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第８回　地殻をつくる岩石と鉱物

配付プリント等

• 地殻は一般に数種類の岩石の混合物であり、その岩石もまた数種類の鉱物の混合物である場合が多い。無機地球の最小構成単位である鉱物は、原子番号1番の水素から92番のウランまでの元素の中のいくつかの元素が、まわりの自然環境条件に支配された化学反応により形成された化合物である。したがって、元素の種類と存在量および環境条件の違いに応じてさまざまな鉱物そして岩石が形成されるが、授業ではこれらの概要を説明する。
• ビデオ�@『火成岩の性質』（1４分）〔NHKビデオ教材：理科（地学）〕
  ビデオ�A『堆積岩・変成岩の性質』（13分）〔NHKビデオ教材：理科（地学）〕
  ビデオ�B『第12巻　鉱物』（30分）〔EARTH REVEALED（アース　リビールド）《日本語版》　最新地球科学教育ビデオシリーズ　地球を探る　全26巻〕
• 配布プリント2枚。出席票。
  【1枚目】
  図1.1、図1.2、図2.2、表2.1、表2.2、図2.3、表2.6、付表�V…『地球化学』（2,4,31,33,34,60,239p）
  図3-2…『地球システム科学入門』（56p）
  図1-1、表2-1、図2-8…『鉱物の科学』（7,41,44p）
  図1-6…『岩石と地下資源』（7p）
  【2枚目】
  図2-17、図3-3、図3-4、図3-5、図3-6、図3-7、表3-5…『地球システム科学入門』（46,59,60,61,62,63,72p）
  図2.18、表2.7…『地球化学』（61,68p）
  図3-18、図3-19、図3-22…『岩石と地下資源』（116,118,122p）
• 地殻を構成する岩石と鉱物について説明。
  　地殻（岩石の集合体）⇒岩石（鉱物の集合体）⇒鉱物（無機地球の最小単位：分子に相当する）⇒原子／元素
  �@鉱物の定義：
  　次の３条件を満たすもの。ただし、１）以外は例外がある。現在は、国際的な組織〔IMA（国際鉱物学連合）〕で個別的に決定される。
  　（１）天然産である。
  　（２）一定の化学式で表される。
  　（３）結晶質（crystalline）である。〔結晶質とは、原子の配列が3次元的に規則的であるもの。反対の言葉は非晶質（amorphous）。〕
  ※結晶（crystal）とは、外形も規則的なもの。つまり外形も結晶面（平面）からなるため、一般に美しいと感じられる。石英の結晶はとくに有名で、水晶という名称（鉱物名ではない）が与えられている。
  �A鉱物の種類：
  　化学組成（元素の種類と量比）または結晶構造（原子の配列のしかた）が異なれば、別種とされる。上記IMAで決定される。
  　・世界で約4000種。
  　・日本で約1000種。
  ※この中には、世界で一箇所しか産しないもの（あるいは非常に限られるもの）や、肉眼では見えない（同定できない）ものが多数あり、実際には数百種程度が比較的知られた鉱物である。
  ※日本が少ない訳ではなく、他国も同様ないしさらに少ない。
  ※人工的な化合物に比べて非常に少ないのは、天然における生成環境が鉱物の生成条件に対して限られるためである。例えば、重要な条件である温度（T：temperature）と圧力（P：pressure）は、地下深くなるほどどちらも高くなり、ある限られた範囲にしかならない。
  �B鉱物の分類：
  　化学組成または結晶構造に基づくが、一般に化学組成の方が分りやすいので、化学組成に基づいて行われる。さらに、地殻の元素存在度で一番多いのは酸素であるが、これは体積では9割を越え、圧倒的に多い。つまり、地殻は酸素（O^2-）を中心とした骨格をもつと言え、陰イオン（あるいは陰イオン的役割も含む）に注目して分類される。
  　例えば、おもなグループは：
  　（１）元素鉱物（陰イオン／陽イオンの区別がつかないもの：金属結合）…自然金（Au）、自然銀（Ag）、自然銅（Cu）など
  　（２）硫化鉱物〔陰イオンは硫黄（いおう）〕…黄銅鉱（おうどうこう、CuFeS2）、方鉛鉱（ほうえんこう、PbS）、閃亜鉛鉱（せんあえんこう、ZnS）など
  　（３）酸化鉱物／水酸化鉱物（陰イオンは酸素）…赤鉄鉱（せきてっこう、Fe2O3）、ギブス石（ぎぶすいし、Al(OH)3）など
  　（４）炭酸塩鉱物（陰イオンは、炭素と酸素が強く結合して作るイオン。そのため『塩』という言葉を加える。）…方解石（ほうかいせき、Ca²⁺[CO3]^2-）など
  　（５）珪酸塩鉱物（陰イオンは、珪素と酸素が強く結合して作るイオン。）…石英（せきえい、SiO2）〔酸化鉱物とする場合もあるが、珪酸塩鉱物の基本単位として、本グループとする〕、カンラン石（かんらんせき、Mg2²⁺[SiO4]^4-）など
  ※地殻存在度の1位と2位の組合せで作られる〔SiO4〕^4-四面体は、地殻の代表的な構成単位と言える。したがって、珪酸塩鉱物はもっとも量的に多く、とくにその中で長石グループ〔さらに斜長石とカリ長石（例えば正長石など）が約5割を占める（【補足説明】を参照）。石英は約2割であり、その他の珪酸塩鉱物も加えると、95％程度と見積られる。
  ※造岩鉱物とは、普通の岩石を構成する鉱物を総称して言うが、その大部分は珪酸塩鉱物に含まれる。その他、酸化鉱物の一部なども含まれる。
  ※資源鉱物とは、鉱物資源として利用されるものを言うが、量的に重要なものは硫化鉱物に含まれる。銅・鉛・亜鉛などの重金属は、本質的に硫黄と挙動をともにするため、普通の岩石には濃集しない。鉄とアルミニウムは、地殻存在度も大きく（それぞれ、4位と3位）、酸化鉱物（および水酸化鉱物）として濃集する。
  �C岩石の分類：
  　（１）火成岩：マグマ（magma）が冷えて生成。
  　　　火山岩…地表または地表近くで生成。（急に冷えたため、粒径が小さい。ガラス質となることもある。）
  　　　　　　　　→玄武岩（げんぶがん、basalt）（海洋地殻の代表）など。　
  　　　深成岩…地下深くで生成。（ゆっくり冷えたため、粒径が大きい。直径〜数mm。）
  　　　　　　　　→花崗岩（かこうがん、granite）（大陸地殻の代表）など。
  　（２）変成岩：地下で温度と圧力の上昇のため、その環境で安定な鉱物が生成したもの。一部でも構わない。
  　　　　　　　　→圧力の影響が強いと、組織的に片状となり、片岩と呼ばれる。
  　　　　　　　　→温度の影響の方が強いと、粗粒化および均質化し、片麻岩と呼ばれる。
  　　　　　　　　→これらは、広域変成岩に含まれる。
  　　　　　　　　　局所的な生成の場合には、
  　　　　　　　　　マグマの熱（高温）による熱変成岩（または接触変成岩）と、
  　　　　　　　　　断層内部の高圧による動力変成岩がある。
  　　　　　　　　→しかし、最近は、温度・圧力条件に対応した変成相により分類されることが多い。
  　（３）堆積岩：地表（低温・低圧）で生成。
  　　　�@砕屑岩…粒径によって分類される。礫岩−砂岩−泥岩など。
  　　　�A火山砕屑岩…砕屑岩に火山由来の物質（火山灰や溶岩など）が多くを占める場合。火成岩に分類される場合もある。
  　　　�B生物岩…石灰岩（limestone、CaCO3）やチャート（chert、ほとんそSiO2）など。
  　　　�C化学沈殿岩

補足説明

全般	地球科学用語については『地球科学用語集』ページを参照。 単位については『単位について』のページを参照。 地質年代については『地質年代表』のページを参照。

• フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明を参照してください。（英文による説明の方が詳しい場合が多いので、そちらもご覧ください。⇒各ページの左側の欄にある『各言語』から『English』を選んでください。）
  ■地殻（Crust (geology)）／
  ■Category:岩石（Category:Rocks）／岩石（Rock (geology)）／岩石の一覧（List of rock types）／
  ■火成岩（Igneous rock）／深成岩（Pluton）／花崗岩（Granite）／火山岩（Volcanic rock）／玄武岩（Basalt）／
  ■変成岩（Metamorphic rock）／片麻岩（Gneiss）／結晶片岩（Schist）／変成作用（Metamorphism）／
  ■堆積岩（Sedimentary rock）／堆積物（Sediment）／続成作用（Diagenesis）／砕屑岩（Clastic rock）／砂岩（Sandstone）／泥岩（Mudstone）／頁岩（Shale）／火山砕屑岩（Pyroclastic rock）／凝灰岩（Tuff）／石灰岩（Limestone）／チャート (岩石)（Chert）／蒸発岩（Evaporite）／
  ■Category:鉱物（Category:Minerals）／鉱物（Mineral）／鉱物の一覧（List of minerals）／ケイ酸塩（Silicate）／化学式（Chemical formula）／結晶構造（Crystal structure）／
  ■Category:イオン（Category:Ions）／イオン（Ion）／電荷（Electric charge）／
• 『岩石の種類』、『元素とは』、『鉱物の定義と分類』のページを参照。
• ビデオ�@『火成岩の性質』（1４分）〔NHKビデオ教材：理科（地学）〕
  『〔ねらい〕
  　私たちの地球を形成する岩石の中でも最も基本的な火成岩について、でき方による種類のちがいと、造岩鉱物の組合せによる種類のちがいを、肉眼観察と顕微鏡観察を通じて理解させる。
  〔内容〕
  �@　火山の噴火の実際の姿を通して、マグマが冷却して火成岩ができていく様子を見せる。
  �A　火成岩の典型的な2つのでき方、すなわち、マグマが地表ではやく冷えてできる火山岩と、地下でゆっくり冷えてできる深成岩について説明する。
  �B　標本で、火山岩の代表的な3種（流紋岩・安山岩・玄武岩）を見せる。
  �C　同じく標本で、深成岩の代表的な3種（花こう岩・閃緑岩・はんれい岩）を見せる。
  �D　火成岩のでき方によるちがいを詳しく調べるためには、顕微鏡観察用の岩石薄片をつくる必要がある。その製作の過程を、順を追って紹介する。
  �E　でき上った岩石薄片を偏光顕微鏡で観察する。深成岩の花こう岩と火山岩の安山岩のそれぞれの組織を比較して見せ、結晶の発達程度のちがいを示す。
  �F　火成岩の中には、半深成岩の中間的な岩石もあることを説明する。例として石英はん岩の標本と顕微鏡写真を見せる。
  �G　次に、火成岩には、花こう岩のような白っぽい岩石や、玄武岩のような黒っぽい岩石など、色のちがいがあることを示す。
  �H　このような色のちがいは、造岩鉱物の組合せにもとづくことを説明し、代表的な造岩鉱物を無色鉱物と有色鉱物に分けて見せる。
  �I　たて軸にでき方、よこ軸に造岩鉱物の組合せをとった火成岩の分類表を示し、いままでの学習のまとめをする。表に合せて、岩石の標本と顕微鏡写真の比較も見せる。
  �J　これらの火成岩が私たちの身の回りにも広く利用されていることを、花こう岩でつくられた国会議事堂などを例にのべる。』
• ビデオ�A『堆積岩・変成岩の性質』（13分）〔NHKビデオ教材：理科（地学）〕
  『〔ねらい〕
  　岩石の中には、マグマからできた初生的な成因の火成岩のほかに、二次的な成因をもつ堆積岩や変成岩がある。これらの岩石のでき方と種類を、肉眼観察と顕微鏡観察を通じて理解させる。
  〔内容〕
  �@　砂や泥が海底に水平にたまって、平行な縞もようをもつ地層を形成する。これが堆積岩のできはじめであることを、地層の露頭の様子を見せて説明する。
  �A　砂や泥の層は堆積して間もないうちはまだ軟らかい。その様子を、固まっていない砂の層をけずって確かめてみる。
  �B　地層は長い時間がたつと、続成作用によってしだいにかたい堆積岩になる。かたく固まった泥岩層でその例を説明する。
  �C　ふつうの堆積岩の種類を、泥岩・砂岩・礫岩の順に標本で見せる。
  �D　泥岩と砂岩の組織を偏光顕微鏡で見せ、さらに両者を比較してその違いを示す。
  �E　火山灰や軽石が堆積してできた凝灰岩も堆積岩の仲間であることを説明する。
  �F　特殊な堆積岩の例として、生物の遺体が堆積してできた石灰岩とチャート、化学的沈殿岩である岩塩の標本を見せる。
  �G　変成岩のうち、広域変成岩の1つ・結晶片岩の特徴と性質を、埼玉県長瀞の有名な結晶片岩の露頭を例に説明する。
  �H　結晶片岩のいくつかの種類を標本で比較しながら見せる。
  �I　結晶片岩のしゅう曲構造を見せ、高い圧力がかかった結果できたことを説明する。
  �J　結晶片岩の組織を偏光顕微鏡で見せ、鉱物の配列が一定方向にそろっていることをわからせる。
  �K　もう1つの広域変成岩・片麻岩の性質を説明し、結晶片岩とのちがいをのべる。
  �L　日本列島における広域変成岩の分布（変成帯）の特徴を、図を用いて説明する。
  �M　変成岩の中には、マグマの熱の影響でできる熱変成岩もあることを説明し、その例として大理石を見せる。
  �N　大理石中にはアンモナイトなどの化石が入っていることを、デパートの壁での観察を通して見せる。
  �O　堆積岩や変成岩も昔から私たちの生活の中で利用されてきたことをのべる。
• ビデオ�B『第12巻　鉱物』（30分）〔EARTH REVEALED（アース　リビールド）《日本語版》　最新地球科学教育ビデオシリーズ　地球を探る　全26巻〕
  『人類の文明の中で、鉱物は政治的、経済的および技術的発展における基本的な役割を果たしてきました。しかし鉱物を研究するおもしろさは、それが岩石の歴史を解明することにつながるからなのです。この巻では、鉱物の起源、分類、分析、用途について説明します。』

【火成岩の鉱物組成】

• 火成岩の分類 〔岩手県立博物館の『これなあに？』の『地質分野』の中の『造岩鉱物[ぞうがんこうぶつ]と火成岩の分類』から〕

• Figure 10e-1: The classification of igneous rocks. This graphic model describes the difference between nine common igneous rocks based on texture of mineral grains, temperature of crystallization, relative amounts of typical rock forming elements, and relative proportions of silica and some common minerals. 〔Okanagan University CollegeのDepartment of GeographyのMichael Pidwirny氏によるPhysicalGeography.netの『FUNDAMENTALS OF PHYSICAL GEOGRAPHY』の『CHAPTER 10: Introduction to the Lithosphere』の中の『(e). Characteristics of Igneous Rocks』から〕 火成岩の分類。横軸はシリカ（SiO2）成分の量で、左側ほど多い。シリカ成分が多い岩石を酸性岩、逆に少ない岩石を塩基性岩と呼ぶ。例えば、粗粒の鉱物（石英〔quartz、SiO2〕・カリ長石〔K（potassium）-feldspar、KAlSi3O8〕・斜長石〔plagioclase、CaAl2Si2O8〜NaAlSi3O8の固溶体〕・黒雲母〔biotite〕など）から構成される花崗岩（granite）は酸性岩で、大陸地殻の代表的な岩石である。また、細粒の鉱物（斜長石・輝石〔pyroxene〕・かんらん石〔olivine〕など）から構成される玄武岩（basalt）は塩基性岩で、海洋地殻の代表的な岩石である。

【地殻の元素組成】
　体積（イオン半径）で比較すると、酸素は９割以上を占めることになる。従って、地殻は酸素の塊りとも言える。

• Wedepohl(1995)による〔『The composition of the continental crust』から〕
  酸素とケイ素とアルミニウムの３元素で８４％（重量）近くになる。
  

  表2　大陸地殻の元素濃度（重量）

  元素名	濃度	単位	元素名	濃度	単位	元素名	濃度	単位
  O	47.2	％	Nd	27	ppm	Mo	1.1	ppm
  Si	28.8		Cu	25		Br	1.0
  Al	7.96		Co	24		W	1.0
  Fe	4.32		Y	24		I	800	ppb
  Ca	3.85		Nb	19		Ho	800
  Na	2.36		Li	18		Tb	650
  Mg	2.20		Sc	16		Tl	520
  K	2.14		Ga	15		Lu	350
  Ti	4010	ppm	Pb	14.8		Tm	300
  C	1990		B	11		Sb	300
  P	757		Th	8.5		Se	120
  Mn	716		Pr	6.7		Cd	100
  S	697		Sm	5.3		Bi	85
  Ba	584		Hf	4.9		Ag	70
  F	525		Gd	4.0		In	50
  Cl	472		Dy	3.8		Hg	40
  Sr	333		Cs	3.4		Te	(5)
  Zr	203		Be	2.4		Au	2.5
  Cr	126		Sn	2.3		Pd	0.4
  V	98		Er	2.1		Pt	0.4
  Rb	78		Yb	2.0		Re	0.4
  Zn	65		As	1.7		Ru	0.1
  N	60		U	1.7		Rh	0.06
  Ce	60		Ge	1.4		Os	0.05
  Ni	56		Eu	1.3		Ir	0.05
  La	30		Ta	1.1

【地殻を構成する鉱物】

• 地殻の岩石の平均的な鉱物組成（『Nesbitt and Young, 1984』から引用、1534p）
  多い順に斜長石（CaAl2Si2O8〜NaAlSi3O8）・石英（SiO2）・正長石（KAlSi3O8）であるが、斜長石と正長石は同じ長石グループ（族）に属するので長石グループが圧倒的に多い。
  

  	A	B	C	D	E
  石英（quartz）	21.0	25.4	24.42	23.2	20.3
  斜長石（plagioclase）	41.0	39.25	39.25	39.9	34.9
  ガラス（glass）	0.0	0.0	0.0	0.0	12.5
  正長石（orthoclase）	21.0	4.57	8.6	12.9	11.3
  黒雲母（biotite）	4.0	15.29	11.23	8.7	7.6
  白雲母（muscovite）	0.0	9.77	7.61	5.0	4.4
  緑泥石（chlorite）	0.0	0.0	3.31	2.2	1.9
  角閃石（amphiboles）	6.0	0.0	0.0	2.1	1.8
  輝石（pyroxenes）	4.0	0.0	0.0	1.4	1.2
  かんらん石（olivines）	0.6	0.0	0.0	0.2	0.2
  酸化鉱物（oxides）	2.0	1.37	1.37	1.6	1.4
  その他（others）	0.5	4.7	4.7	3.0	2.6
  A　Wedepohl（1969, 表7-11）により概算された上部大陸地殻の平均鉱物組成 B　カナダ楯状地のメソノルム（mesonorm）（Shaw et al., 1967） C　緑泥石を含むように修正したカナダ楯状地のメソノルム（付記を参照） D　上部大陸地殻の平均鉱物組成の概算値（計算方法の詳細は付記を参照） E　露出した地殻の平均組成の概算値（計算方法の詳細は付記を参照）

参考

• 元素全般については『元素とは』のページを参照。
• 元素各論は『元素一覧』のページを参照。

【地殻−岩石−鉱物−原子（イオン）】

• 〔産業技術総合研究所 地質調査総合センターによる地質図のホームページの『岩石や地層のでき方』から〕 岩石は鉱物粒子の集合体（混合物）である。鉱物は、構成する原子が3次元的に化学結合した結晶質（crystalline）物質であり、一般に多原子分子（無機高分子）と言えるが、分子という表現は用いないのが普通である。また、実際の鉱物中では、原子はイオン（電子の授受において、電子を与えれば自身は陽イオンに、受け取れば陰イオンになる）の状態で考えた方が理解し易い。従って、イオンの組合せは、互いの電荷が異なるもの（＋と−）どうしが結合しやすく、全体として電荷は0にならなければならない。さらに、イオンの大きさ（イオン半径で表現する）も3次元的に調和する組合せとなる必要がある。つまり、化学結合においては、電荷とイオン半径が重要である。

【大陸地殻の元素組成】

• 西村（編著）（2002）による〔『基礎地球科学』（49p）から〕
  ※報告値は研究者によって異なるので注意〔上のWedepohl(1995)による値とも比較せよ〕。つまり、精度はその程度。
  ※体積は、各元素のイオン半径（上の図を参照）から計算されている。ただし、イオン半径の値も、研究者によって異なるし、配位などの仮定の仕方の違いによっても異なるので、目安に過ぎない。
  

  大陸地殻の元素組成
  （元は図、鉄の値はママ）

  	元素	重量％	体積％
  1	O（酸素）	61.7	93.8
  2	Si（ケイ素）	21.3	0.2
  3	Al（アルミニウム）	6.7	0.6
  4	Fe（鉄）	2.0？	0.5
  5	Ca（カルシウム）	2.5	1.4
  6	Mg（マグネシウム）	2.4	0.5
  7	Na（ナトリウム）	2.3	1.3
  8	K（カリウム）	0.8	1.7
  9	その他	0.3	0.0

【地球の重量】
　重量〔または重さ（Weight）〕は、物体に働く重力（Gravity）の大きさであり、地球の重力の大きさによって決まる量である〔約9.8N（ニュートン：1 N＝1 kg・m/s²＝約0.1 kgf〈重量キログラム、キログラム重、kgw〉）：従って、9.8 N＝約1 kgf〕。重力が異なれば違う値になる。物体固有の量は質量（Mass）と言う。地球の重力の大部分は地球の質量による万有引力（＝引力）（Gravitation）であり、自転（Rotation）による遠心力（Centrifugal Force）も加わっている。
　しかし、実際には地球上で用いるため、重量と質量の違いは区別されていない場合が多い。ただし、地球上での重力は約0.5％ほど変動するので、重量も同様に変動するが、質量は一定である。

• 地球
  ・約6.0×10²¹トン（質量）〔フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』の『地球』から…主に惑星の運行と万有引力の法則から求められる〕
• 地圏の地殻
  ・約2.25×10¹⁹トン（＝約2250京トン）〔立見（1986）による『鉱物資源を考える』に引用されている数値〕
  ・約2×10¹⁹トン〔アンドリューズほか（1997）による『地球環境化学入門』（63p）から〕
• 水圏の水
  ・約1.4×10⁹km³（≒約1.4×10¹⁸トン＝約140京トン）〔地学団体研究会（編）（1995）による『地球の水圏−海洋と陸水』（4p）から〕
  　水の密度を１g/cm³とすれば、これは10⁹トン/km³であるから、約1.4×10¹⁸トンとなる。これは上記の地殻の6％程度に相当する。
  ・約1.4×10⁹km³〔アンドリューズほか（1997）による『地球環境化学入門』（9p）から〕
• 気圏の大気（空気）
  ・約5×10¹⁵トン（＝約5000兆トン）〔Wikipedia, the free encyclopediaの『Atmosphere of Earth』から〕
  　これは上記の地殻の0.02％程度。
• 生物圏の植物（一次生産による生物量）
  ・約1.8×10¹²トン（＝約1.8兆トン）〔茅（監修）（2003）による『環境年表 2004/2005』（244-258p）から：一次生産量は１桁少ない〕
• 生物圏の動物（二次生産による生物量）
  ・約2×10⁹トン（＝約20億トン）〔茅（監修）（2003）による『環境年表 2004/2005』（244-258p）から：二次生産量は２倍多い〕