方解石

方解石
左上から時計回りに: 斜方晶系、菱形系、鍾乳石系、ブドウ状方解石
一般的な
カテゴリ	炭酸塩鉱物
式 （繰り返し単位）	炭酸カルシウム
ストルンツ分類	5.AB.05
結晶系	三角
クリスタルクラス	六角不等辺三角形 ( 3 m) HM記号: ( 3 2/m)
空間群	R3c​​
単位セル	a = 4.9896(2)  Å、 c = 17.0610(11) Å; Z  = 6
識別
色	通常は無色またはクリーム色ですが、茶色がかった色合いになることもあります。
クリスタル習慣	ブドウ状、凝灰岩状、晶洞状、球状、粒状、塊状、菱面体状、不等辺面体状、鍾乳石状
姉妹都市	4つの双子の法則に共通
胸の谷間	74° 55'の角度で{10 1 1}の3方向で完璧[1]
骨折	貝殻状
粘り強さ	脆い
モース 硬度	3 (鉱物の定義)
光沢	劈開面はガラス質から真珠様
連勝	白
透けて見える	透明から半透明
比重	2.71
光学特性	一軸（−）；低浮き彫り
屈折率	n ω = 1.640–1.660 n ε = 1.486
複屈折	δ = 0.154–0.174
融着性	不溶性（精力的に衰弱する）[2]
溶解度	希酸に可溶
その他の特徴	南西および南西の紫外線下では赤、青、黄色などの蛍光を発することがある。燐光性
参考文献	[3] [4] [5]

方解石は炭酸塩鉱物であり、炭酸カルシウム(CaCO ₃ )の最も安定した多形です。特に石灰岩の成分として非常に一般的な鉱物です。方解石は、引っかき硬度の比較に基づく鉱物硬度のモース硬度スケールで硬度 3 を定義します。大きな方解石結晶は光学機器に使用され、主に方解石で構成される石灰岩はさまざまな用途に使用されています。

炭酸カルシウムの他の多形には、アラゴナイトとバテライトという鉱物があります。アラゴナイトは300℃を超える温度では数日以内に方解石に変化しますが、^{[6] [7]}バテライトはさらに不安定です。

方解石はドイツ語のCalcitに由来しており、これは19世紀の用語で、石灰を意味するラテン語calx（属格はcalcis）に鉱物名に使われる接尾辞-iteがついたものである。つまり、方解石はchalkという単語の二重語である。^[8]

考古学者や石材取引の専門家がアラバスターという言葉を使う場合、地質学や鉱物学では石膏の一種を指すのに使われるが、アラバスターに似た外観の半透明の細粒の縞状方解石の堆積物を指す場合にも使われる。 ^[9]

出版物では、方解石結晶を含む六方晶および菱面体晶の方向を記述するために、 2 つの異なるミラー指数セットが使用されています。つまり、方向には3 つのミラー指数h、k、l が使用され、方向には4 つのブラヴェ・ミラー指数h、k、i、l が使用されます。ここで、は冗長ですが、順列対称性を視覚化するのに役立ちます。 ${\displaystyle a_{1},a_{2},c}$ ${\displaystyle a_{1},a_{2},a_{3},c}$${\displaystyle i}$

複雑さを増すのは、方解石の単位格子にも 2 つの定義があることです。1 つは、より古い「形態的」単位格子で、通常はゴニオメーターを使用して結晶面間の角度を測定し、適合する最小の数値を探すことで推定されました。後に、「構造的」単位格子はX 線結晶構造解析を使用して決定されました。形態的単位格子は菱​​面体形で、おおよその寸法はa = 10 Åおよびc = 8.5 Åです。一方、構造的単位格子は六角形(つまり菱形 柱) で、おおよその寸法はa = 5 Åおよびc = 17 Åです。同じ配向の場合、形態的単位から構造的単位に変換するには、 c を4 倍にする必要があります。たとえば、方解石の劈開は、形態座標では「{1 0 1 1} 上で完全」、構造単位では「{1 0 1 4} 上で完全」と示されます。指数では、これらはそれぞれ{1 0 1}と{1 0 4}です。双晶、劈開、結晶形は形態学的単位で与えられることが多いです。^{[4] [10]}${\displaystyle \{hkl\}}$

方解石の特徴的な特性としては、モース硬度が3、比重が2.71、結晶質のものはガラス質光沢があることが挙げられます。色は白または無色ですが、鉱物に不純物が含まれていると、灰色、赤、オレンジ、黄色、緑、青、紫、茶色、さらには黒の色合いになることもあります。^[4]

方解石には数多くの晶癖があり、1000種類を超える結晶学的形態の組み合わせが存在します。^[3] 最も一般的なのは、面が六方晶系の{2 1 1}方向（形態学的単位格子）または{2 1 4}方向（構造的単位格子）にある偏斜面体と、面が{1 0 1}方向または{1 0 4}方向（最も一般的な劈開面）にある菱面体です。^[10]晶癖には、鋭角から鈍角の菱面体、板状の晶癖、角柱、またはさまざまな偏斜面体があります。方解石は、観察される晶癖に加えて、いくつかの双晶型を示します。繊維状、粒状、層状、または緻密な形で発生することがあります。繊維状の白華晶癖はルブリナイトとして知られています。^[11]劈開は通常、菱面体の形状に平行な3方向で起こります。その破砕は貝殻状ですが、得るのは困難です。

偏斜面体はキラルであり、鏡像対称性を持つペアで存在する。その成長は、L-アミノ酸やD-アミノ酸などのキラル生体分子との相互作用によって影響を受ける可能性がある。菱形面体はキラルではない。^{[10] [12]}

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  菱面体方解石
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  偏斜面体方解石
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  柱状方解石
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  柱状方解石
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  鍾乳石方解石
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  六方晶方解石
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  十二面体方解石
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  双錐方解石
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  晶洞方解石
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  双晶方解石
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  球状方解石
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  ブドウ状方解石

方解石は透明から不透明まで様々で、時折燐光や蛍光を発する。透明な種類は「アイスランドスパー」と呼ばれ、光学用途に用いられる。^[13]鋭角偏斜面体結晶は「ドッグトゥーススパー」と呼ばれることがあり、菱面体形は「ネイルヘッドスパー」と呼ばれることがある。^{[2]菱面体形は「}サンストーン」であった可能性もあり、アイスランドのサガにはヴァイキングの航海士が使用したと記されている。^[14]

方解石の単結晶は、複屈折（二重屈折）と呼ばれる光学特性を示します。この強い複屈折により、透明な方解石を通して見た物体は二重に見えます。複屈折効果（方解石を使用）は、 1669年にデンマークの科学者ラスムス・バルトリンによって初めて説明されました。約590nmの波長では、方解石の常屈折率と異常屈折率はそれぞれ1.658と1.486です。^[15] 190nmから1700nmの間では、常屈折率はおよそ1.9から1.5の間で変化し、異常屈折率は1.6から1.4の間で変化します。^[16]

方解石は、主に二価マンガン（ Mn ²⁺）による熱発光特性を持っています。 ^[17]方解石サンプルにMn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Pb、Biなどの活性剤を添加して、熱や光を放出するかどうかを観察する実験が行われました。結果は、イオン（Cu ⁺、Cu ²⁺、Zn ²⁺、Ag ⁺、Bi ^{3+ 、} Fe 2 ⁺、Fe 3+ 、Co ²⁺、Ni ²⁺）を添加しても反応しないことを示しました。^[17] しかし、マンガンイオンと鉛イオンの両方が方解石に存在すると、反応が起こりました。^[17] 温度を変えてグローカーブのピークを観察すると、Pb ²⁺とMn ²⁺は方解石格子内で活性剤として作用しましたが、Pb ^2+はMn ²⁺よりも効率がはるかに低いことがわかりました。^[17]

鉱物の熱ルミネセンスを測定する実験では、通常、X線またはガンマ線を使用してサンプルを活性化し、700〜7500 Kの温度での発光曲線の変化を記録します。^[17]鉱物の熱ルミネセンスは、鉱物中に存在する不純物イオンやその他の結晶欠陥が発光中心と捕捉レベルを供給するため、温度変化などのさまざまな条件下で結晶のさまざまな発光曲線を形成できます。 [17]これらの曲線の変化を観察することは、地質学的相関関係を推測し、年代を決定するのにも役立ちます。 [ ^{17 ]}

方解石は、ほとんどの炭酸塩と同様に、次の反応により酸に溶解する。

CaCO ₃ + 2 H ⁺ → Ca ²⁺ + H ₂ O + CO ₂

この反応によって放出される二酸化炭素は、方解石サンプルを酸で処理すると特徴的な発泡を生み出します。

二酸化炭素は酸性のため、方解石をわずかに溶解させる効果があります。全体的な反応は

CaCO ₃ (秒) + H ₂ O + CO ₂ (水溶液) → Ca ²⁺ (水溶液) + 2HCO−3(あ)

溶存二酸化炭素の量が減少すると、反応が逆転して方解石が沈殿する。その結果、水温、pH、溶存イオン濃度などの要因に応じて、方解石は地下水によって溶解するか、沈殿するかのいずれかになる。沈殿に適した条件であれば、方解石は鉱物コーティングを形成し、岩石粒子を接着し、亀裂を埋めることができる。溶解に適した条件であれば、方解石が除去されると岩石の多孔性と浸透性が劇的に増加し、長期間続くと洞窟の形成につながる可能性がある。炭酸カルシウムを豊富に含む地層の溶解が続くと、洞窟系の拡大と最終的な崩壊につながり、さまざまな形のカルスト地形が生じる可能性がある。^[18]

方解石は逆溶解性と呼ばれる珍しい特性を示します。温度が上昇すると水への溶解度が低下します。また、方解石は圧力が高いほど溶解度が高くなります。^[19]

純粋な方解石の組成はCaCO ₃である。しかし、石灰岩中の方解石には数パーセントのマグネシウムが含まれていることが多い。石灰岩中の方解石は、マグネシウム含有量が 4 パーセントの地点で低マグネシウム方解石と高マグネシウム方解石に分けられる。高マグネシウム方解石は方解石鉱物構造を保持しており、ドロマイトMgCa (CO 3 ₎ 2_とは異なる。^[20]方解石には少量の鉄とマンガンも含まれることがある。^[21]マンガンが不純な方解石の蛍光の原因である可能性があり、微量の有機化合物も同様である可能性がある。^[22]

方解石は世界中で発見されており、その主な世界分布は次のとおりです。

方解石は米国のさまざまな地域で採掘されています。最も良い例の1つはミシガン州の方解石採石場です。 ^[23]方解石採石場は世界最大の炭酸塩鉱山であり、85年以上にわたって使用されています。^[23]これらの大規模な露天掘り鉱山からは大量の方解石を採掘できます。

方解石はカナダ全土で発見されており、カナダのオンタリオ州にあるソロルド採石場やマダワスカ鉱山などで見つかっています。^[24]

メキシコのチワワ州サンタ・エウラリア鉱山地区では方解石が豊富に採掘されている。^[25]

アイスランドでは、大量の方解石がヘルグスタディル鉱山に集中している。^[26]この鉱山はかつて「アイスランドスパー」の主な採掘場所であった。^[27]しかし、現在は自然保護区となっており、方解石の採掘は許可されていない。^[27]

方解石は、イングランドのアルストン・ムーア、エグレモント、カンブリアのフリジントンなどの地域で発見されています。^[26]

ハルツ山地のザンクト・アンドレアスベルクとザクセン州のフライベルクでは方解石が見つかる。^[26]

古代エジプト人は方解石を彼らの女神バステトと関連づけて多くの品物を彫刻した。その密接な関連性から、バステトの名前がアラバスターという用語の由来となった。他の多くの文化でも、同様の彫刻品や用途にこの素材が使われている。^[28]

アイスランドスパーと呼ばれる透明な方解石は、曇りの日に航海するためにバイキングが使用していた可能性がある。方解石の非常に純粋な結晶は、偏光がメインビームからわずかにずれているため、太陽光線を2つの画像に分割することができる。結晶を通して空を観察し、2つの画像が同じ明るさになるように結晶を回転させるだけで、曇り空でも太陽を取り囲む偏光のリングを見ることができる。太陽の位置を特定することで、船乗りは長い航海で航海する際の基準点を得ることができる。^[29]

第二次世界大戦では、高品質の光学方解石が銃の照準器、特に爆撃照準器や対空兵器に使用されました。^[30]ポラロイド写真板が発明される前には偏光子（ニコルプリズム）として使用され、現在でも光学機器に使用されています。^{[31]また、方解石を}透明マントに使用する実験も行われています。^[32]

微生物沈殿方解石は、土壌修復、土壌安定化、コンクリート補修など幅広い用途に使用されています。^{[33] [34]}また、尾鉱管理にも使用でき、鉱業の持続可能な開発を促進するように設計されています。^[35]

方解石は、沈降炭酸カルシウム（PCC）（主に製紙業界で使用）の合成を助け、炭酸化を促進します。^[36]さらに、菱面体、六角柱などの特定の結晶習性により、特定の形状と粒子サイズのPCCの生成を促進します。^[36]

カララ大理石80kgのサンプルから採取された方解石[ ^{37 ]は}、質量分析法におけるδ18Oとδ13Cの較正のためのIAEA -603同位体標準として使用されている^[38]。

方解石は天然または合成で生成される。しかし、人工方解石は、その制御可能で再現可能な特性のため、骨組織工学における足場として使用される材料として好まれている。^[39]

方解石は、シアノバクテリアの過剰な増殖によって引き起こされる水質汚染を軽減するために使用できます。湖や川は富栄養化によりシアノバクテリアの大量発生を引き起こし、水資源を汚染します。^[40]リン（P）はシアノバクテリアの過剰な増殖の主な原因です。^[40]方解石は活性キャッピング材料として、堆積物から水中へのPの放出を減らすのに役立ち、シアノバクテリアの過剰増殖を抑制します。^[40]

方解石は堆積岩、特に石灰岩の一般的な成分で、その多くは死んだ海洋生物の殻から形成されます。堆積岩の約 10% は石灰岩です。変成 大理石の主成分は石灰岩です。また、温泉の鉱脈鉱物として、洞窟の鍾乳石や石筍として、またカーボナタイト、キンバーライト、まれにペリドタイトなどの火山岩やマントル起源の岩石にも存在します。

サボテンにはシュウ酸カルシウムのバイオミネラルが含まれています。サボテンが死ぬと、これらのバイオミネラルが環境中に放出され、その後、モノヒドロカルサイト中間体を経て方解石に変化し、炭素を隔離します。^{[41] [42]}

方解石は、プランクトン（円石類や浮遊性有孔虫など）、紅藻類の硬い部分、一部の海綿動物、腕足動物、棘皮動物、一部の蛇虫類、ほとんどのコケムシ類、一部の二枚貝（カキやニシンなど）の殻の一部など、海洋生物の殻の主成分であることが多い。方解石は、前述のようにニューメキシコ州のスノーウィーリバー洞窟で見事な形で発見されており、この洞窟は微生物が自然の形成物であると考えられている。2億5千万年前に絶滅した三葉虫は、透明な方解石結晶を使ってレンズを形成した独特の複眼を持っていた。^[43]また、鳥の卵殻のかなりの部分を方解石が占めており、^食事のδ13Cが殻の方解石のδ13Cに反映されている。^{[ 44]}

記録に残る方解石の最大の単結晶はアイスランド産で、大きさは7m×7m×2m（23フィート×23フィート×6.6フィート）と6m×6m×3m（20フィート×20フィート×9.8フィート）で、重さは約250トンでした。^{[45]古典的なサンプルは}オンタリオ州バンクロフト近郊のマダワスカ鉱山で産出されています。^[46]

繊維状の方解石の層状の平行脈は、採石業界ではビーフと呼ばれることが多く、暗い有機質に富んだ泥岩や頁岩に見られ、続成作用中に流体圧力が上昇することで形成されます。^[47]

方解石の形成は、古典的なテラスレッジキンクモデル^{[48]から、}オストワルド熟成過程を介した非晶質炭酸カルシウム（ACC）のような秩序性の低い前駆相の結晶化、またはナノ結晶の凝集を経て進行するなど、いくつかの経路で進行します。^[49]

ACCの結晶化は2段階で起こります。まず、ACCナノ粒子が急速に脱水・結晶化して、個々のバテライト粒子を形成します。次に、バテライトは溶解・再沈殿のメカニズムによって方解石に変化します。反応速度は方解石結晶の表面積によって制御されます。 ^[50]反応の第2段階は約10倍遅くなります。

しかし、方解石の結晶化は開始pHと溶液中のマグネシウム濃度に依存することが観察されている。混合中の中性開始pHは、バテライト中間体を介さずにACCから方解石への直接変換を促進する。しかし、ACCが塩基性初期pHの溶液中で形成される場合、方解石への変換は上記の経路に従って準安定バテライトを経由して起こる。 ^{[50]マグネシウムはACCの安定性と結晶性CaCO} ₃への変換の両方に注目すべき影響を及ぼし、このイオンがバテライトの構造を不安定化するため、ACCから直接方解石が形成される。

風化した 劈開面上に析出した方解石のエピタキシャル成長は、基質が経験した風化の種類によって形態が異なります。物理的に風化した表面での成長は、Volmer-Weber成長によるシングル形態を呈し、化学的に風化した表面での成長はStranski-Krastanov成長の特徴を呈し、未処理の劈開面上での成長はFrank-van der Merwe成長の特徴を呈します。^[51]これらの違いは、表面粗さが層の合体ダイナミクスに与える影響によるものと思われます。

方解石は、硫酸塩依存性メタンの嫌気性酸化などの微生物の活動に反応して地下で形成されることがあり、メタンが酸化され硫酸塩が還元され、生成された重炭酸塩と硫化物から方解石と黄鉄鉱が沈殿します。これらのプロセスは、方解石の特定の炭素同位体組成によって追跡できます。方解石では、 ¹³ C同位体が極端に減少しており、 PDB（δ ¹³ C）では-125パーミルPDBほどです。^[52]

方解石海は、海水中の炭酸カルシウムの主な無機沈殿物が低マグネシウム方解石 (lmc) であった地球の歴史に存在していた。これは、現在沈殿しているアラゴナイトや高マグネシウム方解石 (hmc) とは対照的である。方解石海は顕生代を通じてアラゴナイト海と交互に現れ、オルドビス紀とジュラ紀に最も顕著であった。系統は、鉱化される時点で海で好ましい炭酸カルシウムの形態を使用するように進化し、進化の歴史の残りの間この鉱物学を保持した。 ^{[53]これらの方解石海の状態の}岩石学的証拠は、方解石ウーイド、lmcセメント、ハードグラウンド、および初期の海底アラゴナイトの急速な溶解から構成される。^[54]炭酸カルシウムの殻を持つ海洋生物の進化は、方解石とアラゴナイトの海中サイクルの影響を受けた可能性がある。^[55]

方解石は、重要な生物学的反応であるフォルモース反応を触媒することが示されている鉱物の1つであり、生命の起源において役割を果たした可能性がある。^{[10]方解石の}キラル表面（形態を参照）とアスパラギン酸分子との相互作用により、キラリティーにわずかな偏りが生じる。これは、生体細胞におけるホモキラリティーの起源の1つの可能性のあるメカニズムである。 ^[56]

気候変動は海洋酸性化を悪化させており、天然の方解石生産量の減少につながる可能性があります。海洋は化石燃料から大気中に排出される大量のCO ₂^{を吸収します。 [57]海洋が吸収する人工}CO ₂の総量は、118 ± 19 Gt Cと計算されています。^[58]大量のCO _{2 が}海に溶解すると、海水の酸性度が上昇し、海のpH値に影響を与えます。^[57]軟体動物、有孔虫、甲殻類、棘皮動物、サンゴなどの海中の石灰化生物は、pH変化の影響を受けやすいです。^[57] 一方、これらの石灰化生物は方解石の重要な供給源でもあります。海洋の酸性化によりpHが低下すると、炭酸イオン濃度が低下し、天然の方解石生産量が減少する可能性があります。^[57]

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  モトラマイトを含む方解石
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  三葉虫の目には方解石が使われていた
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  囊胞状生物Echinosphaerites aurantiumの標本内部にある方解石結晶(オルドビス紀中期、エストニア北東部)
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  方解石の菱面体、まるで花びらの本のような形をしており、マトリックス上に3次元的に積み重なっている。
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  方解石の結晶は斜めに傾いており、表面と結晶表面のすぐ内側に赤鉄鉱の小さな球と黄銅鉱の結晶が含まれています。
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  バイオペルスパライトの再結晶化した二枚貝の殻の中の方解石結晶の薄片
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  方解石のウーイドとスパーリー方解石セメントを含む粒岩。米国ユタ州南部、中期ジュラ紀のカーメル層。
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  シチリア島アグリジェントの硫黄鉱山から採取された、多数の小さな鋭い方解石結晶でできた、よく形成された乳白色の鋳物。
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  中国産の赤みがかった菱面体方解石結晶。その赤い色は鉄分が含まれているためである。
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  コバルトアン、コバルトを多く含む方解石の一種
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  米国サウスダコタ州の砂方解石（砂漠の砂に多く含まれる方解石）
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  方解石、バタフライツイン、4.0 × 3.3 × 1.6 cm。ホセ・マリア・パトニ、サン・フアン・デル・リオ、ドゥランゴ（メキシコ）

ウィキメディア・コモンズには、方解石に関連するメディアがあります。

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「方解石」のテキストがあります。

• 炭酸塩岩
• イカアイト、CaCO ₃ ·6H ₂ O
• 鉱物リスト
• リソクライン
• マンガン方解石、(Ca,Mn)CO ₃
• 一水酸化方解石、CaCO ₃ ·H ₂ O
• ニトラチン
• 海洋酸性化
• ウレキサイト

• Schmittner, Karl-Erich; Giresse, Pierre (1999 年 6 月)。「バイオミネラル化に対するミクロ環境制御: フランス、ルシヨンの第四紀土壌におけるアパタイトと方解石の沈殿の表面プロセス」。堆積学。46 ( 3): 463–476。Bibcode :1999Sedim..46..463S。doi : 10.1046/j.1365-3091.1999.00224.x。S2CID 140680495  。