粘土鉱物

粘土鉱物は含水 アルミニウム 層状ケイ酸塩（例：カオリン、Al ₂ Si ₂ O ₅ ( OH ) ₄ ）であり、惑星の表面またはその近くで見つかる鉄、マグネシウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびその他の陽イオンをさまざまな量含むことがあります。

粘土鉱物は水の存在下で形成され^[1]、生命にとって重要であり、多くの生物起源説に関係しています。粘土鉱物は土壌の重要な構成要素であり、古代から農業や製造業において人類に役立ってきました。

粘土は非常に細かい粒子の地質学的物質で、湿っているときは可塑性を発揮しますが、乾燥または焼成すると硬く脆くなり、非可塑性になります。^{[2] [3] [4]}非常に一般的な物質であり、^[5]最も古い既知の陶磁器です。先史時代の人類は粘土の有用な特性を発見し、陶器を作るために使用しました。^[6]カリウムやアンモニウムなどの栄養陽イオンを保持する能力を含む粘土の化学的性質は、土壌の肥沃度にとって重要です。^[7]

粘土中の個々の粒子の大きさは 4 マイクロメートル (0.00016 インチ) 未満であるため、通常の光学的または物理的方法では特性評価できません。粘土鉱物の結晶構造は、結晶格子の解読に不可欠なX 線回折(XRD) 技術の進歩により、1930 年代によく理解されるようになりました。^{[8]粘土粒子は主に}シート状ケイ酸塩(フィロケイ酸塩) 鉱物であることが判明し、現在では粘土鉱物としてグループ化されています。その構造は、雲母鉱物群に似た平らな六角形のシートに基づいています。^[9]この時期に用語の標準化も行われ、^[8]シートやプレーンなど、混乱を招く類似の単語に特別な注意が払われました。^[8]

粘土鉱物は通常（必ずしもそうではないが）超微粒子であるため、その同定と研究には特別な分析技術が必要である。X線結晶構造解析に加えて、電子回折法^[10]、メスバウアー分光法^{[11] 、赤外分光法 [10]}、ラマン分光法^[12]、SEM - EDS ^[13]などのさまざまな分光法、または自動化された鉱物学^[10]プロセスが含まれる。これらの方法は、基本的な発生や岩石学的関係を確立する伝統的な技術である偏光顕微鏡法によって補強することができる。 ^[14]

粘土鉱物は、一般的な風化生成物（長石の風化を含む）および低温熱水変質生成物です。粘土鉱物は、土壌、頁岩、泥岩、シルト岩などの細粒堆積岩、細粒変成粘板岩や千枚岩に非常によく見られます。^[9]

水を必要とすることから、粘土鉱物は太陽系では比較的まれですが、水が他の鉱物や有機物と相互作用した地球では広範囲に存在します。粘土鉱物は火星のいくつかの場所で検出されており、^[15]エコス峡谷、マウルス峡谷、メムノニア四角形、エリシウム四角形などが含まれます。分光分析により、準惑星ケレス^[16] 、小惑星101955ベンヌ^[17]、テンペル第1彗星^[18 ] 、木星の衛星エウロパ^[19]などの天体で粘土鉱物の存在が確認されています。

すべてのフィロケイ酸塩と同様に、粘土鉱物は、頂点を共有するSiO ₄四面体またはAlO ₄八面体の 2 次元シートを特徴とします。シート単位の化学組成は(Al, Si) ₃ O ₄です。各シリカ四面体は、頂点の酸素イオンの 3 つを他の四面体と共有し、2 次元で六角形の配列を形成します。4 番目の酸素イオンは他の四面体と共有されておらず、すべての四面体は同じ方向を向いています。つまり、共有されていない酸素イオンはすべてシートの同じ側にあります。これらの共有されていない酸素イオンは、頂点酸素イオンと呼​​ばれます。^[20]

粘土では、四面体シートは常に、アルミニウムやマグネシウムなどの小さな陽イオンから形成され、6 つの酸素原子によって配位された八面体シートに結合しています。四面体シートの共有されていない頂点は、八面体シートの 1 つの側面の一部も形成しますが、追加の酸素原子は、6 つの四面体の中心にある四面体シートの隙間の上にあります。この酸素原子は、粘土構造で OH グループを形成する水素原子に結合しています。粘土は、四面体シートと八面体シートが層にパッケージ化される方法に応じて分類できます。各層に 1 つの四面体グループと 1 つの八面体グループしかない場合、粘土は 1:1 粘土として知られています。もう 1 つは 2:1 粘土として知られ、2 つの四面体シートがあり、各シートの共有されていない頂点が互いを指し、八面体シートの各側面を形成しています。^[20]

四面体シートと八面体シートの結合には、四面体シートが波状またはねじれ、六角形配列に二角形の歪みが生じ、八面体シートが平坦化される必要がある。これにより、結晶の全体的な結合価数の歪みが最小限に抑えられる。^[20]

四面体シートと八面体シートの組成に応じて、層は電荷を持たないか、正味の負電荷を持つ。層が帯電している場合、この電荷はNa ⁺やK ⁺などの層間陽イオン、または孤立した八面体シートによってバランスが取られます。層間には水も含まれる場合があります。結晶構造は、層間に間隔を置いて積み重ねられた層から形成されます。^[20]

粘土鉱物は1:1または2:1に分類できます。1:1粘土は1枚の四面体シートと1枚の八面体シートで構成され、カオリナイトや蛇紋岩がその一例です。2:1粘土は2枚の四面体シートに挟まれた八面体シートで構成され、タルク、バーミキュライト、モンモリロナイトがその一例です。1:1粘土の層は電荷を帯びておらず、層間の水素結合によって結合していますが、2:1層は正味の負電荷を持ち、個々の陽イオン（イライトのカリウム、スメクタイトのナトリウムやカルシウムなど）または正に帯電した八面体シート（緑泥石など）によって結合している可能性があります。^[9]

粘土鉱物には以下のグループが含まれます。

• カオリングループには、カオリナイト、ディッカイト、ハロイサイト、ナクライト（Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄の多形）などの鉱物が含まれます。^[21]
  • いくつかの情報源では、構造上の類似性からカオリナイト-蛇紋石グループも含まれています。 ^[8]
• スメクタイトグループには、モンモリロナイト、ノントロナイト、バイデライトなどの二八面体スメクタイトと、サポナイトなどの三八面体スメクタイトが含まれます。^{[21] 2013年、}キュリオシティ探査車による分析テストで、火星にスメクタイト粘土鉱物が存在するという結果が見つかりました。^{[22] [23] [24]}
• イライトグループには粘土雲母が含まれます。イライトはこのグループで唯一の一般的な鉱物です。^[21]
• 緑泥石グループには、化学的にかなりの多様性を持つ多種多様な鉱物が含まれています。^[21]
• 2:1 粘土の種類としては、 パリゴルスカイト(アタパルジャイトとも呼ばれる) やセピオライトなど、内部に長い水路を持つ粘土も存在します。

上記のグループのほとんどに混合層粘土のバリエーションが存在する。^[9]配列はランダムまたは規則的な配列として説明され、ドイツ語で範囲または到達範囲を意味する reichweite という用語でさらに説明される。文献記事では、たとえば R1 配列のイライト-スメクタイトについて言及される。このタイプは、イライト-スメクタイト-イライト-スメクタイト (ISIS) の形式で配列される。一方、R0 はランダムな配列を表し、他の高度な配列タイプも見られる (R3 など)。完全な R1 タイプである混合層粘土鉱物は、独自の名前が付けられることが多い。R1 配列の緑泥石-スメクタイトはコレンサイトとして知られ、R1 イライト-スメクタイトはレクトリトである。^[25]

X 線 rf(001) は、 X 線結晶構造解析によって決定されるナノメートル単位の層間隔です。グリコール (mg/g)は、粘土が60 °C (140 °F) のエチレングリコールの蒸気に 8 時間さらされたときに層間サイトを占めるグリコールの吸着容量です。CECは粘土の陽イオン交換容量です。K 2 O (%)は粘土中の酸化カリウムの含有率です。DTA_は粘土の示差熱分析曲線を表します。

生命の起源に関する粘土仮説は、 1985 年にグラハム ケアンズ スミスによって提唱されました。 ^{[27] [28]}この仮説は、複雑な有機分子が、水溶液と接触したケイ酸塩結晶の既存の非有機複製表面上で徐々に発生したと仮定しています。粘土鉱物モンモリロナイトは、ヌクレオチドモノマーから水溶液中の RNA の重合を触媒し、^[29]脂質から膜を形成することが示されています。 ^{[30] 1998 年、ハイマン ハートマンは、「最初の生物は、二酸化炭素を}シュウ酸やその他のジカルボン酸に固定する、鉄分を多く含む自己複製粘土でした。この粘土の複製システムとその代謝表現型は、その後、温泉の硫化物に富む領域に進化し、窒素を固定する能力を獲得しました。最終的に、リン酸が進化システムに組み込まれ、ヌクレオチドとリン脂質の合成が可能になりました。」と提唱しました。 ^[31]

粘土鉱物の構造と組成の多様性は、粘土に興味深い生物学的特性を与えます。粘土は円盤状で帯電した表面を持つため、さまざまな薬物、タンパク質、ポリマー、DNA、その他の高分子と相互作用します。粘土の用途には、薬物送達、組織工学、バイオプリンティングなどがあります。^[32]

粘土鉱物は、石灰メタカオリンモルタルに組み込むことで機械的性質を改善できます。^[33]電気化学的分離は、スメクタイト族鉱物の濃度が高く、鉱物粒子サイズが小さく、構造がよりコンパクトで、表面積が大きい、改質されたサポナイト含有製品を得るのに役立ちます。これらの特性により、サポナイト含有製品から高品質のセラミックスや重金属吸着剤を製造する可能性が開かれます。^[34] さらに、セラミックスの原料を準備する際には尾の粉砕が行われます。この廃棄物の再処理は、粘土パルプを中和剤として使用する場合に非常に重要です。反応には微粒子が必要になるためです。アルカリ性粘土スラリーによるヒストソルの脱酸に関する実験では、パルプの30%を添加すると、平均pHレベル7.1で中和されることが実証され、多年生草本のある実験地でこの技術の有効性が証明されました。さらに、荒廃した土地の再生は鉱山会社の社会的・環境的責任の不可欠な部分であり、このシナリオは地方レベルと地域レベルの両方でコミュニティの必要性に対処しています。^[35]

グリコール吸着、陽イオン交換容量、X線回折、示差熱分析、化学試験の結果はすべて、定量的な推定に使用できるデータを提供します。有機物、炭酸塩、遊離酸化物、非粘土鉱物の量が決定された後、適切なグリコール吸着、陽イオン交換容量、K20、DTAデータを使用して粘土鉱物の割合が推定されます。イライトの量は、カリウムを含む唯一の粘土鉱物であるため、K20含有量から推定されます。^[36]

粘土質岩石は粘土鉱物が重要な成分である岩石です。^[37] たとえば、粘土質石灰岩は石灰岩です^[38]主に炭酸カルシウムで構成されていますが、10〜40％の粘土鉱物が含まれています。このような石灰岩は、柔らかい場合はしばしばマールと呼ばれます。同様に、グレイワッケなどの粘土質砂岩は、主に石英粒子で構成される砂岩で、隙間は粘土鉱物で満たされています。

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• ボッグス、サム (2006)。堆積学と地層学の原理(第 4 版)。アッパー サドル リバー、ニュージャージー: ピアソン プレンティス ホール。ISBN 0131547283。
• Breuer, Stephen (2012年7月). 「陶器の化学」(PDF) .化学教育: 17–20. 2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2020年12月8日閲覧。
• ドーキンス、リチャード(1996)。『盲目の時計職人』（新版序文付き再版）。ニューヨーク：WW ノートン アンド カンパニー。ISBN 978-0-393-31570-7. OCLC  35648431.
• グッゲンハイム、スティーブン、マーティン、RT (1995)。「粘土と粘土鉱物の定義：AIPEA命名法委員会とCMS命名法委員会の共同報告書」粘土と粘土鉱物。43 (2): 255–256。Bibcode : 1995CCM ....43..255G。doi : 10.1346/CCMN.1995.0430213。
• スカーレ、C. (2005)。『人類の過去』ロンドン：テムズ・アンド・ハドソン。ISBN 0500290636。
• 「粘土とは何か」。サイエンスラーニングハブ。ワイカト大学。2016年1月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年1月10日閲覧。