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第８回　地殻の構成：　地殻、鉱物

配付プリント等

• 　地球の地圏は内核・外核・マントル・地殻から構成されるが、この中でマントル（Mantle）は重量で約６７％を、体積で約８３％程度を占め、最も重要ではあるが、その構成物質について推定された結果は研究者によって異なる。核（Core）の大部分は金属鉄（Metallic Iron）から構成されるし、地殻（Crust）は体積で２％にも達しないため、地球の全体的な元素組成の推定においては、マントルについての推定値が大きく影響する。一般的に、最も多いのは鉄（Iron）で３５重量％程度、２番目は酸素（Oxygen）で３０％程度、３番目と４番目はケイ素（Silicon）とマグネシウム（Magnesium）で１０数％程度であり、これらは研究者によって順位も入れ替わる。
  　他方、地殻の元素組成は、前述のようにかなり一定の値となっており、酸素が圧倒的に多い。
  　地殻において、存在する元素は、それらの濃度や周囲の温度と圧力の条件に応じて、そこで安定な鉱物を形成している。鉱物（Mineral）は、地圏（Geosphere）を構成する最小単位の物質である。そこで、鉱物について、定義と種類と分類について説明する。
  　鉱物は、一般に次の３つの条件で定義（Definition）される。これらの３条件を兼ね備えた場合に鉱物と言える。１つめは、天然産（Native）であることである。地球以外でも構わない。２つめは、一定の化学式（Chemical Formula）で表現できるような化学組成（Chemical Composition：元素の種類と濃度）を持つことである。元素記号（Chemical Symbol）と簡単な数値で表わせる化学式によって示される。３つめは、構成する原子の配列が３次元的に規則的な結晶構造（Crystal Structure）を持つことである。そのようなものは結晶質（Crystalline）と呼ばれる。つまり、液体ではない。これらの３条件のうち、１つめは絶対条件であるが、３つめには例外がいくつかある。現在では、関連の国際組織（国際鉱物学連合、IMA、International Mineralogical Association）によって、新鉱物（New Mineral）の承認も含めて管理されているので、勝手に鉱物を定義できないようになっている。基本的に有機物は鉱物とは言わない。
  　定義にある化学組成および結晶構造のいずれかが異なるものは、異なる鉱物とされている。つまり、異なる鉱物名が与えてある。このように鉱物名が与えてあるものは、世界では４０００を超える。現在でも、年に５０種類程度の新鉱物が発見されている。日本からは１０００程度が報告されている。これは、１つの国からの数としては決して少ない訳ではなく、むしろ多いと思われる。なぜなら、鉱物は固有の生成条件および安定領域を持つため、世界の様々な地質環境の中の限られた条件下でのみ発見されるものが多いためである。
  　定義にある結晶構造では理解しにくいために、化学組成を基準とした分類（Classification）が一般に行われている。特に、地殻では陰イオン（Anion）である酸素が圧倒的に多いことからも類推できるように、陰イオンをベースにした分類が都合の良いため、酸素の場合は酸化鉱物（Oxide Mineral）、硫黄の場合は硫化鉱物（Sulfide Mineral）、などのようにグループ分けされている。陰イオンと陽イオン（cation）の区別ができないものは元素鉱物グループ（Element Mineral）とされる。また、炭素（Carbon）と酸素（Oxygen）が強く結合して錯イオンを形成するものは炭酸塩鉱物（Carbonate Mineral）グループとされる。この場合、塩という語を加える。同様に多種類のグループがあるが、量的に圧倒的に多いのはケイ酸塩鉱物（Silicate Mineral）グループである。このグループは、さらに結晶構造の違い（SiO4四面体の結合のしかたの違い）により６グループに分けられることが普通である。
  　岩石（Rock）は鉱物からなり、普通の岩石を構成する鉱物は造岩鉱物（Rock-forming Mineral）と呼ばれることがあるが、それはケイ酸塩鉱物に属する鉱物が主体である。また、資源となる鉱物は、硫化鉱物などに含まれることが普通である。つまり、一般に資源鉱物（Resource Mineral：鉱石鉱物、Ore Mineral）は普通の岩石には伴わない。
• ビデオ『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〕
• 『地殻の構成：　地殻、鉱物』。講義内容は以下について。
  『２　地殻の構成　2.1　地殻』
  �C地球の元素組成：１）鉄、２）酸素、３）ケイ素、４）マグネシウム（ただし、３位と４位の順番が入れ替わっている報告もある）
  　核とマントルと地殻の割合、およびそれらの鉱物組成（鉱物の種類と割合）および化学組成の見積りから計算。
  �D地殻の元素組成：１）酸素、２）ケイ素、３）アルミニウム、４）鉄
  　地表に分布する岩石の化学分析結果、およびそれらの岩石の割合の見積りから計算。
  　とくに、体積でみると酸素は9割を超える。
  『２　地殻の構成　2.2　鉱物』
  �@鉱物の定義：
  　１）天然産であること、２）〔化学組成〕一定の化学式であらわせること、３）〔結晶構造〕結晶質であること、の３条件を満たすこと。ただし、例外がある。
  �A鉱物の種類：　約4,000種類（世界）、約1,000種類（日本）
  　化学組成または結晶構造のいずれかが異なれば別鉱物。
  �B鉱物の分類：
  　化学組成、とくに陰イオンを基準に分類される。ただし、珪酸塩鉱物はさらに結晶構造（SiO4四面体の頂点どおしの結合のしかた）により６グループに分けられる。
• プリント2枚（番号：７）。出席票。
  【1枚目】
  （北欧、北米諸地域における岩石の分布面積）、（日本列島における各種岩石の分布面積）、（おもな火成岩の化学組成）…『理科年表』
  表9.1…『図説地球科学』（86p）
  図3-3、図3-4、図3-5…『地球システム科学入門』（59,60,61p）
  図5-3、図5-4、図5-7…『固体地球　改訂新版』（61,63,67p）
  図2.7、図2.11…『教養の地学　改訂版』（25,28p）
  【2枚目】
  図2.7、図2.8、図5.3、図9.4、図9.5、図9.6、図9.7…『図説地球科学』（17,18,40,89,90p）
  図3-6…『地球システム科学入門』（62p）

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。

• 最新地球科学教育ビデオシリーズ　EARTH REVEALED（アース・リビールド）日本語版　地球を探る　全26巻　第12巻　鉱物　Minerals（30分）
  　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、それが岩石の歴史ばかりでなく、地球そのもの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。
• 『地球構成物質の化学組成』のページを参照。
• 『鉱物の定義と分類』のページを参照。
• 『岩石の種類』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。
  ■Category:鉱物（Category:Minerals）／鉱物（Mineral）／鉱物の一覧（List of minerals）／鉱物学（Mineralogy）／Category:鉱物学（Category:Mineralogy）／
  ■化学式（Chemical formula）／Category:Chemical formulas／
  ■Category:結晶（Category:Crystals）／結晶（Crystal）／結晶学（Crystallography）／Category:結晶学（Category:Crystallography）／結晶構造（Crystal structure）／
  ■Category:イオン（Category:Ions）／イオン（Ion）／Category:原子（Category:Atom）／原子（Atom）／Category:元素（Category:Chemical elements）／元素（Chemical element）／

【元素組成】

• 宇宙の元素組成 （質量％）		地球の元素組成 （重量％）		地殻の元素組成 （重量％）
  水素	７４	鉄	３５	酸素	４７
  ヘリウム	２４	酸素	３０	ケイ素	２８
  酸素	１	ケイ素	１５	アルミニウム	８
  その他	１	マグネシウム	１３	鉄	５
  		その他	７	その他	１２

【宇宙の元素組成】

• [ 図2 ] 太陽系の元素存在度	[ 図3 ] 太陽と隕石の元素存在度の比較
  東京大学理学部地球惑星物理学科（HP/2011/5）による『原始太陽系星雲』から

• 〔東邦大学理学部の高橋　正氏のホームページの中の『周期表・元素存在度の図表』から〕

【地球の元素組成】

• 表2-10　地球の元素組成（重量％）
  （Mason, 1966；Mason and Moore, 1982；森本、1989）

  元素	原子 番号	Masonの 推定値	Washington の推定値	Niggliの 推定値	Ganapathy らの推定値	Ringwood の推定値
  Fe	26	34.63	39.76	36.9	35.98	31.90
  O	8	29.53	27.71	29.3	28.65	29.95
  Si	14	15.20	14.53	14.9	14.76	17.29
  Mg	12	12.70	8.69	6.73	13.56
  Ni	28	2.39	3.16	2.94	2.02	1.73
  S	16	1.93	0.64	0.73	1.66
  Ca	20	1.13	2.52	2.99	1.67	1.80
  Al	13	1.09	1.79	3.01	1.32	1.40
  Na	11	0.57	0.39	0.90	0.143	0.90
  Cr	24	0.26	0.20	0.13	0.472
  Co	27	0.13	0.23	0.18	0.093
  P	15	0.10	0.11	0.15	0.213
  K	19	0.07	0.14	0.29	0.017
  Ti	22	0.05	0.02	0.54	0.077
  Mn	25	0.22	0.07	0.14	0.053
  鹿園（1992）による〔『地球システム科学入門』（35p）から〕【見る→】

【地殻の元素組成】

• 〔東邦大学理学部の高橋　正氏のホームページの中の『周期表・元素存在度の図表』から〕

• 表2.1　大陸地殻の化学組成

  （％）	1	2	3	4
  SiO2	61.9	61.9	64.8	57.3
  TiO2	1.1	0.8	0.51	0.9
  Al2O3	16.7	15.6	16.1	15.9
  FeO	6.9	6.2	4.8	9.1
  MgO	3.5	3.1	2.7	5.3
  CaO	3.4	5.7	4.6	7.4
  Na2O	2.2	3.1	4.4	3.1
  K2O	4.2	2.9	2.0	1.1
  1：地表岩石の平均に近いものとして氷河粘土をとり、77個の異なった試料の分析値より推定 2：カコウ岩質岩石、玄武岩質岩石および堆積岩の占める地殻の厚さ、それぞれの平均化学組成などに基づいて推定 3：マントルからトーナル岩的なものが形成されるという大陸地殻生成モデルに立ち、地殻を3層に分けて、それぞれの厚さ、構成岩石の平均化学組成より推定 4：カコウ閃緑岩を主体とする上部地殻は、地殻自体の分化により生じたとのモデルに立ち、地殻熱流量などを制約条件として推定
  松尾（監修）（1989）による〔『地球化学』（33,34p）から〕【見る→】

【鉱物の分類】

• 　関連の国際組織（国際鉱物学連合、IMA、International Mineralogical Association）により承認されている鉱物は4000種類（種、species）を超えるが、鉱物は一般に固溶体（solid solution）を形成するため、近縁の鉱物（基本の結晶構造は同じであるが化学組成が連続的に変化しているもの）は『グループ』^*を構成している。従って、『グループ』でまとめれば、鉱物の種類は数100程度になる。また、普遍的に産出するものに限れば、数10程度になる。
  　種単位で区別された全鉱物は、一般に化学組成の違いによって分類される。その場合には、陰イオン（anion）の種類に応じてグループ分けが行われている。ただし、珪酸塩鉱物は結晶構造（crystal structure）によってさらに細分類されている。
  ^*　この『グループ』と以下の表のグループは異なる。そのため、これらを区別するための標記法が提起されているが、統一したものはない〔例えば、森本ほか（1975）は、この『グループ』に対しては族（group）を、下表のグループに対しては類（class）を用いている。これ以外に系列（series）などもある。〕
  

  グループ〔類（class）〕			鉱物の例	備考
  陰イオンと陽イオンの区別ができない場合	元素鉱物 （element mineral）	特定の陰イオンを含まない場合（金属など）	自然金（Au）、自然銀（Ag）、自然銅（Cu）、石墨（C）、自然硫黄（S）、など〔天然産であることを示すため『自然（native）』という語を付ける〕	量は少ないが、大部分は資源鉱物（鉱石鉱物）となる
  陰イオンが単一元素からなる場合	硫化鉱物 （sulfide mineral）	陰イオンが硫黄（S）の場合	黄銅鉱（CuFeS2）、方鉛鉱（PbS）、閃亜鉛鉱（ZnS）、など	資源鉱物の大部分が含まれる
  	酸化鉱物 （oxide mineral）	陰イオンが酸素（O）の場合	コランダム（Al2O3）、赤鉄鉱（Fe2O3）など、	資源消費量の多い鉄とアルミニウムの資源鉱物が含まれる
  	その他	ハロゲン化鉱物、など		資源鉱物となるものが多く含まれる
  陰イオンが2種類（１つは酸素）の元素からなる場合	炭酸塩鉱物 （carbonate mineral）	陰イオンが炭素（C）と酸素（O）からなる錯イオンの場合	方解石（CaCO3）、など	石灰岩のように資源鉱物となるものが含まれる
  	珪酸塩鉱物 （silicate mineral）	陰イオンが珪素（Si）と酸素（O）からなる錯イオンの場合	結晶構造（SiO4四面体の結合様式）の違いにより６種類のサブグループに分けられている（こちらを参照）	普通の岩石を構成する造岩鉱物の主体をなし、産出量が最も多い
  	その他	硝酸塩鉱物、硫酸塩鉱物、など		資源鉱物となるものが含まれる

参考

【地殻の鉱物組成】

• 	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）

  
  （『Nesbitt and Young, 1984』から）

【長石の組成】

• 〔Dartmoor Torsの中の『Geology』の『Minerals』から〕 三角ダイアグラムにおいて、上端はKAlSi3O8（代表的な鉱物はオルソクレース〔正長石〕）、左端はNaAlSi3O8（アルバイト〔曹長石〕）、右端はCaAl2Si2O8（アノーサイト〔灰長石〕）である。代表的な長石の組成は、比較的低温での生成の場合は青色の範囲、比較的高温での生成の場合は青色＋赤色の範囲となる。KAｌSi3O8−NaAlSi3O8系列をアルカリ長石（とくにKAｌSi3O8を主体とするときはカリ長石）とよび、NaAlSi3O8−CaAl2Si2O8系列を斜長石とよぶ。 上の表のように、長石グループは全鉱物の50〜60％を占めると推定される。

【日本列島の岩石分布】

• 第2表　日本列島を構成する各種岩石の分布面積

  岩種	地質時代*	面積（km2）	比率（％）
  堆積岩	第四紀 新第三紀 古第三紀 白亜紀 ジュラ紀 三畳紀 古生代	80,228.16 46,822.76 7,122.90 10,207,19 757.06 1,139.80 3,571.21	21.36 12.47 1.90 2.72 0.20 0.30 0.96
  	第四紀−古生代	149,849.08	39.91
  堆積岩を主とする 付加コンプレックス	古第三紀−古生代	60,802.94 〔異地性岩体：3,215.41〕	16.19
  火成岩を主とする 付加コンプレックス	古第三紀−古生代	3,661.73	0.98
  超苦鉄質火成岩類	先新第三紀	1,876.98	0.50
  火山岩	第四紀 新第三紀 古第三紀 白亜紀	41,629.97 44,685.16 4,261.61 15,092.42	11.09 11.90 1.13 4.02
  	第四紀−白亜紀	105,669.16	28.13
  深成岩	新第三紀 古第三紀 白亜紀 先白亜紀	3,947.43 5,339.90 28,498.26 1,422.46	1.05 1.42 7.59 0.38
  	新第三紀−古生代	39,208.05	10.44
  変成岩	先新第三紀	14,472.51 〔低圧型：　4,207.01〕 〔高圧型：10,265.50〕	3.85
  合計		375,540.47
  堆積岩（付加コンプレックスを含む） 火成岩（付加コンプレックス及び超苦鉄質火成岩を含む） 変成岩			56.10 40.05 3.85
  *）100万分の1日本地質図第3版には、新第三紀と古第三紀との境界にまたがる年代（PG4）の地質単位がある。ここではそれらの年代をより近い古第三紀とした。

  
  

  第3表　各種岩石の分布面積の比較（％）

  	Saito & Mitsuchi （1956）	小野・礒見 （1967）	磯山ほか （1984）	村田・鹿野 （1995）
  堆積岩 　〔第四紀〕 　〔新第三紀〕 　〔古第三紀〕 　〔白亜紀〕 　〔ジュラ紀〕 　〔三畳紀〕 　〔古生代〕 　〔付加コンプレックスなど〕	61.1 20.7 18.9 （上に含まれる） 2.7 1.0 0.3 12.2 5.3	55.3 16.5 16.3 （上に含まれる） 3.1 1.1 0.3 12.0 6.0	58.3 19.3 15.4 3.9 6.8 0.9 0.4 11.6 −	56.2 21.4 12.5 1.9 2.7 0.2 0.3 1.0 16.2
  火山岩 　〔第四紀〕 　〔新第三紀〕 　〔古第三紀〕 　〔白亜紀〕	21.1 20.4 （上に含まれる） − −	28.2 5.6 17.8 0.0 3.8	26.1 8.8 13.1 (下に含まれる） 4.2	28.1 11.1 11.9 1.1 4.0
  深成岩 　〔新第三紀〕 　〔古第三紀〕 　〔白亜紀〕 　〔先白亜紀〕	14.2 （白亜紀噴出岩を含む） − − − −	13.1 0.9 0.0 10.6 0.4	11.6 1.0 （下に含まれる） 9.7 0.9	10.4 1.0 1.4 7.6 0.4
  超塩基性岩など	0.9	1.2	−	0.5
  変成岩 　〔低圧型〕 　〔高圧型〕	3.6 0.9 2.7	4.6 1.3 3.3	4.1 1.2 2.9	3.8 1.1 2.7
  湖沼を除く総面積（km2）	369,800	369,610	378,438.6	375,540.47

  
  〔村田泰章・鹿野和彦（1995）による〕

【日本列島の地質】

• 〔総合地質情報研究グループの『ベータ版』の『シームレス地質図サポートページ』の『日本列島の地質と構造』から〕

【地質年代表】

• 〔総合地質情報研究グループの『ベータ版』の『シームレス地質図サポートページ』の『地質年代表』から〕