. 1 .0 28 0 .7 62. 0 .4 8 0. 3 .4 5 8 2 . 19 0. 2 .84 3 1 .9 65. 0 .6 8 4. 5 .l l. O .f 0 .6 9 9. 5 .5 1 7 2 .5 2 0. 112時 間00分. 3 .33. 0 .4 1 3. 0 .6 78. 11 9 時 間 3 0 分 137時 間30分. 7 .C. 1 .0 9 0 1 .6 3 0. 0 .7 74 0 .8 2 5. 88時 間00分 96時 間30分. 7 .13 5 .57. Mn. 0 .31 0 0 .2 3 2. 1 .7 6 3. 0 .2 0 0 0 .2 0 8. 測定せず 0 .9 9 9. 0 .2 1 7. 1 .7 0 8 測 定せ ず. 0 . 17 0 0 . 15 5. 1 .3 0 6. 1 .6 15 1 . 46 9. 1 .1 8 6. 1 .2 9 1. 0 .1 9 9. 1 .1 0 9. 0 . 13 9. 1 .1 0 6. 0 .2 1 7. 1 .0 6 8 1 .2 6 2. 1 . 18 9 1 . 13 5. 1 .0 6 9 1 .0 0 9. 0 .0 4 8. 1 5 8 時 間 0 0分. 3 .6 4 2 .9 9. 0 .7 94. 0 .9 6 1. 182時 間00分 209時 間00分. 3 .5 7 3 .9 4. 1 .0 1 6 1 .1 5 4. 0 .9 3 3 0 .9 37. 280時 間15分. 4 .2 2. 1 .8 7 3. 1 .5 3 9. 0 . 13 9 0 .0 7 7. 356時 間20分. 5 .0 9. 1 .1 32. 1 .2 5 9. 0 .0 6 2. 溶 脱呈. 1 .6 15. 0 .3 0 7 0 .2 2 0. 1 . 12 1. 0 .1 9 4 0 .5 5 8. 2 .7 0 6. 1 . 09 2. 0 .4 3 3. 1 .8 4 3. Si. Al. Fe. Mn. Mg. Ca. Na. K. 溶脱 量. 溶脱量. 溶脱 皇. 溶脱 量. (m g ). 蝣g. 溶脱量 (nig ). 溶脱量. (mg ). 溶牌 量 (m e ). 溶脱 量. (m g ). 16時 間30分. 0 .7 8 4. 0 .0 8 0 1. 0 .1 82 5. 23時 間00分 37時 間00分. 0 .4 4 7. 0 .0 5 0 1 0 .0 9 53. 0 .0 9 64. 実 験 開始 か ら の 経 過 時間. 4 7 時 間 3 0分 8 8 時 間 0 0分 96時 間30分 11 2 時 間 0 0 分. 0 . 19 4 0 .5 5 8 0 .2 7 0. 0 . 10 78 0 .12 16. 0 .1 3 11 0 .0 39 2. 0 .2 9 6. 0 .0 94 4 0 .0 5 50. (m g ). 0 .0 3 62 0 .0 3 9 7. 0 .8 14 0. 1 .2 17 2. 0 .78 8 2. 3 .6 13 0. 0 .3 8 34. 0 .3 0 6 3. 0 .1 1 6 1. 0 .0 4 22 0 .0 4 54 0 .0 5 30. 0 .3 6 72 0 .32 2 8 0 .3 4 10. 0 .3 4 4 7 0 .2 7 0 2 0 .2 4 9 1. 0 .0 72 4 0 .0 5 8 9 0 .0 4 17. 0 .7 77 8 0 .7 68 0 0 .5 0 0 9 0 .4 0 9 5. 0 .0 1 74. 0 .1 17 6. 0 .1 2 6 3. 0 .0 0 0 6. 0 .0 12 2. 0 .1 63 2 0 .2 06 2. 0 .0 6 10 0 .08 5 1 0 .08 6 6. 0 .0 1 7 0 0 .0 2 0 5 0 .0 1 32. 0 .1 32 2 測定せず 0 .0 98 4. 0 .1 3 3 5 0 . 16 1 5 0 . 13 5 2. 0 .0 15 0 0 .0 18 4 0 .0 2 10. 0 . 1 15 7 測 定せ ず 0 .0 3 8 8. 0 .15 5 0 .2 5 2. 0 .0 12 5 0 .1 19 4. 0 .1 07 0 0 .09 10. 0 .0 1 4 3. 0 .1 09 0 0 .1 04 2. 0 . 11 4 9 0 .1 1 0 7. 0 .0 19 2 0 .0 2 3 2. 0 . 1 19 7 0 .1 0 3 7. 209時 間00分 2 8 0 時 間 1 5分. 0 .2 6 5 0 .2 7 8. 0 .09 4 1 0 .20 2 0. 0 .1 03 4 0 .1 39 0. 0 .1 0 92 0 .1 1 1 0. 0 .0 1 7 5 0 .0 8 4 9. 0 .0 9 8 1 0 .4 0 0 5. 3 5 6 時 間2 0 分. 0 .3 6 2. 0 .12 6 4 0 .2 4 4 8 0 .0 54 0. ー0 .08 2 4. 0 .1 0 6 9. 0 .0 3 3 4. 0 . 1 15 2. 11 9 時 間 3 0 分 13 7 時 間 3 0 分. 0 . 11 9 0 .6 3 1 0 .0 5 5. 15 8 時 間 0 0 分 182時 間00分. 0 .0 70 8 0 .0 18 4. mg. 0 .0 12 6 0 .0 1 39 0 .0 02 8 0 .0 0 50. 0 .10 3 5. 表4. Shimaによる溶脱実験の結果 元素濃度S. i. AI. Fe. Mn. Mg. Ca. Na. 実験開始から25cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の50cc中の の経過時間濃度(ppl)濃度(ppm)濃度(ppl)濃度(ppm)濃度(ppi)濃度(ppm)濃度(ppm)濃度(ppm) 19時間00分 47時間30分 88時間00分 112時間00分 137時間15分 158時間00分 182時間00分 209時間00分 280時間15分. 0.791. 0.434. 0.712. 0.077. 0.263. 3.118. 1.592. 6.093. 0.825. 0.318. 0.643. 0.077. 0.236. 2.976. 1.031. 4.151. 0.731. 0.201. 0.636. 0.093. 0.216. 3.016. 0.648. 1.992. 0.493. 0.286. 0.581. 0.093. 0.137. 2.381. 0.528. 2.009. 0.595. 0.370. 0.596. 0.077. 0.154. 2.833. 0.445. 1.610. 0.595. 0.370. 0.592. 0.077. 0.172. 3.378. 0.304. 1.461. 0.671. 0.062. 0.171. 3.195. 0.215. 1.229. 0.630. 0.6. 0.561. 0.603. 0.692. 0.077. 0.156. 3.196. 0.194. 1.212. 0.765. 0.540. 0.761. 0.093. 0.226. 4.926. 0.190. 1.245. 溶脱量S. i. AI. Fe. Mn. Mg. Ca. Na. 実験開始から溶脱呈溶脱畳溶脱量溶脱量溶脱量溶脱量溶脱皇溶脱量 の経過時間(ing) mg) (mg) (mg) (mg) (mg) (mg) (mg) 19時間00分 47時間30分 88時間00分 112時間00分 137時間15分 158時間00分 182時間00分 209時間00分 280時間15分. 0.0890 0.0781. 0.1282 0.0139. 0.0473 0.5612. 0.2866 1.0967. 0.0532 0.0225. 0.0587 0.0077. 0.0215 0.2863. 0.0582 0.2598. 0.0409 0.0108. 0.0631 0.0105. 0.0200 0.3048. 0.0339 0. 0265. 0.0189 0.0354. 0.0537 0.0093. 0.0074 0. 1873. 0.0432 0.2022. 0.0422 0.0437. 0.0608 0.0065. 0.0167 0.3194. 0.0379 0.1291. 0.0371 0.0370. 0.0589 0.0077. 0.0187 0.3814. 0.0191 0.1342. 0.0411 0.0942. 0.0734 0.0050. 0.0170 0.3049. 0.0144 0.1043. 0.0316 0.0535. 0.0709 0.0077. 0.0144 0.3197. 0.0168 0.1199. 0.0478 0.0490. 0.0816 0.0105. 0.0282 0.6310. 0.0187 0.1271.

(5) 泥岩と二酸化炭素を含む水溶液との反応に関する実験的研究. 4.1.1二酸化炭素を含む水溶液による溶脱反応. を挙げることができる。 Siの濃度は多少のバラツキ. 試料71309と試料71315のいずれについても,溶脱. があるものの0.7ppm付近であり, Alの濃度は0.2. 溶液中の元素の濃度の時間変化には次の4つの異なる傾. ppmから0.6ppmの間に入り多少のバラツキがあるも. 向が見られる。. ののはぼ一定である。 Feの濃度は0.6ppm付近では ぼ一定である。また,二酸化炭素を通した試料と違っ. (1)時間によらずほぼ一定の濃度を示す元素。 この傾向を示す元素として, Si, Al, Feを挙げるこ. て, MgやMnの濃度も時間によらずほぼ一定である。. とができる。 Siの濃度は多少のバラツキがあるもの は5ppm付近である。 Alの濃度はいずれの試料でも. Mgの濃度は0.2ppm前後であり, Mnの濃度は 0.08ppm前後である。 (2)時間が経過すると濃度が徐々に低くなっていく元素。. 0.4ppmから2.0ppmの間に入り,多少のバラツキが. この傾向を示す元素はNaとKであった。これら. あるもののほぼ一定である。 Feの濃度は0.6ppmか. の元素は,二酸化炭素を通した試料では,時間が経っ. の,試料71309で9ppm付近であり,試料71315で. ら1.9ppm付近で多少のバラツキを示している。 (2)時間が経過すると濃度が徐々に低くなっていく元素。 この傾向を示す元素はCaと試料71315のMgであ る。試料71309から溶脱したCaの濃度は4.953ppm から1.318ppmまでほぼ単調に減少している。試料. とやがて濃度が高くなる傾向を示すが,純水中では単 調に減少する傾向を示している。 Naの濃度は 1.592ppmから0.190ppmまでほぼ単調に減少し, K の濃度も6.093ppmから1.245ppmまで減少している。 (3)いったん濃度が低くなった後で徐々に濃度が高くなっ. 0.048ppmまでほぼ単調に減少し, Caの濃度も. ていく元素。 この傾向を示す元素はCaであった。 Caの濃度は. 6.762ppmから1.092ppmまで減少している。. 3.118ppmからいったん2.381ppmまで低下した後で. 71315から溶脱したMgの濃度は4.522ppmから. (3)いったん濃度が高くなった後で,濃度が徐々に低く Mnと試料71309のMgがこの傾向を示す。試料. 4.926ppmまで高くなっている。二酸化炭素を通した 実験ではCa濃度は時間が経っにつれて減少している ことと対照的である。. 71309から溶脱したMnの濃度は3.356ppmからいっ. 以上のように,純水と泥岩を反応させた場合には溶脱. たんは8.004ppmまで上昇し,その後で1.007ppmま. 溶液中の元素濃度が全体的に低く,また,濃度の時間変. で下がっている。 Mgの濃度は, 6.994ppmからいっ. 化も異なる傾向を示す。. なっていく元素。. たん8.784ppmまで上昇し,その後で0.214ppmまで. 実験終了後,固相を分離してⅩ線粉末回折法によって. 低下している。また,試料71315ではMnの濃度が 0.201ppmからいったん0.480ppmまで上昇し,その. 分析した結果を図2に示す。図1に示した実験前の試料 に関するⅩ線粉末回折パターンとほとんど同じであり,. 後で0.062ppmまで低下している。. 今回の実験で鉱物組成はほとんど変化していない。. (4) (3)とは逆に,いったん濃度が低くなった後で徐々に 濃度が高くなっていく元素。 この傾向を示す元素はNaとKである。試料71309. それぞれの試料について各元素ごとに溶脱量の累積和 の時間変化を求めると図3から図5のようになる。今回 の実験では繰り返し2回蒸留水を加えているので,溶液. から溶脱したNaの濃度は10.250ppmから0.490ppm. は絶えず鉱物に不飽和の状態におかれている。従って,. まで低下した後で1.508ppmまで再び上昇している。. 溶脱量の累積和が単調に増加していることは当然である。. また, Kの濃度は20.552ppmから1.752ppmまで低 下した後で3.088ppmまで高くなっている。試料. いずれの酸化物についても累積和は20mg以下であり極 めて少ない。このことは溶脱実験によって主要構成鉱物. 71315ではNaの濃度が4.379ppmから0.199ppmま. の量に大きな変化が生じなかったことを示している。従っ. で低下した後で0.433ppmmまで高くなっている。 K. て回折パターンに大きな変化がなくとも不思議ではない。. についても20.072ppmから0.999ppmまで低下した. さて,溶脱反応の速度に関する理論的な考察は今日の. 後で1.843ppmまで高くなっている。. 段階でも進んでいるとは言えない(例えば,一国, 1989)。 そこで,今回の実験結果を次式で近似する。. 4.1.2純水による溶脱反応. )-Qサ+ktn. 試料Shimaから溶脱した各成分の濃度と溶脱量を二. ここで, Qは溶脱量の累積和, Q。は初期における表面. 酸化炭素を通した試料と比較すると,いずれの元素でも. 反応でほとんど瞬間的に溶解する量, tは時間(単位は. 全体的に濃度が低い。従って,溶脱量も少ない。水溶液 中の元素の濃度から, 3つの傾向が見られる。. hour)である。また, kは比例定数である。 nの値を 0.1から1.0まで0.1きざみで変化させて最小二乗法によっ. (1)時間によらずほぼ一定の濃度を示す元素。. てQoとkの値を求めた。 Q。はその定義から0より大. この傾向を示す元素として, Si, Al, Fe, Mn, Mg. きいはずであるので,これを制約条件にしてQの計算.

(6) 10. l. I ). 石英. ,. . 斜長. + カ リ長石. I 5. 1. rsao>(). (A. A. SJISU91U. ,I. .1 UL i¥!¥V V. -+7*下 I. 緑泥石. -. I. l h ■ LJ. 山 !U U 3. 40 2∂. 50. 8ngle. 7 f ,. 1. sdo>n A i i s u a 一 U !. イ ラ イ トA 「 甘 泥 石 A. A. U/ Wi u. 60. (dee). Iカ リ 長 石 石 英 i+ 斜 長 .. ( B). I し八 」〕. I -. A I A UL 〕 l. 20. 30. 40. 26. I. l. (deg). -. 石英. 60. -] I i. 5. rsao>t). (C ). ang一e. 50. ー. 斜長 + カリ長石. 1 Aiisua一U. イライト. i. 緑泥石. 帆 \んJ. I 10. UV w. 20 I. ,1 ij n /L f. L A 礼 . . IV >¥I¥J L J L J. 30 l. 4i0 29. anale. II I 50. .[ 」. (deg). 図2.溶脱実験後の泥岩試料のX線粉末回折パターン(A)は試料71309, (B)は試料71315, (C)は試料Shima。.

(7) 12. 図5.泥岩(試料Shima)と純水との反応によって 生じる元素の溶脱量の累積和の時間変化。. (3m)定率蝶QD叫堪製 50. 100. 150. 200. 250. ョoo. 50. 実験開始からの経過時間(hour). 100. 150. 200. 250. 300. 実験開始からの経過時間(hour). 値と測定値の残差平方和が最小になるQ。, k, nの組み 合わせを求めた。この計算結果を表5に示す。. する(表6)。計算結果は実験結果と必ずしも良くは一. 表5に示した計算結果を用いて,新たに行った溶脱実. が実験結果からはずれている。しかしながら,その他の. 験(試料71309については3時間20分後,試料71315. 致していない。特に, Al, Mn, Mgの溶脱量の計算値 元素については良く一致していると言えよう。. については3時間15分後)の結果と計算結果とを比較. 表5.溶脱反応の速度式ホ. 試 料 7 1 30 9 Qo. k. 試 料 7 1 3 15 n. Qo. k. 試 料 S h im a n. Qo. k. n. Si Al. 0 .4 5 50 8 0 .07 11 9 2. 0 .1 52 3 7 0 .0 42 6 0 7. 0.7 0.6. Si Al. 0 .3 9 2 40 0 .0 4 12 7 0. 0 .1 39 3 0 0 .0 07 8 8 44. 0 .6 0.9. Si. 0 .0 2 1 6 32. 0 .0 0 74 7 7 9. Al. 0 .0 4 9 56 9. 0 .0 0 02 6 6 3 9. 1 .3. Fe Mn. 0 .07 3 2 5 3 O .4 6 2 0 2. 0 .0 14 4 4 6 0 .1 8 34 4. 0 .8 0 .6. Fe Mn. 0 .0 7 38 6 6 O .0 0 6 16 4 5. 0 .0 24 9 8 3 0 .0 2 10 2 2. 0.7 0.5. Fe Mn. 0 .0 8 1 76 5 O .0 0 3 92 2 9. 0 .0 02 13 6 8 0 .0 0 08 5 9 9 6. 1 .0 0 .8. Mg Ca. O .0 3 2 36 5 0 .3 7 22 2. 0 .0 0 10 2 0 6 0 .0 06 11 1 7. 0 .9 1 .1. Na. O .0 6 8 55 1. 0 .08 7 2 7 1. 0 .3. 0 .8 9 32 5. 0 .02 6 4 7 4. 0 .7. Mg. 0 .69 5 3 7. 0 .3 9 63 6. 0.5. Mg. 0 .3 4 0 18. 0 .2 92 4 1. 0 .4. Ca. 0 .0 7 17 9 0. 0 .3 98 3 8. 0 .4. Na. 0 .0 1 16 1 7 0 .7 7 2 7 0. 1 .3 8 50 1 .9 0 17. 0 .2 0 .3. Ca Na. 0 .5 3 4 36 0 .3 1 34 3. 0 .3 13 6 3 0 .3 07 8 0. 0 .4 0 .2. 0 .7 0 7 16. 2 .0 57 9. 0 .2. *速度式は溶脱貴の累積和(Q),初期溶脱量(Qo),時間(t),および比例定数(k)を用いて次式のように与えている。 +kt¥. 0 .7.

(8) 泥岩と二酸化炭素を含む水溶液との反応に関する実験的研究. 131. 表6.試料71309と試料71315に関する初期溶脱量 試料 7 1309 元素濃度 実 験 開 始か ら の経過時間 3時 間20分 溶脱量 実 験 開 始後 か ら の経 過 時 間. Si 2 5cc 中の 濃 度 (ppm ). Al 50cc中の 濃 度 (ppl ). Fe 50cc中の 濃 度 (ppm ). Mn. Mg. 50cc中 の 濃度 (ppm ). 50cc中 の 濃 度 (ppl ) 2 .521. Ca. Na. 50cc中 の 濃 度 (ppm ) 7 .719. 50cc 中 の 濃 度 (ppm). 5 .27. 0 .064. 0.937. 0 .542. 9.800. Si. Al. Fe. Mn. Mg. Ca. Na. 溶 脱畳 (mg ). 溶脱量 哩. 溶脱量. 溶脱 量 (ing). 溶脱皇 (mg). 溶脱皇 m g). 溶脱 圭 (ing ). 50cc中 の 濃度 (ppm ) 20.618. 溶脱量 (ing ). 3時 間20分. 0.595. 0 .0115. 0.1692. 0 .09 79. 0 .4 550. 1 .3932. 1.7690. 3.72 15. 溶脱 量 の 計算 値. 0.809. 0 .1589. 0 .1111. 0 .8396. 1 .4186. 0 .7164. 1.7733. 3.5009. 試料 7 1315 元 素濃 度 実験 開始 か ら の 経 過時 間 3時 間l5分. Si 25cc中 の 濃 度 (ppm ). Al 50cc中 の 濃度 (ppm ). Fe 50cc中の 濃 度 (ppm). 地l. 晦. 50cc中 の 洩度 (ppm ). 50cc中 の 濃 度 (ppm ). Na. 50cc中 の 濃 度 (ppm ). 0 .923. 0 .062. Si. A]. Fe. Mn. Mg. Ca. Na. 実 験 開始 後 か ら の 経 過 時間. 溶脱 量 (皿g). 溶脱 呈 (ng ). 溶脱量 (nig). 溶脱 量 (mg). 溶脱呈 喝. 溶脱量 (mg ). 溶脱 量 喝. 3時 間 15分. 0 .425. 0 .0038. 0 .1660. 0.0111. 0 .2797. 0 .8 636. 0.9965. 4.1384. 溶脱 量 の計 算 値. 0.675. 0 .0640. 0 .1309. 0.0441. 0 .8087. 1 .0369. 0.7031. 3.3120. 四万十帯の泥岩を二酸化炭素を含む水溶液や純水と反. 5.542. 00cc中の 濃 度 (Pp皿). 0 .021. 5.まとめ. 4 .8 03. 50cc 中の 濃度 (ppl ). 3 .78. 溶脱量. 1 .556. Ca. 23.015. 溶脱 呈 (mg ). 文献. 応させて泥岩から溶脱した成分の濃度変化を測定した。. 一国雅巳(1989)ケイ酸塩の風化とその生成物.化学 総説, No. 4, 6-18.. 二酸化炭素を含む水溶液と反応させた場合には,元素の. Minato, H.,Otosu, M.,and Sakaori, Y. (1986). 濃度の時間変化に4通りのパターンが認められる。. Experimental methods for chemical weathering. (i)時間によらずほぼ一定の濃度を示す元素(Si, Al, Fe), (2)徐々に濃度が低くなっていく元素(Caと試料71315. processes with comparisons of weathered con-. のhIg). (3)濃度がいったん高くなった後で徐々に低く. Educ. Jour., 6, Ser. 3., 87-101.. なっていく元素(Mnと試料71309のMg)言4)濃度がいっ たん低くなった後で徐々に高くなっていく元素(Naと K)の4つである。また,純水と泥岩とを反応させると (1), (2), (4)の傾向を示す元素が見られる。 Si, Al, Fe, Mn, Mgが(1) , Na, Kが(2) , Caが(4)の傾向を示す。. glomerate and granite. Hyogo Univ. Teacher.

(9) 14. An experimental study on the interaction between mudstone and CO 2 -bearing aqueous solution. Yasuhiro Shibue and Hideo MiNATO. Mudstones from the Shimanto Group are interacted with CO2-bearing aqueous solution and pure water at ambient condition. Duration time is 356 hours in CO2-bearing solution and 280 hours in pure water. The leachates are analyzed with respect to Si, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, and K concentrations. Four types of concentration profiles are observed for the interactions between mudstones and CO2-bearing solution. (1) Si, Al, and Fe concentrations are almost constant during the experiments. (2) Ca concentrations decrease during the experiments. (3) Mn concentrations increase at the early stage of the reaction and then decrease at the late stage. (4) Na and K concentrations decrease at the early stage and then increase at the late stage. Mg concentrations show either (2) or (3) behavior depending on the samples. Experimental results on the interaction between mudstone and pure water show the type. (1), (2), and (4) behavior. Concentration profiles of Si, Al, Fe, Mn, and Mg belong to type (1), those of Na and K belong to type (2), and that of Ca belongs to type (4)..

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参照

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