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自然環境科学概論（固体地球を構成する物質）

配付プリント等｜補足説明｜参考

対象学年：2年生
講義日：2011年7月7（木）
講義題目：固体地球を構成する物質

配付プリント等

講義概要：
　地球は、『固体からなる地圏』・『液体からなる水圏』・『気体からなる気圏』という無機物質で構成される無機地球３圏およびこれらの３圏が接する部分に存在する『生物が主体となる生物圏』という有機地球１圏の合計４圏に分けることができる。
　その中で最も重要な部分が地圏である。地圏を構成する物質の基本単位は鉱物である。一般に複数の種類の鉱物が集合して岩石を構成する。地殻は岩石の集合体である。この地殻の下部にマントルが存在し、さらにその下部に核（外核と内核）が存在し、それらの間接的な影響が地殻（そして地表）に及んでいるが、地表付近の地殻以外の構成物質については具体的には不明なことが多い。
　本講義では、地表に近い地殻の構成物質である鉱物について、定義や分類などについて説明する。また、鉱物を構成する原子／元素および鉱物が形成する岩石についても説明する。さらに、固体地球の最大のモデルであるプレートテクトニクスとの関連についても時間があれば触れる予定である。
プリント2枚。出席票。
【1枚目】
図1.3、図1.4、図6.1、図6.2、図6.3、図6.4、表7.1、図7.1…『図説地球科学』（3,5,49,53,54,61,62p）
図3.1、図3.2、表3.2、図3.5…『基礎地球科学第2版』（47,50,p）
【2枚目】
図3.9、図3.11、図3.15、図3.18、図3.23、図3.28、図3.30、図3.31…『基礎地球科学第2版』（54,57,62,66,71,76,78,79p）

補足説明

全般	鉱物	岩石	その他
地球の構成｜	鉱物の定義｜鉱物の分類｜鉱物存在度｜	岩石の分類｜火成岩の分類｜	元素存在度（宇宙および地殻）｜

授業科目『地球科学A』の『地殻の構成：　地殻、鉱物』と『地殻の構成：　岩石』、授業科目『地球とその環境』の『地殻をつくる岩石と鉱物』を参照。
地球構成物質一覧はこちらを参照。
『鉱物の定義と分類』、『元素とは』、『結晶学とは』、『宝石とは』、『鉱物コレクション』、『鉱物標本店』、『岩石の種類』、『地球構成物質の化学組成』、『地球について』などのページを参照。

『鉱物リスト』は以下を参照。

鉱物リスト〔化学組成別〕（１）〔珪酸塩以外〕【見る→】
鉱物リスト〔化学組成別〕（２）〔珪酸塩〕【見る→】
鉱物リスト（ABC順）
Klein,C.（2001）による〔『The 22nd edition of the Manual of Mineral Science』（619-632p）から〕【見る→】
マンガン鉱物リスト【見る→】
アルファベット順のマンガン鉱物名リストは『マンガン鉱物名リスト（ABC順）』を参照。

フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』による説明。
■地圏（Geosphere）／水圏（Hydrosphere）／大気圏（Atmosphere）／生物圏（Biosphere）／
■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）／
■Category:岩石（Category:Rocks）／岩石（Rock (geology)）／岩石の一覧（List of rock types）／火成岩（Igneous rock）／花崗岩（Granite）／玄武岩（Basalt）／変成岩（Metamorphic rock）／堆積岩（Sedimentary rock）／
■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）／
■地殻（Crust (geology)）／
■Category:プレートテクトニクス（Category:Plate tectonics）／プレートテクトニクス（Plate tectonics）／
■自然環境（Natural environment）／環境学（Environmental science）／Category:環境学（Category:Environmental science）／

【地球の構成】

　地球は下記のように4圏に分けられる。中心に存在する地圏が最も重要である。ただし、地表に存在する（地表にしか存在できない）人類にとっては、地表における残りの3圏との関わりの方がより深いため、実質的にはそれらからの影響をより強く受けている。

地球を構成する各圏		厚さ（km）	各圏の特徴	内容
生物圏	地表付近	約0	以下の3圏の境界付近に存在する生物を中心とする部分	植物や動物などの生物が中心となる生態系を形成する部分である。	有機の１圏	地球の４圏
気圏		約10 （対流圏部分）	地表側から対流圏－成層圏（オゾン層を含む）－中間圏－熱圏（電離層とほぼ重なる）に分けられる	空気（窒素ガス約78％・酸素ガス約20％・アルゴン約1％など）を中心とする部分である。	無機の３圏
水圏		約5	海水と陸水（氷河・地下水・湖沼水・河川水）からなる	水（H2O）を中心とする部分である。
地圏		半径約6400	地表側から地殻（大陸地殻と海洋地殻）－マントル－外核－内核に分けられる	外核以外は固体であり、固体地球とも呼ばれる。内核と外核は主に金属鉄（Fe）からなり、マントルと地殻は酸化物（主に珪酸塩鉱物と酸化物）からなる。
これ以外に、磁気圏などもある。また、人間社会を人間圏などと呼ぶこともある。

【鉱物の定義】

次の3つの条件を満たすものが鉱物と定義される。ただし、歴史的な事情から例外もある。

	定義（すべての条件を満たすこと）	備考	注
1	天然産であること	地球以外でもよい	例外なし（人工物は含めない）
2	化学式で表現できるような化学組成（元素の種類と濃度）を持つこと	固溶体をもつものが多い	例外なし
3	規則的な結晶構造（原子の3次元的な配列のありよう）を持つこと	固体であること	例外あり（いくつかの液体および非晶質を含む）
4つめに『一定の安定条件をもつこと』を定義に含めることがある。鉱業的に『石油や石炭』などの生物由来の有機物を『鉱物』と呼ぶ場合があるが、学問（理学）的には含めない。地球以外にのみ生成するものは、一般的な『鉱物の分類』に含めないことが普通である（例えば、隕石の鉱物など）。

【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』（族、group）^*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。
^*　ここでは森本ほか（1975）による表記に従っている。これら以外に系列（series）などもある。

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

【鉱物存在度】

鉱物	体積（％）
斜長石	42
カリ長石	22
石英	18
角閃石	5
輝石	4
黒雲母	4
マグネタイト、イルメナイト	2
オリビン	1.5
アパタイト	0.5
重要な鉱物の地殻での存在度（Wedepohl、1971）（『造岩鉱物学』から引用、13p）

【岩石の分類】

　岩石は成因（できかた）により火成岩と変成岩と堆積岩の3つに分けられる。
　火成岩（igneous rocks）は、マグマ（岩石の熔融体）から固結してできる岩石であるが、化学組成〔とくにSiO2（珪酸；シリカ）成分量〕および組織（形成深度が粒径などに最も影響する）の違いにより分類される。花崗岩はSiO2量が多く、深部でゆっくり冷却されて形成された。一方、玄武岩はSiO2量が少なく、地表付近で急速に冷却されて形成された。これらの中間の性質を持つ岩石には、別の名称が付けられているが、これらは連続的に変化している。なお、マグマの化学組成の違いは主に源岩の違いによる。
　変成岩（metamorphic rocks）は、地表付近にあった岩石が地下へ埋没し、地下の高温・高圧条件によって、構成鉱物の一部または全部が変化した岩石である。一般的な変成岩は、圧力と温度の両方の影響を受けて形成される。とくに両方の影響が大きい変成岩は、構成鉱物が粗粒であり等粒状になって、一見花崗岩に似る場合もあるが、このようなものは片麻岩と呼ばれる。比較的圧力の影響が大きい場合には応力のために層状を示すことがあり、その代表的なものが片岩である。これらは広域的に形成される場合が普通であるので広域変成岩に含まれる。また、特別に温度の影響が強い場合は熱変成（接触変成）岩と呼ぶことがあり、逆に圧力の影響が強い場合は動力変成岩と呼ぶことがある。ただし、近年は変成相によって分類するのが一般的である。
　堆積岩（sedimentary rocks）は、地表における風化・浸食・運搬・堆積作用によって形成される岩石であり、砕屑岩が主体である。地表環境条件下で不安定な鉱物は、破砕と分解の過程で消失するため、一次鉱物（源岩を構成していた鉱物）の種類は限られる（主に石英および長石の一部が残る。他には岩片状のものも残る。さらに地表条件で安定な粘土鉱物のような二次鉱物も形成される）。一方、破砕によって半分また半分と粒径が小さくなると仮定すれば、(1/2）ⁿとして構成鉱物の大きさを表せる。人為的に2mmや(1/2）⁴mm（＝1/16mm）などが砕屑物の大きさの境界として使われ、2mm以上の粒子から構成されるものは礫、2mm～1/16mmは砂、1/16mm以下は泥とされている。これらの堆積物（sediment）は地下での続成作用（diagenesis）によって粒子間が固定されると、堆積岩となる。これらは層状の組織・構造を持つので一般に地層（stratum）と呼ばれる。

	生成条件	主な岩石名	特徴
火成岩	マグマから固結したもの	玄武岩（げんぶがん）	生成深度小・シリカ量小
火成岩	マグマから固結したもの	花崗岩（かこうがん）	生成深度大・シリカ量大
変成岩	地下条件（高温・高圧）で生成したもの	片麻岩（へんまがん）	高温（高圧）で生成
変成岩	地下条件（高温・高圧）で生成したもの	片岩（へんがん）	高圧（低温）で生成
堆積岩	地表条件（低温・低圧）で生成したもの	砂岩（さがん）	粒径が2mm～1/16mm程度
堆積岩	地表条件（低温・低圧）で生成したもの	泥岩（でいがん）	粒径が1/16mm以下

玄武岩（げんぶがん、basalt、バサルト）：塩基性（basic）の火山岩（volcanic rock）。海洋地殻の代表的な岩石。輝石（pyroxene）と斜長石（plagioclase）を主とし、カンラン石（olivine）や角閃石（amphibole）も伴う。ただし、鉱物の粒径は肉眼では識別できないほど小さい。輝石・カンラン石・角閃石は有色鉱物であるので、全体的には暗灰色に見える。

花崗岩（かこうがん、granite、グラニット）：酸性（acidic）の深成岩（plutonic rock）。大陸地殻の代表的な岩石。灰色部分は石英（quartz：SiO2）、白色部分は斜長石（plagioclase：NaAlSi3O8～CaAl2Si2O8）、黒色部分は黒雲母（biotite）であるが、カリ長石（K-feldspar）（正長石；orthoclase：KAlSi3O8）ははっきりしない（少し灰色味をもつ白色の部分に存在すると考えられる。試料によっては、暖色系の色合いが強い）。鉱物の粒径は数mmであるが、試料によっては１cmを超える場合もある。


片麻岩（へんまがん、gneiss、ナイス）：高温および高圧の変成条件下で形成される変成岩。火成岩の花崗岩に似ているが、源岩の種類の違いによって、構成鉱物は変動する。大陸地殻中～深部に地表の岩石がもたらされて形成されるので、大陸地殻の形成史に関連する情報をもつ。	片岩（へんがん、schist、シスト）：高圧および中～低温の変成条件下で形成される変成岩。圧力（応力、stress）に垂直な方向に押し潰されたような組織を示す（この写真は平らな面を撮っているので明瞭ではないが、下部に見える断面では平行な縞模様が見える）。


砂岩（さがん、sand stone）：構成鉱物の粒径が2mm～1/16mmの砕屑岩（clastic rock）。	泥岩（でいがん、mud stone）：構成鉱物の粒径が1/16mm以下の砕屑岩（clastic rock）。