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粘土鉱物は含水アルミニウムフィロケイ酸塩（例：カオリン、Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 ）であり、場合によっては鉄、マグネシウム、アルカリ金属、アルカリ土類金属、その他の陽イオンが様々な量で含まれており、惑星の表面またはその付近で見られます。
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、生命発生の多くの理論に関わっています。これら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間に役立ってきました。
粘土は非常に粒子の細かい地質材料で、湿っているときは可塑性を示しますが、乾燥または焼成すると硬くもろくなり、非可塑性になります。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]粘土は非常に一般的な材料であり、[ 5 ]最も古い既知の陶器です。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は4マイクロメートル（0.00016インチ）未満の大きさであるため、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、結晶格子を解読するために不可欠なX線回折（XRD）技術の進歩により、1930年代に理解が深まりました。 [ 8 ]粘土粒子は主に層状ケイ酸塩（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まとめられています。その構造は、雲母グループの鉱物と同様の平らな六角形のシートに基づいています。[ 9 ]この時期には用語の標準化も行われ、[ 8 ]シートと平面など、混乱を招く類似の単語に特に注意が払われました。[ 8 ]
粘土鉱物は通常（必ずしもそうとは限りませんが）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す。X線結晶学に加えて、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、または自動鉱物学[ 10 ]プロセスが含まれます。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完することができます[ 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、および細粒変成粘板岩や千枚岩に非常に多く含まれています。[ 9 ]
水を必要とするため、粘土鉱物は太陽系では比較的まれですが、地球上では水が他の鉱物や有機物と相互作用した場所で広く存在します。粘土鉱物は、火星のいくつかの場所で検出されており、[ 15 ]エクス・カズマ、マウルス・ヴァリス、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 ]彗星テンペル1、[ 18 ]および木星の衛星エウロパ[ 19 ]などの天体で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 4八面体の二次元シートによって特徴付けられます。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、その頂点の酸素イオンのうち3つを他の四面体と共有し、二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ず、すべての四面体が同じ方向を「指しています」。つまり、共有されていないすべての酸素イオンは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、八面体シートの一方の面の一部も形成しますが、6つの四面体の中心にある四面体シートの隙間の上には、追加の酸素原子があります。この酸素原子は、粘土構造でOH基を形成する水素原子と結合しています。粘土は、四面体シートと八面体シートが層状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、その粘土は1:1粘土として知られています。もう1つの、2:1粘土として知られるものは、2つの四面体シートを持ち、各シートの共有されていない頂点が互いに向き合って、八面体シートの各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、四面体シートが波打ったりねじれたりして六角形配列に二等辺三角形の歪みが生じ、八面体シートが平坦化されることが必要である。これにより、結晶子の全体的な結合価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構成に応じて、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 +などの層間カチオン、または単独の八面体シートによって相殺される。層間には水が含まれる場合もある。結晶構造は、層間を挟んで積み重なった層から形成される。[ 20 ]
粘土鉱物は1:1型または2:1型に分類できます。1:1型粘土は1枚の四面体シートと1枚の八面体シートから構成され、例としてはカオリナイトや蛇紋石があります。2:1型粘土は2枚の四面体シートの間に1枚の八面体シートが挟まれた構造で、例としてはタルク、バーミキュライト、モンモリロナイトがあります。1:1型粘土の層は電荷を持たず、層間は水素結合で結合していますが、2:1型粘土の層は正味負電荷を持ち、個々の陽イオン（イライト中のカリウム、スメクタイト中のナトリウムやカルシウムなど）または正電荷を帯びた八面体シート（緑泥石など）によって結合している場合があります。[ 9 ]
粘土鉱物には以下のグループが含まれます。
上記のほとんどのグループには混合層粘土のバリエーションが存在します。[ 9 ]配列はランダムまたは規則的な配列として説明され、さらにドイツ語で範囲または到達範囲を意味するreichweiteという用語で説明されます。たとえば、文献記事では R1 配列のイライト-スメクタイトが言及されます。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) の形式で配列されます。一方、R0 はランダム配列を表し、他の高度な配列タイプ (R3 など) も見られます。完全な R1 タイプの混合層粘土鉱物には、独自の名前が付けられることがよくあります。R1 配列のクロライト-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ター石として知られています。[ 25 ]
X線rf(001)は、X線結晶構造解析によって決定された層間の間隔（ナノメートル単位）です。グリコール（mg/g）は、粘土を60 ℃（140 °F）のエチレングリコール蒸気に8時間さらし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。K₂O （%）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、水溶液と接触しているケイ酸塩結晶の既存の非有機複製表面上で、複雑な有機分子が徐々に発生したと仮定しています。粘土鉱物であるモンモリロナイトは、水溶液中でヌクレオチドモノマーから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、自己複製する鉄に富む粘土であった。この複製する粘土の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へと進化し、窒素を固定する能力を獲得した。最終的に、リン酸が進化する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った」と提唱しました。[ 31 ]
粘土鉱物の構造的および組成的な多様性により、興味深い生物学的特性が得られます。円盤状で帯電した表面のため、粘土はさまざまな薬剤、タンパク質、ポリマー、DNA、またはその他の高分子と相互作用します。粘土の用途には、薬剤送達、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特性を向上させることができます。[ 33 ]電気化学的分離は、スメクタイトグループ鉱物の濃度が高く、鉱物粒子のサイズが小さく、構造がより緻密で、表面積が大きい、改質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、セラミックの原料の準備中にテールグラインディングが発生します。この廃棄物の再処理は、反応に微粒子が必要なため、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。アルカリ性粘土スラリーを使用したヒストソルの脱酸に関する実験では、平均pHレベル7.1の中和がパルプ添加量の30%で達成されることが実証され、多年生草本のある実験サイトでこの技術の有効性が証明されました。さらに、荒廃した土地の復旧は鉱山会社の社会的および環境的責任の不可欠な部分であり、このシナリオは地域レベルと地方レベルの両方でコミュニティのニーズに対応しています。[ 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、および化学試験の結果はすべて、定量的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、および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、および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K20含有量から推定されます。[ 36 ]
粘土質岩とは、粘土鉱物が重要な構成要素となっている岩石のことである。[ 37 ] 例えば、粘土質石灰岩は、主に炭酸カルシウムから構成されるが、10～40%の粘土鉱物を含む石灰岩である。 [ 38 ]このような石灰岩は、柔らかい場合、泥灰岩と呼ばれることが多い。同様に、グレイワッケなどの粘土質砂岩は、主に石英粒子から構成され、間隙が粘土鉱物で満たされた砂岩である。
この記事には、CC BY 4.0ライセンスに基づいて利用可能なテキストが含まれています。 この記事には、CC BY 4.0ライセンスに基づいて利用可能なテキストが含まれています。