粘土の構造と化学組成 （上原誠一郎，九州大学理学部）

粘土 科 学
第40巻
第2号100-111
―粘 土 基 礎 講 座I―
フー
粘土基礎講座 I
キ
グ グ ルー
ン
ブ連載解説
粘土の構造 と化学組成
上
原
〒812-8581福
誠一郎
岡 市 東 区 箱 崎6-10-1
九州 大学理学部 地球 惑星科学教 室
e-mail:[email protected]
Crystal
Structures
and
Chemical
Seiichirou
1.粘
土鉱物の分類
Compositions
UEHARA
認 め られ ま す.粘
塩 鉱 物 で す.そ
粘 土(ね
ん ど)は"ね
ば つ ち"と
も読 まれ る よ
うに ね ば り けの あ る 土 を意 味 し ます.土
は 通 常0.002mm(2μm)以
of Clay Minerals
壌 学的 に
下 の風 化 作 用 を受 け た
鉱 物,ス
土 の 主 体 を な す もの は層 状 珪 酸
の 中 で もカ オ リン鉱 物,雲 母 粘 土
メ ク タ イ トお よ び混 合 層 鉱 物 は微 粒 の 鉱
物 と して 粘 土 中 に 広 く産 す る典 型 的 な 粘 土 鉱 物 で
す.蛇 紋 石 鉱 物,タ
ル ク,緑 泥 石,バ
ー ミキ ュ ラ
二 次 鉱 物 粒 子 を い い ます.一 般 に は 水 を 含 む と粘
イ トな ど は粘 土 鉱 物 と して も見 い だ され ます が,
性 を もつ土 の 総 称 で,各 種 の粘 土 鉱 物 ・水 分 な ど
か ら成 り ます.れ ん が ・瓦 ・セ メ ン ト ・陶磁 器 の
結 晶 の 大 き な 鉱 物 と共 に粘 土 以 外 の 岩 石 の 構 成 鉱
た ち の 身 近 に存 在 す る粘
物 と して産 出 す る こ とが 多 い よ うで す.け れ ど も,
これ ら は鉱 物 学 的 に み る と典 型 的 な 粘 土 鉱 物 と密
陽 系 の 惑 星 の 中 で 粘 土 が 見 られ るの
接 な 関係 が あ り,粘 土 鉱 物 とし て 取 り扱 わ れ ます.
製 造 原 料 とな りま す.私
土 で す が,太
は地 球 だ けで す.水
惑 星 と も呼 ばれ る よ う に地 球
表 層 に は液 体 の 水 が 存 在 し ます.こ
の 水 を結 晶 の
中 に持 っ て い る の が 粘 土 鉱 物 で す.す
な わ ち,粘
層状 珪 酸 塩(layer silicate)鉱物 は構 造 的 な特 徴
と化 学 的 な 特 徴 に 基 づ い て 分 類 さ れ て い ます(表
1).層
状 珪 酸 塩 は フ ィ ロ珪 酸 塩(phyllosilicate)
土 は地 球 を代 表 す る 鉱 物 で す.阻 石 の 研 究 に よ っ
と も呼 ばれ ます.こ
て 太 陽 系 の 形 成 初 期 に は大 量 の 粘 土 鉱 物 が 形 成 さ
い は ウ ン ボ,キ
れ た こ とが 知 られ て い ま す が,現 在 も粘 土 が 形 成
平 行 に薄 くは が れ や す い性 質 で す.昔
され て い るの は地 球 だ け で し ょ う.
が し"と もい っ て い ま した.こ
鉱 物 は地 質 学 的 な 過 程 で 生 じた 結 晶 質(一
は非 晶 質)の
元 素 あ る い は 化 合 物 で す.多
部に
くの 粘
土 は 単 一 の あ るい は複 数 の鉱 物 か らで きて い ます.
の特 徴 は 雲 母(ウ
ン モ,あ
る
ラ ラ と もい い ま す)に 代 表 さ れ る
は"千 枚 は
の 性 質 は壁 開(ヘ
キ カ イ)と い い ます が,雲 母 の 原 子 配 列 の特 徴 を
反 映 し た も の で す.Si-O四
面 体 が 平面 的 につ な
が っ て い る構 造 が 基 本 とな っ て い ま す.単 位 構 造
粘 土 を作 る鉱 物 の結 晶 の サ イ ズ や 結 晶 性 の 程 度 に
の 中 に 雲 母 は このSi-O四
は普 通 の鉱 物 と比 べ 著 しい 違 い が あ る こ と も多 く
面 体 シ ー トを1枚
面 体 シ ー トを2枚
含 み ます.カ
と八
オ リ ン鉱 物 で は そ
101
上原誠一郎
表1層
状珪酸 塩鉱 物(粘 土鉱物)の 分類 の基礎 事項
(1)構 造的 な特 徴 …
土 鉱 物 が た くさ ん あ り ます.
この 解 説 で は層 状 珪 酸 塩 に属 す る粘 土 を 中 心 に
説 明 し ま す の で,そ れ 以 外 の 通 常 粘 土 鉱 物 と して
珪 酸 塩層 のタイプ
取 り扱 わ れ る もの に つ い て は,以 下 に,簡 単 に 示
四 面体 シー ト・八 面 体 シー トの組み 合 わせ1:1層2:1層
(2)化 学的 な特 徴 …
粘土科学
八面 体 陽イオンの 種 類(3八 面 体,2八
面体)
珪 酸塩 層 の電荷,層 間 陽イオン
し ます.
(1)非
結 晶 質 お よ び準 晶 質 粘 土
ア ロ フ ェ ン(allophane)は
珪 酸 塩 でsiO2/Al203モ
れ そ れ1枚 ず つ 含 ん で い ます.
雲 母 は英 語 で はmicaで,マ
り ます.マ
イ カ と呼 ぶ 時 も あ
イ カ は鉱 物 種 の 名 で は あ り ませ ん.鉱
イ カ 族 に属 す る 種 類 の 鉱 物 の 族 名
(groupname)で
す.よ
く知 ら れ て い る 白 雲 母
(muscovite)は 種 名 で,ア ル ミニ ュ ウム を含 む も
の で す.黒 雲 母(biotite)は 系 列 名 で マ グ ネ シ ュ ウ
ム を多 く含 む 金 雲 母(phologopite)と
む鉄 雲母(annite)の
ル 比(珪 ば ん 比)が1.0∼
子 顕 微 鏡 下 で 直 径35-40Aの
中空状 球状
粒 子 の集 合 を な し ます.
物 の 種(species)は 結 晶 の 構 造 と化 学 組 成 で 定 義
され ます.マ
2.0で,電
含 水 ア ル ミニ ュ ウ ム
鉄 を 多 く含
固溶 体 組 成 全 体 を表 し ま す.
イ モ ゴ ラ イ ト(imogolite)は 珪 ば ん比 が1で
応 す る 含 水 鉄 珪 酸 塩 で す が,そ
の構 造 や 性 質 に は
不 明 な 点 が 多 く残 され て い ます 。
フ ェ リハ イ ドラ イ ト(ferrihydrite)は 含 水 酸 化
鉄 で す.数nmの
超 微 細 結 晶 の集 合 体 で,最
こ の よ うに 層 状 珪 酸 塩 は結 晶 構 造 に よ り族 に 分 類
多 く報 告 さ れ る よ うに な っ て き ま した.地
さ れ,さ
の風 化 物 や 温 泉 の沈 殿 物 に 含 まれ て い ま す.
らに 化 学 組 成 に よ り細 か く分 類 さ れ て い
ま す.
微
細 な チ ュー ブ の 集 合 体 か ら な ります.
ヒ シ ン ゲ ラ イ ト(hisingerite)は ア ロ フ ェ ン に対
近,
表環境
オ パ ー ル(opal)は 水 を含 む 酸 化 ケ イ素 で す.
鉱 物 中 の 原 子 配 列 はX線 回 折 法 で 調 べ る事 が 出
代 か ら始 ま った この 実 験 法 で 比 較
(2)結
晶質 粘土
的 大 きな 結 晶 を 作 る鉱 物 の 原 子 配 列 は次 々 と解 明
(a)層
状珪 酸塩以外 の珪酸 塩
来 ます.1910年
され て い き ま し た.し か し,粘 土 鉱 物 は一 般 に 非
常 に結 晶 が 小 さ く,X線
単 結 晶 法 で は原 子 配 列 を
求 め る こ とが 出 来 ませ ん.そ
れ で,粘 土 鉱 物 の 研
沸 石(zeolite)は(Si,Al)04四
面体 が 頂 点 酸 素 を
共 有 し て3次 元 の骨 組 み を作 るテ ク ト珪 酸 塩 に属
し ます.一
般 に化 学 式 はAx(Si,Al)yO2z・nH2O,
究 者 はい ち早 く1950年 代 に電 子 顕 微 鏡 を取 り入 れ
A=Na,Ca,Kな
て 研 究 を始 め て い ます.そ
物 は非 常 に美 し い 六 角 板 状 結 晶 を示 す こ とや ハ ロ
鉱 物 と比 べ て 結 晶 の 大 き さ は は るか に大 き くサ イ
ズ的 に は粘 土 鉱 物 で は あ り ませ ん が,そ の立 体 構
イ サ イ ト ・ク リ ソ タ イル が チ ュ ー ブ状 の 形 態 を し
造 の な か に 大 き な空 孔 が あ り水 分 子 と交 換 性 陽 イ
めす こ とが わ か りま した.当
オ ンが 含 まれ て い ま す.そ
の 結 果,一 部 の 粘 土 鉱
時 の電 子 顕 微 鏡 は現
どで 表 現 さ れ ます.一
れ で,イ
般 の粘土
オ ン交 換 性 や
代 の装 置 に比 べ る と性 能 は悪 く,原 子 ス ケ ー ル の
吸 湿 性 が あ り,層 状 珪 酸 塩 の 粘 土 鉱 物 に見 られ る
観 察 は高 分 解 能 電 子 顕 微 鏡 法 の 登 場 まで 待 た ね ば
特 徴 と一 致 し て お り粘 土 鉱 物 の仲 間 に 入 り ま す.
な り ませ ん で した.1980年
(b)層
代 に普 及 した 高 分 解 能
電 子 顕 微 鏡 法 は 粘 土 鉱 物 の研 究 に大 きな 進 歩 を与
え ま した.そ
の 結 果,従 来,層
状 珪 酸 塩 に分 類 さ
れ て い た粘 土 鉱 物 の一 部 は 四 面 体 シー トが2次
元
状 珪 酸 塩 に近 い 構 造
セ ピ オ ラ イ ト(sepiolite)は マ グ ネ シ ュ ウ ム の含
水 珪 酸 塩 で2:1リ
ボ ン構 造 を と り ます.リ
ボン
状 に配 列 した 四面 体 シー トが 頂 点 を逆 転 し な が ら
的 に無 限 に 広 が る構 造 ば か りで な く四 面 体 シ ー ト
隣 の リボ ン状 に配 列 した 四 面 体 シー ト とつ な が り
が 反転 した り,連 結 が切 れ て 鎖 状 の四 面 体 シ ー ト
ます.一
を持 つ構 造 を とる こ とな どが 明 らか に な りつ つ あ
ります.し
か し,微 細 な 結 晶 の 場 合,解 析 が 難 し
く詳細 な 結 晶 構 造 が 不 明 の ま ま の こされ て い る粘
方,八 面 体 シー トは連 続 して い ませ ん.
カ ー ロ ス タ ー ナ イ ト(carlosturanite)は 蛇 紋 石
に似 た 構 造 で す が連 続 した 八 面 体 シー ト と リ ボ ン
状 の 四 面 体 シ ー トか ら な っ て い ます.四
面 体 シー
第40巻
粘土の構造 と化学組成
第2号(2000)
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トは 連 続 し て い ま せ ん.
(c)層
状 珪酸塩
Al-O 1.75A
Si-O 1.62A
こ れ に つ い て は 次 の 節 で 説 明 し ま す.
2.粘
土鉱 物 の構 造
2.1粘
土鉱物 の基本構造
層 状 珪 酸 塩 を 作 っ て い るSi-O四
面 体 の2次
的 な つ な が り を 四 面 体 シ ー ト(tetrahedral
と い い ま す(図1).こ
うAl-O,Mg-O等
sheet)
の 四 面 体 シー トと組 み 合
の 八 面 体 の 網 状 の つ な が りは
八 面 体 シ ー ト(octahedral
(図2).八
元
sheet)と
呼 ば れ ま す
面 体 シ ー ト に 入 る 陽 イ オ ン がAl3+な
ど 三 価 の イ オ ン の 場 合 は 図2に
示 し た よ う に1/3
の 空 席 が で き ま す が,Mg2+な
ど二 価 の イ オ ン の
場 合 は す べ て の 八 面 体 陽 イ オ ン位 置 が 満 席 に な っ
て い ま す.こ
(dioctahedral),3八
れ ま す.四
れ ら は そ れ ぞ れ,2八
面 体
面 体(trioctahedral)と
呼 ば
面 体 シ ー ト と八 面 体 シ ー ト は 陽 イ オ ン
を 幾 つ か の 陰 イ オ ン が 囲 む こ と に よ りで き る 多 面
体 が つ な が っ た 構 造 を と り ま す.二
a,bは
そ れ ぞ れ 約5.2,9.OAで
次元的 な周期
す.両
シー トと
四 面 体 シ ー トを 作 る 陽 イ オ ン の イ オ ン 半 径
Fe3+0.64,Al3+0.51,
si4+0.42,P5+0.35,B3+0.23A
図1四
面 体 シ ー ト(理 想 構 造)
八 面 体 シ-ト を作 る 陽 イオ ンの イオ ン半 径
Al3+0.51,Fe3+0.64
Mg2+0.66,Li+0.68,Ni2+0169,Fe2+0.74,Mn2+0.80A
図2八
面 体 シ ー ト(理 想 構 造)
左 図:2八
面 体 シ ー ト 右 図:3八
面体 シー ト
103
上 原誠 一郎
もそ の厚 さ は 約2.2Aで
合 っ て1:1層
す.こ
の 両 シー トが組 み
あ る い は2:1層
と呼 ばれ る複 合
粘土科学
(OH)2),タ
ル ク(Mg3Si4010(OH)2)が
こ の2種
の 鉱 物 の2:1層
層(珪 酸 塩 層,silicate layer)が 作 られ ます.1:
1層 が積 み重 な っ て で きる構造 を1:1型
構 造,
が,多
2:1層
負 の 電 荷 を 示 し ま す.こ
が 積 み重 な っ て で き る構 造 を2:1型
構
の 鉱 物(x2.3(si,Al)4010(oH)2)
で は 内 部 の 陽 イ オ ン置 換(Si4+→Al3+)に
図3に1:1層
の構 造 を示 し ます.代
表 的 な1
の鉱 物 は カ オ リ ン と蛇 紋 石 が あ ります.化
負 正 負 …
電 荷 互 層 か ら な る3次
作 り ま す.こ
の と き の2:1層
学 式 は そ れ ぞ れAl2si205(oH)4,Mg3si205(oH)4
電 荷(layercharge)と
とな ります.四 面 体 側 の表 面 は 底 面 酸 素,八 面 体
Al)4010(OH)2)当
側 の 表 面 はOH基
2:1層
面OHと
よって
の た め に層 間 に 正 の 電 荷
を 持 つ 陽 イ オ ン そ の 他 の 層 間 物 質 を は さ ん で,正
造 とい い ます.
:1層
く の2:1層
あ り ま す.
は電 気 的 に は 中 性 で す
か ら な り ます.底
面 酸 素 と表
は 配 列 は ち が い ま す が,個
数 は同 じで
積 層 す る と き に0とOHの
対 を 作 り水 素 結 合 が
形 成 され ます の で,1:1層
晶 が で き ます.し
の み で3次 元 的 な結
か し,層 の 広 が り は極 性 の た め
元 の 結 晶 を
の 負 電 荷 を層
呼 び,単
位 組 成 式(X2.3(Si,
た り の 電 荷 の 絶 対 値 で 示 し ま す.
の 鉱 物 は こ の値 に よっ て 分 類 され て い ま
す(表2,図5).タ
雲 母,雲
ル ク,パ
イ ロ フ ィ ラ イ ト0:
母 粘 土 鉱 物0.6-1.0:脆
0.8-1.2:バ
ト0.2-0.6で
雲 母 ∼2:緑
ー ミ キ ュ ラ イ ト0.6-0.9:ス
す.表3に
は代 表 的 な 層 状 珪 酸 塩 鉱
にバ ラ ンス を失 い や す く,層 が 湾 曲 す る こ と もあ
物 の 化 学 組 成 を ま と め ま し た.化
り大 きな平 板 結 晶 は で きに くい と考 え られ て い ま
Fleischer
す.実 際,粘 土 サ イ ズ として 産 出 す る こ とが 多 く,
た.
and
泥石
メクタイ
Mandarino(1995)か
学 式 は主 に
ら引 用 し ま し
肉 眼 的 サ イ ズ の 単 結 晶 の産 出 は 極 め て まれ で す.
X線 単 結 晶法 に よ る構 造 解 析 の 報 告 例 は余 り多 く
2:1層
2.2ミ
ス フ ィッ ト
こ こ で は 理 想 構 造 を 示 し ま し た が,現
あ り ませ ん.
は層 面 に垂 直 な 方 向 に 関 し て対 称 的 で
実の構造
で は 四 面 体 シ ー ト と八 面 体 シ ー ト の 横 方 向 の 大 き
あ り,両 表 面 は い ず れ も四面 体 の 酸 素 か らな り ま
さ に 違 い が あ り ま す.こ
す(図4).そ
正 多 面 体 か ら な る 理 想 構 造 か ら の 変 形 が 認 め られ
れ で,雲
母 や 緑 泥 石 は 大 きな 板 状
結 晶 に成長 す る こ と もあ り ます.2:1層
のみの
積 層 で で き る鉱 物 に パ イ ロ フ ィ ラ イ ト(Al2Si4010
図3
1:1層
の構造
れ を ミス フ ィ ッ ト と呼 び,
ます.水 酸 化 鉱 物 の ギ ブ サ イ ト(Al(OH)3)と
サ イ ト(Mg(OH)2)の
図4
値 を 基 に2八
2:1層
の構 造
ブル ー
面体 シー トと
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粘土の構造 と化学組成
第2号(2000)
表2粘
土鉱物 に関係 ある層状 珪酸塩鉱物の分類
xは 単 位組成 式あ た りの層電 荷.
*最
近 に種 名で はな く,系 列名 と して用 い るこ とが合 意 され てい ます.
1: 1 layer (T-O layer)
図5層
2: 1 layer (T-O-T layer)
状珪酸塩鉱物 の構造模式 図
104
105
粘土科学
上 原誠 一 郎
表3層
蛇 紋 石-カ
タ ル ク-パ
状珪酸塩鉱物 の化 学組 成
オ
リ ン 族Serpentine-kaolin
Group
イ ロ フ ィ ラ イ ト族Talc-pyrophyllite
ス メ ク タ イ ト族Smectite
Gmup
Group
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バ ー ミ キ ュ ラ イ ト族vbrmlculite
雲 母 族Trne
*:biotite
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粘土 の構造 と化学組成
Mica
Gmup
Gmup
, lepidoliteは 種 名 で は な く系 列 名 と して 使 用 す べ き で あ る と 合 意 さ れ て い ま す.
層 間 欠 損 型 雲 母(interlayer-deficient
和 名(系 列 名)
End
member
micas)
formulas
and
typical ranges
2八 面 体型
3八 面体 型
ウ ォ ンネ サ イ ト
*:端
成 分 で は ない 種.
wonesite*
Na0.50.5
Mg 2.5
Al0.5
AlSi3O10
(OH) 2
107
粘土科学
上原 誠 一 郎
脆 雲 母 族Brittle
緑 泥 石 族Chlorile
Mica
混 合 層 鉱 物Regulary
Gmup
Group
interstratified
Minerals
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粘土の構造 と化学組成
108
3八 面体 シー トの6軸 の 長 さ を 求 め る とそ れ ぞ れ
8.64Aと9.36Aに
Si-O=1.618Aと
b=9.15Aと
な り ま す.四
面 体 シー トは
し て 理 想 構 造 を と る とす れ ば
な り ま す.四 面 体 のSiはA1に
置 換 され ます の で,AIIV-O=1.748Aと
す る とb=9.89Aと
な り ま す.こ
b(si1-xAlx)=9.15A+0.74xと
より
して計 算
の 関係 か ら
(a)
近 似 され,(Si3Al)
組 成 の 四 面 体 シ ー トで はb=9.40Aと
な りブル ー
サ イ トか ら求 め た3八 面 体 シー トの 値 に近 くな り
ます.
これ らの理 想 構 造 か ら計 算 した 横 方 向 の大 き さ
か ら2:1型
の 雲 母 族 の ミス フ ィ ッ トを考 え て み
ま す.3八
面 体 型 金 雲 母 の 両 シ ー トの 大 き さ は
9.36Aと9.40Aで
で す.2八
四 面 体 シ ー トが 僅 か に大 き な値
(b)
面 体 型 の 白雲 母 で は8.64Aと9.40Aで
か な り四 面体 シ ー トが 大 き くな り ます.ま た,1:
1型 の 蛇 紋 石 一 カ オ リン族 で は3八 面 体 型 の 四 面
体 シー トが 相 対 的 に小 さ(,逆
に2八 面 体 型 の 四
面 体 シー トが 相 対 的 に大 き くな りま す.こ の た め
に,2八
面 体 型 の鉱 物 中 の 四 面 体 シ ー トは底 面 酸
素 の三 角 が シー ト面 上 で 交 互 に 反 対 方 向 に回転 す
図6四
る こ と に よ り,横 方 向 の サ イ ズ を 小 さ くして,八
面 体 シー トと連 結 して い ます.こ
れ を 四面 体 の 回
転(tetrahedral rotation)と 呼 び ま す.回 転 方 向
は連 結 した八 面 体 シ ー ト中 の 陽 イ オ ン に底 面 酸 素
が 近 づ く方 向 で あ り,回 転 角 度 は 十 数 度 以 内 の こ
とが 多 い で す.図6は
理 想 構 造 の 四 面 体 シ ー トと
四 面 体 の 回転 角23゜ の 四面 体 シー トを比 較 した も
面体 の回転 によ る変形
(a)理 想構造(b)回 転角23゜
点線は理想構造の単位胞
実線 は回転変形 した時の単位胞
して,2八
面 体 型 のハ ロ イ サ イ トは 四面 体 シー ト
を外 側 に し て い ます.図7に
ク リ ソタ イ ル の 四 面
理 想 構 造 と回 転 変 形 した とき の
体 シー トを示 し ます.内 直 径60Aで 一 枚 の 四 面 体
シ ー トの み を示 し,八 面 体 シ ー トは省 略 して い ま
単 位 胞 を示 して い ます が,四 面 体 シ ー トは横 方 向
す.電 子 顕 微 鏡 を用 い て観 察 さ れ た 結 果 で は外 直
に10%程
径150-500A,内
の で す.図6(b)に
度 大 き さ を 縮 小 で き ま す.四
を よ りイ オ ン半 径 の 大 きなAlが
面 体 のSi
置 換 した脆 雲 母
直 径20-150Aの
形 を な して い ま す.そ
チ ュ ー ブ状 の 外
の断 面 は 同 心 円状 また は ら
族 の ク リン トナ イ トの 四 面 体 回転 角 が23.で あ る
こ とが知 られ て い ます.ま た,白 雲母 で は1H3。,
せ ん状 で す.
金 雲 母 で は6-8.の
実 際 に は八 面 体 シ ー ト も変 形 して い ます が,八 面
層 が 四 面 体 シー トを反 転 し なが らつ な が り,緩 や
か な波 の 大 き な 周 期(35-50A)を
持 った 超 構 造
体 は稜 を共 有 し て い るた め に変 形 の 程 度 は小 さい
を作 る こ と もあ り ます(ア
もの で す.
この場 合 に は 四 面 体 と八 面体 の 組 成 比 は理 想 式 か
さ らに,両
回 転 角 度 に な っ て い ます.
シ ー トの ミス フ ィ ッ トを層 が湾 曲 し
て解 消 して い る場 合 が あ ります.1:1層
の鉱 物
また,3八
面 体 シー トを外 側 に 湾 曲 した1:1
ンチ ゴ ラ イ ト,図8).
らずれ て,四 面 体 の割 合が 僅 か に大 き くな ります.
さ ら に,Mgよ
り も イ オ ン 半 径 の 大 き なFeや
で は大 きい 方 の シ ー トを外 側 に して 層 が 湾 曲 し,
Mnか
チ ュ ー ブ状 の 形 態 を と る こ と さ え も あ り ます.3
ラ イ トで は2次 元 的 に四面体 シー トの反 転 が起 こっ
八 面 体 型 の ク リソ タ イ ル は八 面 体 シー トを外 側 に
て さ ら に複 雑 な構 造 を とっ て い ます.
らな る蛇 紋 石 の グ リー ナ ライ トや カ リオ ピ ィ
109
上 原 誠 一郎
図7ク
図8ア
リソタイルの四面体 シー ト
ンチ ゴ ラ イ トの 結 晶 構 造
粘土科学
第40巻
2.3ポ
110
粘土の構造 と化学組成
第2号(2000)
リ タイ プ
1M,2M,3T,6FIな
層 状 珪 酸 塩 の単 位 構 造 は次 々 に積 み 重 な っ て3
どが 用 い られ ます.Mは
単斜
三 方(trigonal),Hは
六方
系 を意 味 して い ます.す
な わ ち,
(monoclinic),Tは
次 元 の 立 体 構 造 を作 り ます.こ の と き単 位 構 造 層
(hexagonal)晶
は 同 じで あ っ て も,積 み 重 な りの 上 下 間 の位 置 関
2Mは
係 が異 な る場 合 が あ り ます.そ の 結 果,結
の 単 位 胞 の形 を と る もの を い い ま す.も
晶構造
単 位 胞 中 に 単 位 構 造 層2枚
を含 み 単 斜 晶 系
し,同 じ
全 体 で は,単 位 胞 の 形 ・大 き さや そ の 中 に含 まれ
晶 系 に属 し,同 じ枚 数 を持 つ異 な る 単 位 胞 の形 を
る単 位 構 造 層 の数 を異 にす る多 くの異 な っ た構 造
取 る ポ リタ イ プ が 存 在 す る と き に は 添 え字 を つ け
が 形 成 され ます.層 状 構 造 を も った 物 質 に み られ
て2M1,2M2と
る この よ う な現 象 を ポ リテ ィピ ズ ム(polytypism)
と呼 び ま す.そ
し て,個
(polytype)と い い ます.同
区別 して い ます.
雲 母 の2:1層
々 の 構 造 を ポ リタ イ プ
内 で は八 面 体 シ ー トを は さ ん で
向 か い合 う二 枚 の 四 面 体 シー トはx軸 方 向 に理 想
一 の 化 学 組 成 で異 な る
構 造 で 一a/3だ け ず れ て い ます(図4).最
も簡 単
結 晶構 造 を示 す現 象 を多 形(同 質 異 像)と い い ます.
な ポ リタ イ プ は-a/3の ず れ が 同 じ方 向 で 繰 り返
例 え ば,石 墨 と ダ イ ヤ モ ン ド(何 れ も炭 素 か ら 出
す も ので,1枚
来 て い る鉱 物)の 関 係 で す.ポ
1M'と な り ます.こ
形 の一 種 に な り ます が,多
リテ ィ ピ ズ ム は多
方,ポ
イ プ は これ らの条 件 の差 が 無 い か,あ
っ て もわ ず
の ず れ の 方 向 が120.ず
つ左
と右 に 交 互 に 回 転 し て い る の が2M1で120.左
形 は温 度 や 圧 力 な どの
生 成 条 件 が 異 な る と き に 生 じ ます.一
の 雲 母 層 を単 位 胞 とす る単 斜 格 子
リタ
(あ る い は右)の
の20r,600左
か な もの で す.
回 転 を繰 り返 す3鱈180.回
転
と右 回 転 を交 互 に と る2M2,600
左(あ る い は右)を 繰 り返 す6FIが あ り ます(図9).
この6通
雲 母 で は多 数 の ポ リタ イ プが 知 られ て い ます.
りが 雲 母 の よ く知 られ て い るポ リタ イ プ
ポ リタ イ プ を 区別 す る記 号 と して,単 位 胞 に含 ま
で す が,さ
れ る単 位 構 造 の数 と単 位 胞 の 結 晶 系 を 示 す 記 号,
数 報 告 され て い ます.し か し,一 般 の 雲 母 粘 土 鉱
3T
2Or
1M
2M2
2M1
図9雲
雲 母 層 に垂 直 な 方 向 か ら投 影.→
転 させ て示 した.2Ml,2M2の
は-a/3の
6H
母 のポ リタイプ
ず れ を 示 す.ポ
太 線 は単 位 胞 を示 す.
ら に複 雑 な積 層 を持 つ ポ リ タイ プ も多
リタ イ プ の層 の 積 み 重 な りを雲 母 単 位 層(細 線)を
回
111
上 原誠 一 郎
物 で は 乱 れ た 積 層 を 持 つ1Mdと
イ プが 最 も多 く,1M,2M1が
呼 ばれ る ポ リタ
これ に つ づ き ま す.
カオ リン鉱 物 は2八 面 体 型1:1層
る構 造 を とっ て い ます.1930年
が積 み重 な
代 の始 め に そ の 中
に3種 類 の 構 造 の 異 な る 鉱 物,カ
オ リナ イ ト,
粘 土科学
引 用 文 献
Brindley,
G.
W.
Structure
ray
G. ed.(1980)
Minerals
and
Crystal
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Mineralogical
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pp.495.
白 水 晴 雄 (1988)
され ま した.こ
れ ら は ポ リタ イ プ の 関係 に あ り ま
Fleischer,
す.現 在 で は ポ リタ イ プ は 独 立 した鉱 物 種 と して
sary
は認 め な い こ と に な っ て い ます が,歴 史 的 な 経 緯
neralogical
鉱 物 名 が 与 え られ て い ま す.
Brown,
Clay
Identification.
London,
デ ィ ッ カ イ ト,ナ ク ラ イ トが あ る こ とが 明 らか に
もあ り,カ オ リン鉱 物 の 場 合 は例 外 的 に独 立 した
and
of
M.
of
粘 土 鉱 物 学,
and
朝 倉 書 店,
Mandarino,
Mineral
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