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惑星物質科学

前期・⽊曜1限

瀬⼾雄介

ケイ酸塩鉱物の分類

•

ケイ酸塩鉱物 (silicate)は、太陽系で最もありふれた物

質であり、固体惑星を形成する主要な鉱物である。

•

⼤部分のケイ酸塩鉱物において、構造中の

Si

4+

は4つの

O

2–

_{に囲まれた四⾯体}

_{を作っている。これをSiO}

4

四⾯体

という。

•

SiO

₄

四⾯体は、単独では電気的に陰性であり4–の電荷

をもつ。すなわち、[SiO

₄

]

4–

_{という多原⼦陰イオンであ}

る。

•

Al

3+

はSi

4+

と同程度のイオン半径を持っており、

[AlO

₄

]

5–

_{イオンとして振る舞うことがある。AlとSiが共}

に四⾯体配位するケイ酸塩においては、「(Al,Si)O

₄

四

⾯体」と表現する。

•

惑星の深部のような⾼い圧⼒(> ~ 20万気圧)では、6つ

のO

2-

_{に囲まれた8⾯体を作り、[SiO}

6

]

8–

となる。

ケイ酸塩鉱物の分類

•

SiO

₄

四⾯体は、頂点の酸素を隣のSiO4四⾯体

と共有して、結合(重合)することがある。

– 共有された酸素を架橋酸素 (bridging oxygen) といい、共有されない酸素を ⾮架橋酸素(non-bridging oxygen)という。 – 例えば、⼆つの四⾯体が頂点を共有した場合、 架橋酸素の電荷は⼆つのSi4+_{に割り振られ、全} 体として[Si₂O₇]6–_{というイオンとなる。} – 架橋酸素の割合が⼤きいことを、重合度が⾼い という。 SiO₄4-_重合度 低い ⾼い 架橋酸素 ⾮架橋酸素

•

ネソ

・ケイ酸塩

(Nesosilicates) – カンラン⽯: (Mg,Fe)SiO₄ – ザクロ⽯: Ca₃(Fe,Al)₂(SiO₄)₃ SiO₄四⾯体 が頂点を共 有せず独⽴ に存在 SiO₄四⾯体 が頂点を共 有してリン グを形成

ケイ酸塩鉱物の種類

•

ソロ

・ケイ酸塩

_{(Sorosilicates)} 緑簾(りょくれん)⽯ epidote:

Ca₂(Al,Fe)₃O(SiO₄)(Si₂O₇)(OH) ローソン⽯:

CaAl₂(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O

•

サイクロ

・ケイ酸塩

_{(Cyclosilicates)} キンセイ⽯ cordierite: (Mg,Fe)₂Al₃(AlSi₅O₁₈) ベリル (エメラルド): Be₃Al₂(SiO₃)₆ SiO₄四⾯体２ つが頂点を共 有してカップ ルを形成 [SiO₄] 4-[Si₂O₇] 6-[Si_nO_3n] 2n-6員環 3員環

•

シングルチェイン・イノ

・ケイ酸塩

(Single chain inosilicates)

 輝⽯: (Ca,Mg,Fe)SiO₃  珪灰⽯: CaSiO₃ SiO₄四⾯体が⼆つ の頂点を共有して チェインを形成

ケイ酸塩鉱物の種類

•

ダブルチェイン・イノ・ケイ酸塩

(Double chain inosilicates)

カミングトン⾓閃⽯:

Fe₂Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂

トレモライト⾓閃⽯:

Ca₂Mg₅Si₈O₂₂(OH)₂

普通⾓閃⽯ Hornblende

Ca₂(Mg,Fe,Al)₅(Al,Si)₈O₂₂(OH)₂

SiO₄四⾯体が六員環を

連ねて、ダブルチェイ ンを形成

[Si_nO_3n]

6n-SiO₄四⾯体が全ての頂 点を共有してネット ワークを形成 SiO₄四⾯体が三 つの頂点を共有 してシートを形 成

ケイ酸塩鉱物の種類

•

フィロ・ケイ酸塩

(Phyllosilicates)

蛇紋⽯: Mg₃Si₂O₅(OH)₄ 雲⺟(⽩雲⺟): KMg₃(AlSi₃O₁₀)(F,OH)₂

•

テクト・ケイ酸塩

(Tectosilicates)

⻑⽯: (Ca,Na,K)(Al,Si)₄O₈ ⽯英: SiO₂ [Si_2nO_5n] 2n-[Al_xSi_yO_2x+2y]

x-カンラン⽯

⻘: SiO4 四⾯体 緑: MgO6 ⼋⾯体 Mg, Fe SiO4四⾯体

•

カンラン⽯は、⼀般式

M

₂

SiO

₄

で表され、

主 に

フ ォ ル ス テ ラ イ ト (forsterite,

Mg

₂

SiO

₄

)

と

フ ァ ヤ ラ イ ト (fayalite,

Fe

₂

SiO

₄

)

の端成分を持つ全率固溶体

• 結晶構造は、酸素がほぼ六⽅最密パッキ ングに配置し、4配位の席をSi4+_が、6配 位の席をMg2+_{あるいはFe}2+_{が占める。} c a b

カンラン⽯

Olivine (forsterite) in contact metamorphosed olivine marble; Ottawa, Canada.

Forsterite

Mg₂SiO₄ FayaliteFe₂SiO₄ Fe2+ Mg2+ フォルステライト成分が30 mol%の時、”Fo_30”のように表現する。

•

カンラン⽯は、多くの岩⽯の主要構成鉱物である。



マフィック(mafic, MgOとFeO成分に富み、SiO

₂

成分

に乏しい)な岩⽯に含まれる。



上部マントル

を構成するもっとも主要な鉱物である。

Mg

₂

SiO

₄

多形

Olivine (α) Liquid Bridgmanite + Periclase Ringwoodite (γ) Wadsleyite (β) Pressure (GPa) 0 5 10 15 20 25 Te mperature (℃) 500 1000 1500 2000

•

カンラン⽯は、地下410kmの深さまでは安定だが、それ以

深では⾼圧相に相転移する。410 kmから660 kmに⾄る⼀

連の

地震波速度の不連続

はこの相転移が原因であると考えら

れている

地球の内部構造

深さ (km) (vol%)体積 温度(K) (GPa)圧⼒ 構成物質 海洋地殻 0 – 11 1.0 ₉₀₀0 - 0 - 0.6 ⽞武岩 ⼤陸地殻 0 – 25 花崗岩~閃緑岩 上部マン トル 25 –410 16.7 ₉₀₀ -1900 0.6 - 13 _{+ ザクロ⽯ + 輝⽯}カンラン⽯ 遷移層 410 –₆₆₀ 10.7 13 - 24 スピネル + ザクロ⽯ 下部マン トル 660 –2740 53.2 1900 – 2500 24 -127 ブリッジマナイト+ ペリクレース 最下部マ ントル (Dʼʼ) 2740 – 2890 2.2 2500 – 3000 127 -136 ポストペロブスカイト+ ペリクレース 外核 2890 – 5150 15.6 3000 – 5000 136 -329 液体鉄 内核 5150– 6370 0.7 5000 – 7000 329 -364 ⾦属鉄

Mg

₂

SiO

₄

多形

Olivine Wadsleyite Ringwoodite Olivine (α) Liquid Bridgmanite + Periclase Ringwoodite (γ) Wadsleyite (β) Pressure (GPa) 0 5 10 15 20 25 Te mperature (℃) 500 1000 1500 2000 – ウォズレイアイト(wadsleyite)は、地下 410~530 kmで安定な構造である。歪 んだスピネル構造を持つ。 – リングウッダイト (ringwoodite)は、地 下525~660kmで安定な構造である。ス ピネルと同⼀の構造を持つ。 – カンラン⽯、ウォズレイアイト、リング ウッダイトをそれぞれα, β, γ相という こともある。 – 660km以深では、ブリッジマナイト (MgSiO₃)とペリクレース (MgO)に分解 する。 410km 530km 660km

輝⽯

Ca _Mg,Fe c b a b a diopside c

•

輝⽯は⼀般式

MSiO

₃

で表される固溶体で

ある。Mには様々な陽イオン(Mg, Fe,

Ca, Na, Li, Cr, Alなど)が占める。

–

SiO

₄

四⾯体が頂点を共有し１次元的に連

なって[Si

_n

O

_3n

]

2n–

_{の単鎖を形成する。単}

鎖は6配位の席を占めるMイオンによって

結び付けられている。

–

6配位の席(M席)は

結晶学的に2種類

存在

する。M1席は

⽐較的⼩さく正⼋⾯体

に近

い。M2席は、

⼤きくやや歪んだ⼋⾯体

で

ある。M1とM2は同⼀の割合で存在する。

サイズの⼤きな陽イオン(Ca, Naなど)は

M2席に⼊りやすい。

輝⽯

–

輝⽯構造は⽐較的柔軟であり、

様々な元素を固溶

する

グループ 鉱物名 単成分の_化学組成 固溶体の_化学組成 晶系 空間群 Ca-Mg-Fe 輝⽯ 直⽅輝⽯ エンスタタイト (ortho)enstatite _MgSiO3 (Mg,Fe)SiO₃ 直⽅ Pbca 紫蘇輝⽯ hypersthene ※1 フェロシライト (ortho)ferrosilite _FeSiO3 単斜エンスタタイト clinoenstatite _MgSiO3 (Mg,Fe)SiO₃ 単斜 P2₁/c 単斜フェロシライト clinoferrosilite _FeSiO3 ピジョン輝⽯ pigeonite ※1 _{(Mg,Fe,Ca)SiO} 3※2単斜 P21/c※3 単斜輝⽯ ディオプサイド diopside _CaMgSi2O6 Ca(Mg,Fe)Si₂O₆ 単斜 C2/c ヘデンバージャイト hedenbergite CaFeSi₂O₆ 普通輝⽯ augite ※1 _{(Mg,Fe,Ca)SiO} 3 Na輝⽯ ヒスイ輝⽯ jadeite _NaAlSi2O6 Na(Al,Fe)Si₂O₆ 単斜 C2/c エジリン aegirine _NaFe3+_Si 2O6 コスモクロア kosmochlor _NaCr3+_Si 2O6 ※4 単斜 C2/c Li輝⽯ スポデュメン spodumene LiAlSi₂O₆ ※4 単斜 C2/c

Mn輝⽯ 加納⽯ kanoite _{MnMgSi2O6 (Mn,Mg)MnSi2O6 単斜 P21/c}

輝⽯

(Mg₂Si₂O₆) (Fe₂Si₂O₆) (CaMgSi₂O₆) (CaFeSi₂O₆) Pigeonite Augite Enstatite Ferrosilite Hedenbergite Diopside Clinopyroxene Orthopyroxene En Di Hd Fs Hypersthene Wo Wollastonite (CaSiO₃) No stable phase 普通輝⽯ ピジョン輝⽯ 紫蘇輝⽯ 単斜輝⽯ 直⽅輝⽯

•

もっともありふれた輝⽯はCa-Mg-Fe輝⽯である。その化学組成は

MgSiO

₃

–FeSiO

₃

–CaSiO

₃

三成分系におけるCaSiO

₃

≦ 50 mol%

の領域(

輝⽯台形

, pyroxene quadrilateral)で表現される。

–

Ca-Mg-Fe輝⽯の化学組成は、三

成分の略号を使ってモル⽐で表す

(例えばEn

₄₀

Fs

₁₀

Wo

₅₀

)。

輝⽯

(Mg₂Si₂O₆) _(Fe2Si2O6) (CaMgSi₂O₆) (CaFeSi₂O₆) Pigeonite Augite Enstatite Ferrosilite Hedenbergite Diopside Opx En Di Hd Fs Hypersthene 普通輝⽯ ピジョン輝⽯ 紫蘇輝⽯

直⽅輝⽯

–

Wo成分が少ない(<~5 mol%)

直⽅晶系の輝⽯は、

直⽅輝⽯

(orthopyroxene)

とよばれ、常温常圧で安定な結晶相である。

Opx

と略されることが多い

。 • 端成分としてエンスタタイトとフェロシライトがある。紫蘇輝 ⽯はMgとFeを同程度含む直⽅輝⽯のことであるが、現在は使わ れない名称。

輝⽯

(Mg₂Si₂O₆) _(Fe2Si2O6) (CaMgSi₂O₆) (CaFeSi₂O₆) Augite Enstatite Ferrosilite Hedenbergite Diopside En Di Hd Fs Hypersthene 普通輝⽯ 天然のピジョン輝⽯に みられる組成領域 紫蘇輝⽯ Pigeonite

–

Wo成分を5~10 mol%含む単斜晶系の輝⽯は、

ピジョン輝⽯

(pigeonite)と呼ばれる。

• ピジョン輝⽯は、⾼温ではC2/cの対称性を持ち、普通輝⽯ (augite)と完全固溶体を作る。C2/c相は冷却に伴ってP21/cに変 位型の相変態をする。P21/c相は準安定相であるが、⽕⼭岩など にしばしばみられる。

輝⽯

–

Wo成分が30~50 mol%の単斜晶系の輝⽯は、単斜輝⽯

(clinopyroxene)と呼ばれる。

Cpx

と略される。

• 端成分として、ディオプサイドとヘデンバージャイトがある。 • 普通輝⽯(あるいは透輝⽯)は、Wo成分がおよそ30~40 mol%の組成領 域を指すが、区別できない場合は、単斜輝⽯と普通輝⽯を同義で使うこ ともある。 (Mg₂Si₂O₆) _(Fe2Si2O6) (CaMgSi₂O₆) (CaFeSi₂O₆) Pigeonite Augite Enstatite Ferrosilite Hedenbergite Diopside Clinopyroxene Orthopyroxene En Di Hd Fs Hypersthene 普通輝⽯ ピジョン輝⽯ 紫蘇輝⽯ 単斜輝⽯ 直⽅輝⽯

CPX-OPXの結晶構造の関係

双晶⾯ 双晶⾯ 双晶⾯

単斜輝⽯

直⽅輝⽯

a c a c

–

直⽅輝⽯の構造は、単斜輝⽯の構造を(100)⾯に沿ってb映進

⾯で操作したものに等しい。すなわち、直⽅輝⽯は単斜輝⽯

を単位格⼦スケールで双晶させたものと考えることが出来る。

輝⽯

–

Wo成分が10~30mol%

の組成の輝⽯は、

天然には産出しない

。これは、

Wo

_10~30

組成の輝⽯が常温下では不安定であるからである。

– 不混和の領域は、温度に依存する。不混和領域では、Aug, Opx, Pigに相

分離する。したがって、岩⽯中に含まれるこれらの輝⽯の化学組成を測定 することで、その岩⽯の(輝⽯に関する)平衡温度を⾒積もることが出来る。 これを輝⽯温度計という。 600 500 500 600 700 (Mg₂Si₂O₆) (Fe2Si2O6) (CaMgSi₂O₆) _(CaFeSi2O6) En Di _Hd Fs Pig _Pig Pig _Pig Aug Opx

輝⽯温度計

Lindsley and Anderson, 1983 Aug Opx Pig Pig+Opx (Mg₂Si₂O₆) (Fe₂Si₂O₆) (CaMgSi₂O₆) _(CaFeSi2O6) En Di _Hd Fs 輝⽯構造が安定 でない領域 Aug + Opx Aug + Opx + Pig Aug + Pig

輝⽯

–

Wo成分が10~30mol%

の組成の

輝⽯は、

天然には産出しない

。こ

れは、 Wo

_10~30

組成の輝⽯が常温

下では不安定であるからである。

• ⾼温では安定であった中間組成の輝⽯が 冷却した場合、普通輝⽯-ピジョン輝⽯ あるいは普通輝⽯-直⽅輝⽯の離溶組織 が形成される。このような離溶は、 (100)⾯あるいは(001)⾯に沿って進⾏ することが多い En Di Hd Fs 不混和領域 P P A A P A A A A A P P P P P

準輝⽯

– Wo成分が50mol%以上では輝⽯構造は不 安定となり、ウォラストナイトとディオ プサイド-ヘデンバージャイト固溶体の⼆ つに相分離する。これは、Ca2+_イオンが M2席を全て満たし、さらにそれ以上M1席 に⼊ることが出来ないからである。 • ウォラストナイト(Wollastonite, CaSiO₃) は輝⽯と同じく[Si_nO_3n]2n–_{単鎖を有するが、} 輝⽯とは異なる結晶構造をもつ鉱物である。 準輝⽯の⼀種である。 En Di Hd Fs Wo No stable phase 輝⽯構造の

[Si_nO_3n]2n–_{単鎖 [Si}Wollastoniteの

MgSiO

₃

多形

Pressure (GPa) Orthoenstatite Clinoenstatite Liquid Majorite Bridgmanite Ringwoodite + Stishovite Akimotoite Wadsleyite + Stishovite Protoenstatite 0 5 10 15 20 25 Te mperature (℃) 700 1200 1700 2200

•

MgSiO

₃

輝⽯は、地球内部のような⾼温⾼圧下では、

構造が不安定となり、別の結晶相に相変態する。

MgSiO

₃

多形

Pressure (GPa) Ortho-enstatite Clino-enstatite Liquid Majorite Bridgmanite Ringwoodite + Stishovite Akimoto -ite Wadsleyite + Stishovite Protoenstatite 0 5 10 15 20 25 Tem perature (℃) 700 1200 1700 2200

–

メージャライト

(Majorite)はザクロ

⽯(garnet, ⼀般式X

₃

Y

₂

Si

₃

O

₁₂

)と同

⼀の結晶構造。

• X席にMg, Y席にMgとSiが占める。Si の⼀部は4配位ではなく6配位をとる。

–

アキモトアイト

(Akimotoite)は、イ

ルメナイト (FeTiO

₃

)構造と同⼀の結

晶構造を持つ。

• イルメナイトの中のFeをMgが、Tiを Siが置き換えた構造。Siは6配位。 Majorite Akimotoite

MgSiO

₃

多形

–

ブリッジマナイト

(bridgmanite)は、ペロブスカ

イト(CaTiO

₃

)と同⼀の結晶構造

• 直⽅晶系に属し、結晶構造は、SiO₆⼋⾯体が頂点共有して フレームワークを形成し、その隙間にMg,Feが歪んだ8配位 をする。 • 下部マントルの主要鉱物(90％以上)であり、地球全体の38 vol%を占める。地球でもっとも体積の⼤きい物質である。 • 1975年に⼈⼯的に合成され、2014年に天然の隕⽯から発 ⾒された。2014年以前は、”MgSiO₃ペロブスカイト”と呼 ばれていた。

–

ブリッジマナイトは、120GPa以上でさらに相転移

する。その構造は、CaIrO

₃

と同⼀である。

• 2004年に実験的に合成され、「ポストペロブスカイト」と 呼ばれているが、鉱物名は付けられていない。 • 下部マントルの最下部(Dʼʼ層)ではこの鉱物が存在し、地震 波の不連続を⽣み出していると考えられている Post-perovsikite Bridgmanite

⾓閃⽯

B: Ca A: Na _C: Mg,Fe {110} {1‐10} c b a a • ⾓閃⽯は⼀般式A_0~1B₂C₅T₈O₂₂(OH)₂ で表される固溶体である。 A: Na, K B: Ca, Na, Mg, Fe2+_{, Mn}2+ C: Mg, Fe2+_{, Fe}3+_{, Al, Ti, Mn, Cr, Zn} T: Al, Si • 形状  c軸⽅向に伸⻑することが多い • へき開  {110}あるいは{1-10}が顕著 b c Hornblende SiO4四⾯体のみを描画 A B _{C C C C C} O T H

⾓閃⽯

Two cleavage traces {110} at 56° and 124° in end‐sections  of hornblende. Hornblende gneiss; Sleat, Skye, Scotland.

Hornblende in Hornblende gneiss; Sleat, Skye, Scotland.

Bサイトの主

成分 名称 _A 化学組成 結晶系

0~1 B2 C5 T8 O22 [OH]2

Mg, Fe3+ Anthophyllite_{(直⽅閃⽯)} □0 [Mg,Fe2+]2 [Mg,Fe2+]5 Si8 O22 [OH]2 直⽅晶系 Cummmingtonite

(カミングトン閃⽯) □0 [Mg,Fe2+]2 [Mg,Fe2+]5 Si8 O22 [OH]2 単斜晶系 Ca2+

Hornblende

(ホルンブレンド, 普通⾓閃⽯) Na Ca2 [Mg,Fe2+]4Al AlSi7 O22 [OH]2 単斜晶系 Actinolite (アクチノ閃⽯) □0 Ca2 [Mg,Fe2+]5 Si8 O22 [OH]2 単斜晶系 Na2+ Glaucophane (藍閃⽯) □0 Na2 Mg3Al2 Si8 O22 [OH]2 単斜晶系 Riebeckite (リーベック閃⽯) □0 Na2 [Fe2+,Mg]3Fe3+2 Si8 O22 [OH]2 単斜晶系

層状ケイ酸塩鉱物

4⾯体シート (tetrahedron sheet) 8⾯体シート (octahedron sheet)



層状ケイ酸塩鉱物は、地球表層に極めて広く分布している。



天然では⽕成岩、変成岩などに広く産出する。代表的な⾵化鉱

物である。⼯業材料としての重要度も⾼い。

四⾯体シートと⼋⾯体シート

•

2次元的に広がったSiO

₄

四⾯体のつくる層構造が重要

•

SiO

₄

四⾯体は三つの頂点を共有し、共有しない酸素が同じ

⽅向を向いた

四⾯体シート

(tetrahedral sheet)

を形成する。

•

MO

₆

⼋⾯体が稜共有した

⼋⾯体シート

_{(octahedral sheet)}

も

重要な構成要素である。

• M席はAl, Mgなどが占める。 • 正⼋⾯体的に配位できる位置が、全て陽イオンで占められた 3-⼋⾯体シート(trioctahedral sheet)と、2/3の割合で占めら れた2-⼋⾯体シート(dioctahedral sheet)の⼆種類がある。

四⾯体シートと⼋⾯体シート

•

四⾯体シートにおける共有されていない酸素の周期は、⼋⾯体

シートの表⾯の酸素の周期とほぼ⼀致しており、積み重なりが容

易に⽣ずる。

• その結果、四⾯体(t)シートと⼋⾯体(o)シートが⼀つずつ重なった2 層構造(t-oシート)や、2枚の四⾯体シートの間に⼋⾯体シートがサ ンドウィッチのように挟まれた3層構造(t-o-tシート)ができる。 3-⼋⾯体シート + 四⾯体シート _{+ 四⾯体シート}2-⼋⾯体シート t-o シート t-o-t シート t o t o t

層状ケイ酸塩の分類

1:1 layer

•

層状ケイ酸塩鉱物は、四⾯体

シートと⼋⾯体シートの積み重

なりの様式によって分類される。

•

1:1 layer

タイプは、四⾯体シート

と⼋⾯体シートが⼀つずつ重なっ

てできるt-o シートが、繰り返し

単位となっており、その周期は7Å

程度である。

~7 Å

蛇紋⽯の結晶構造

1:1 layer

-蛇紋⽯-• t シートと o シートの酸 素の配列がわずかにずれ ているときは、重なった 層が湾曲することがある。 代 表 的 な 例 は 蛇 紋 ⽯ (serpentine)にみられ、 筒状や波状などの特徴的 な形態を⽰す。 Antigolite Chrysotile Lizardite なみなみ ロールケーキ Chrysotileの電⼦顕微鏡写真

層状ケイ酸塩の分類

~9 Å

•

2:1 layerタイプ

は、tシート2枚がoシート1枚を挟んだt-o-t

シートが繰り返し周期単位。このタイプには、t-o-t シートの

間に陽イオンを含まないものと含むのがある。

– 陽イオンを含まない例として、葉ろう⽯ や滑⽯。 – 陽イオンを含む例として、雲⺟族の鉱物。 – H₂O分⼦を含む例として、粘⼟鉱物。 10~15 Å ⾦雲⺟の結晶構造

2:1 layer 雲⺟

SiO4四⾯体シート (Al,Mg,Fe)O6⼋⾯体シート SiO4四⾯体シート SiO4四⾯体シート SiO4四⾯体シート (Al,Mg,Fe)O6⼋⾯体シート K,Na • 構造  SiO₄四⾯体が三つの頂点を共有してシートを形成  (Al,Mg,Fe)O₆⼋⾯体シートが稜共有してシートを形成  四⾯体シートが⼋⾯体シートを挟み込んで、”サンドイッチ”を形成  サンドイッチとサンドイッチの隙間に、⼤きな陽イオンあるいは陰イオンが配置 • 形状  {001}が発達した平板状の形状で産出 • へき開  {001}が顕著 _c

2:1 layer 粘⼟鉱物

Vermiculite

hexamethylene-diamine SiO4四⾯体シート (Al,Mg,Fe)O6⼋⾯体シート SiO4四⾯体シート C₆H₁₆N₂ • 粘⼟の様々な性質(膨潤性、可塑性、粘着性)の主な原因は、層間に 様々な分⼦を取り込むことが出来る粘⼟鉱物の性質による (ただし、JIS規格「⼟の粒度試験⽅法」（JIS A 1204 : 2000) によれば， 単に粒径が 5 μm 以下の⼟粒⼦を「粘⼟」と呼ぶ)

層状ケイ酸塩の分類

•

2:1:1 layer

タイプは、

2枚のt-o-t シートの

間に、1枚のo シート

が挟まった構造を繰

り返し周期とする。

–

緑 泥 ⽯ 族 の 鉱 物

が こ の グ ル ー プ

に属する。

~14 Å

–

このほかにも、層状ケイ酸塩鉱物には極めて多くの種類が

ある。

•

天然の層状ケイ酸塩鉱物は、化学組成が複雑で、粒径が⼩さく、結

晶度が悪いものが少なくない。そのため、結晶相同定が困難である

場合が多い。

クリノクロアの結晶構造

⽯英

c b _a SiO₄四面体 b a b a

–

⽯英(SiO

₂

)は、ほとんど

SiO

₂

以外の

元素を固溶せず

、単⼀の化学組成を

もつ。

• ⽯英は、構造中のSiO₄四⾯体が全ての頂 点を互いに共有し、三次元的なフレーム ワーク構造をつくる。 • SiO₄四⾯体は全ての頂点を共有する。テ クト・ケイ酸塩鉱物である。 • 三⽅晶系、点群は32。空間群はP3₁21あ るいはP3₂21。この2つの結晶構造は、 鏡像(右⼿/左⼿)の関係となる。573 ℃ 以上では六⽅晶系のよく似た構造に相転 移するが、この構造にも左右の関係は引 き継がれる(⾼温型⽯英の項を参照)。

–

⽯英(SiO

₂

)は地殻を構成する⾮常に

⼀般的な鉱物である。

• ⽕成岩、変成岩、堆積岩のいずれにも含 まれる。

SiO

₂

多型

–

常温常圧で安定なSiO

₂

は⽯英(α)で

あるが、⾼温⾼圧下では様々な結

晶相に相転移する。

_Temperature (℃) 800 1200 1600 2000 2400 2800 β-quartz Liquid Pressure (GPa) 0 2 4 α-quartz Cristobalite Tridymite • ⾼温型⽯英(β-quartz)は、1気圧下では 573 ℃で安定な⾼温の多型である。 • ⾼温型⽯英と低温型⽯英は、基本のフ レーム構造は同⼀であるが、わずかにね じれた関係になっている。両相の相変態 は変位型であり、急冷しても⾼温型が凍 結されることはない。すなわち、天然の ⽯英は全て低温型である。 • ⾼温型⽯英は六⽅晶系であり、低温型⽯ 英と同様の右⼿/左⼿の区別がある。相転 移の際に右⼿/左⼿の関係は引き継がれる。 右⼿/左⼿の⾼温型⽯英が右⼿/左⼿の低 温型に相変態する際には、変位する⽅向 が⼆種類あるため双晶が形成する。 ⾼温型 低温型 低温型

SiO

₂

多形

–

トリディマイト(tridymite)とクリス

トバライト(cristobalite)

はSiO

₂

の⾼

温の多型である。前者は常圧では約

870℃以上で安定であり、後者は約

1470℃以上で安定である。

• 共にSiO₄四⾯体が全頂点を共有する構造を とる点は⽯英と同じだが、⽯英とは異なる 様式のフレームワークを作る。 Cristobalite Tridymite Tem perature (℃) 800 1200 1600 2000 2400 2800 β-quartz Liquid Pressure (GPa) 0 2 4 α-quartz

SiO

₂

多形

–

コーサイト (coesite)

は、常温では約2GPa (2万気圧)以上で安定な⾼圧

の多形である。ただし、実際には常温では相変態は進⾏せず、ある程度

⾼い温度(700℃)が必要である。

• SiO₄四⾯体が全頂点を共有し、⽯英とは異なるフレームワークを作る。

–

スティショバイト (stishovite)

は、常温では、約6GPa以上で安定とな

る⾼圧の多形である。

• ルチル(TiO₂)と異質同像。Siは6個の酸素に正⼋⾯体的に囲まれ、その⼋⾯体が頂点 と稜を共有する。 • 沈み込んだスラブ領域では、スティショバイトが安定に存在すると考えられている。 β-quartz Liquid

Stishovite

Coesite Pressure (GPa) 0 2 4 6 8 10 Te mperature (℃) 800 1200 1600 2000 α-quartz 2400 2800 12 14

Coesite

Stishovite

⻑⽯

SiO₄四面体 AlO₄四面体 Na,Ca,K b a c c b

–

⻑⽯は、⼀般式

_{(K, Na, Ca)(Al,Si)4O8}

の化学式をもつケイ酸塩鉱物である。

• (Al,Si)O₄四⾯体は、すべての頂点を 互いに共有しフレームワークを形成 する。4つの四⾯体が環状につながっ た4員環が基本構造となる。 • フレームワークの隙間には、K+, Na+_{, Ca}2+_{といった⽐較的イオン半} 径の⼤きい陽イオンが⼊る、⼤きな 隙間がある。そのためSr2+_{, Rb}+_, Ba2+_{といった、他のケイ酸塩には⼊} りにくい不適合(imcompatible)な元 素をある程度含むことが出来る。 • 単斜晶系あるいは三斜晶系に属する。 さらにAlとSiの秩序化によってさま ざま対称性に変化する。

⻑⽯

–

⻑⽯の化学組成は、三成分(Orthoclase, Albite, Anorthite)の略号

を使ってモル⽐で表す。例えばOr

₅

Ab

₁₀

An

₈₅

など。

–

An成分とOr成分を同時に富むような組成の⻑⽯は安定には存在せ

ず、限られた組成領域で固溶体を形成する。⼤きく分けて

斜⻑⽯

系

列と

アルカリ⻑⽯

系列がある。

CaAl2Si2O8 NaAlSi3O8 KAlSi3O8 Or Ab 斜⻑⽯ An

Plagioclase (labradorite) in troctolite; Sierra Leone. Orthoclase in granite; Carnmenellis, Cornwall, England.

⻑⽯

–

ア ル カ リ ⻑ ⽯ は

カ リ ⻑ ⽯

(potassium feldspar, KAlSi

₃

O

₈

)

と

アルバイト(albite, NaAlSi

₃

O

₈

)

の

固溶体

• Na ⇋ Kという元素置換が起きている。 • アルバイト組成に近いものはアノーソクレ イス(anorthoclase)と呼ばれる。 • カ リ ⻑ ⽯ は 、 ⾼ 温 で は サ ニ デ ィ ン (sanidine)、低温になるにしたがって、正 ⻑⽯(orthoclase)、微斜⻑⽯(microcline) へと変化。これらは、基本構造は同⼀だが、 AlとSiの秩序化によって対称性が異なる。 – サニディンは⼭岩に特徴的で、正⻑⽯は深成 岩や⾼温変成岩にみられる。微斜⻑⽯は低温 変成岩にみられる。 • アルカリ⻑⽯は、⾼温では連続固溶体を形 成するが、低温では不混和となり、Na成 分に富む⻑⽯とK成分に富む⻑⽯に相分離 (離溶)する。この離溶組織をパーサイト (perthite)という。 KAlSi3O8 (potassium feldspar) CaAl2Si2O8 NaAlSi3O8 (albite) Sanidine

Anorthoclase At high temperatures

Orthoclase or Microcline CaAl2Si2O8 NaAlSi3O8 KAlSi3O8 At low temperatures

パーサイト構造

0.5 mm クロスニコル

⻑⽯

–

斜 ⻑ ⽯ (plagioclase) は

ア ル バ イ ト と ア ノ ー サ イ ト (Anorthite,

CaAl

₂

Si

₂

O

₈

)

の固溶体系列である。

CaAl2Si2O8 Anortite NaAlSi3O8 Albite KAlSi3O8 Anorthite Bytownite Labradrite Andesine Oligoclase Albite • 斜⻑⽯固溶体では、NaSi ⇋ CaAlという2つの元素がペ アとなった置換が起きている。 • 中間組成には様々な名称がつけられている。 • 斜⻑⽯固溶体は⾼温ではAlとSiが無秩序に配列し、完全 固溶体に近い性質をもつ。低温になるとAnの割合に よってAlとSiはさまざまな様式の秩序配列をとる。 • ⻑い時間があれば、斜⻑⽯は 純粋な低温型アルバイトと低 温型アノーサイトに分相する が、実際には地質学的な遅い 冷却速度であっても平衡は達 成されず、ほとんど分相しな い。その代わりに、超構造と 呼ばれる特異な構造(単位格 ⼦スケールでの⼀種の離溶組 織)が形成される。 plagioclase