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ドロマイト（ドロマイト岩、ドロストーン、ドロマイト質岩とも呼ばれる）は、鉱物ドロマイト（CaMg(CO 3 ) 2 ）を多く含む堆積炭酸塩岩です。広く分布しており、石灰岩や蒸発岩と共存することが多いですが、石灰岩ほど豊富ではなく、新生代の岩層（約6600万年未満の年代の岩層）ではまれです。ドロマイトを石灰岩と区別した最初の地質学者の1人は、フランスの鉱物学者で地質学者のデオダ・グラテ・ド・ドロミューで、ドロマイトはその名にちなんで名付けられました。彼は18世紀後半にドロマイトの独特な特徴を認識して記述し、石灰岩と区別しました。
ほとんどのドロマイトは、石灰岩または石灰泥が石化する前にマグネシウム置換されて形成されました。[ 1 ]方解石がドロマイトに変化する地質学的プロセスはドロマイト化として知られており、中間生成物はドロマイト質石灰岩として知られています。[ 2 ] [ 3 ]「ドロマイト問題」とは、過去の地質記録におけるドロマイトの世界的な大量堆積と、現代に形成されたドロマイトの限られた量との対比を指します。[ 4 ] [ 5 ]無酸素条件下に生息する硫酸還元細菌はドロマイトを沈殿させることができ、過去のドロマイト堆積物の一部は微生物活動によるものである可能性を示唆しています。[ 6 ] [ 7 ]最近の実験室研究では、微視的スケールでのドロマイトの結晶成長に焦点を当て、沈殿/溶解の複数サイクルがドロマイト結晶の成長を促進する可能性があることが明らかになりました。[ 8 ] [ 9 ]
ドロマイトは浸食に強く、層状構造を持つものと層状構造を持たないものがある。弱酸性の地下水では石灰岩よりも溶解度が低いが、それでも時間の経過とともに溶食地形（カルスト地形）を形成する可能性がある。十分な多孔性を持つドロマイト岩は、石油や天然ガスの貯留層として機能する可能性がある。
ドロマイトは、この鉱物を最初に記述した人物の一人である18世紀のフランスの鉱物学者デオダ・グラテ・ド・ドロミュー（1750～1801）にちなんで名付けられました。 [ 10 ]ドロマイトはスイスの化学者ニコラ・テオドール・ド・ソシュールによって分析され、1792年3月にドロミューにちなんで命名されました。[ 11 ]
ドロマイトという用語は、炭酸カルシウムマグネシウム鉱物と、主にこの鉱物から形成された堆積岩の両方を指します。ドロストーンという用語は、両者の混同を避けるために1948年に導入されました。しかし、ドロマイトという名称が18世紀後半に初めて岩石に適用されたため、技術的な先例があることから、ドロストーンという用語の使用は議論の的となっています。アメリカ地質学会が発行した地質学用語集では、ドロストーンという用語の使用は推奨されていません。[ 12 ]
米国地質調査所（USGS）の古い出版物では、ドロマイトはマグネシウム含有石灰岩と呼ばれていましたが、現在ではこの用語はマグネシウム欠乏ドロマイトまたはマグネシウム含有石灰岩に限定して使用されています。
ドロマイト岩は、 50%以上の鉱物ドロマイトで構成される堆積炭酸塩岩と定義されます。ドロマイトは、マグネシウムとカルシウムの化学量論比がほぼ理想的な1:1であるのが特徴です。高マグネシウム石灰岩とは異なり、高マグネシウム方解石の粒子のようにランダムに配列するのではなく、個々のドロマイト鉱物粒子内でマグネシウムとカルシウムが規則的な層を形成します。[ 13 ]天然のドロマイトでは、マグネシウムは通常、マグネシウムとカルシウムの合計の44～50%であり、マグネシウム層へのカルシウムの置換を示しています。特に古いドロマイトでは、少量の二価鉄がマグネシウムを置換することがよくあります。 [ 14 ]炭酸塩岩は、ほぼすべて方解石かほぼすべてドロマイトのいずれかである傾向があり、中間的な組成は非常にまれです。[ 15 ]
ドロマイトの露頭は、その柔らかさ（鉱物ドロマイトのモース硬度は4以下で、一般的なケイ酸塩鉱物よりはるかに低い）と、希塩酸を1滴垂らすとドロマイトがわずかに泡立つことから、野外で識別できます。これは、同じく柔らかいが希塩酸と激しく反応する石灰岩とドロマイトを区別する特徴です。ドロマイトは通常、二価鉄の存在により特徴的な鈍い黄褐色に風化します。レベル6で傷、レベル7でより深い溝を形成します。これは、ドロマイトが風化するにつれて放出され、酸化されます。[ 16 ]ドロマイトは通常、粒状で、砂糖の粒に似た質感です。[ 17 ]
顕微鏡でドロマイトの薄片を見ると、通常、個々の粒子はよく形作られた菱形で、かなりの空隙があります。そのため、地下のドロマイトは一般的に地下の石灰岩よりも多孔質で、炭酸塩岩の石油貯留層の 80% を占めています。[ 18 ]この組織は、通常、粒子、ミクライト (非常に細かい粒の炭酸塩泥)、スパリーセメントの混合物である石灰岩とは対照的です。方解石と鉱物ドロマイトの光学的性質を区別することは困難ですが、方解石は規則的な菱形で結晶化することはほとんどなく、方解石はアリザリンレッド Sで染色されますが、ドロマイトの粒子は染色されません。[ 19 ]平面を持つよく形作られた粒子からなるドロマイト岩は、平面ドロマイトまたはイディオトピックドロマイトと呼ばれ、不規則な表面を持つ形が不完全な粒子からなるドロマイトは、非平面ドロマイトまたはゼノトピックドロマイトと呼ばれます。[ 17 ]後者は、高温（50～100 ℃（122～212 °F）以上）での既存のドロマイトの再結晶によって形成されると考えられる。[ 19 ]
ドロマイトの組織は、石灰岩中のカルシウムがマグネシウムに置換されて形成された二次的なものであることが多い。元の石灰岩の組織の保存状態は、ほぼ完全に保存されているものから完全に破壊されているものまで様々である。[ 20 ]顕微鏡下では、ドロマイトの菱面体が元の石灰岩のオオライトや骨格粒子に置き換わっているのが見られることがある。[ 21 ]化石の選択的置換が見られる場合もあり、化石はほとんど方解石のままで、周囲のマトリックスはドロマイトの粒子で構成されている。ドロマイトの菱面体が化石の輪郭を横切って切断されているのが見られることもある。しかし、一部のドロマイトは、石灰岩の置換によって形成されたことを示す組織的兆候を示さない。[ 19 ]
ドロマイトは広く分布しているが、石灰岩ほど一般的ではない。[ 22 ]ドロマイトは通常、石灰岩や蒸発岩層と共存し、しばしば石灰岩と互層をなしている。 [ 23 ]ドロマイトの存在量と年代との間に一貫した傾向はないが、ほとんどのドロマイトは海面が高かった時期に形成されたと考えられる。新生代（6500万年未満の地層）にはドロマイトはほとんど見られないが、この時代は一般的に海面が低かった。[ 24 ]海面が高かった時期は温室効果ガスの
多くのドロマイトは、石灰岩の置換によって形成された二次ドロマイトであることを示す明確な組織的特徴を示している。しかし、ドロマイト化のプロセスを理解するために多くの研究が行われてきたが、そのプロセスは依然として十分に理解されていない。置換によって形成されたことを示す組織的特徴を示さない細粒ドロマイトもあり、それらが組織的痕跡を残さない石灰岩の置換によって形成されたのか、それとも真の一次ドロマイトなのかは不明である。このドロマイトの問題は2世紀以上前に初めて認識されたが、いまだに完全には解決されていない。[ 23 ]
ドロマイト化反応
熱力学的に有利であり、ギブズ自由エネルギーは約 -2.2 kcal/mol である。理論的には、通常の海水にはドロマイト化を引き起こすのに十分な量の溶解マグネシウム (海水中で 2 番目に多い陽イオン) が含まれている。しかし、通常の温度では固体鉱物粒子内のイオンの拡散速度が非常に遅いため、このプロセスは方解石の同時溶解とドロマイトの結晶化によってのみ発生する。これは、ドロマイト化中の石灰岩の細孔空間に大量のマグネシウム含有流体が流し込まれることを必要とする。 [ 26 ]ドロマイト化についてはいくつかのプロセスが提案されている。
高塩分モデル（蒸発還流モデル[ 27 ]とも呼ばれる）は、ドロマイトが石灰岩や蒸発岩と非常によく共存し、石灰岩がドロマイトと互層をなしているという観察に基づいている。このモデルによれば、ドロマイト化は、海水が高率で蒸発する閉鎖盆地で起こる。これにより、石膏とアラゴナイトが沈殿し、残りの塩水のマグネシウムとカルシウムの比率が上昇する。塩水は密度も高いため、下にある石灰岩の空隙に沈み込み（浸透還流）、既存の空隙流体を洗い流してドロマイト化を引き起こす。北米のパーミアン盆地は、このプロセスが起こった環境の例として挙げられている。[ 27 ]このモデルの変形版が、塩水が毛細管流体の蒸発によってドロマイト化した石灰岩に吸い上げられるサプカ環境（潮上干潟または砂地）向けに提案されている。このプロセスは蒸発ポンプ作用と呼ばれる。[ 27 ]
別のモデルは混合帯またはドラグモデルで、天水が間隙空間に既に存在する海水と混ざり合い、カルシウムに対するマグネシウムの化学活性を高め、ドロマイト化を引き起こすというものです。ジャマイカの更新世ドロマイト礁の形成はこのプロセスによるものとされています。しかし、このモデルは激しく批判されており、[ 28 ] 2004年のレビュー論文では「神話」と率直に述べています。[ 29 ] 2021年の論文では、混合帯はドロマイト化を促進する激しい微生物活動の領域として機能すると主張しています。[ 30 ]
3つ目のモデルでは、通常の海水がドロマイト化流体であり、必要な大量の水が潮汐ポンプ作用によってドロマイト化石灰岩を洗い流すと仮定している。フロリダ州シュガーローフキーのドロマイト形成は、このプロセスの一例かもしれない。同様のプロセスは、大量の水が石灰岩台地岩を通過する際に、海面上昇時にも起こる可能性がある。 [ 31 ]
ドロマイト化のメカニズムに関わらず、炭酸塩岩がほぼすべて方解石またはほぼすべてドロマイトになる傾向があることから、このプロセスが始まると急速に完了することが示唆される。[ 32 ]このプロセスは、マグネシウムを豊富に含む海水が尽きることなく供給され、元の石灰岩が多孔質である可能性が高い、 100メートル（330フィート）以下の浅い埋没深度で発生する可能性が高い。一方、マグネシウムを含む流体を地層を通して洗い流すメカニズムが存在する場合、より深い埋没を特徴とする高温でもドロマイト化は急速に進行する可能性がある。[ 33 ]
鉱物ドロマイトは、アルカリ土類陽イオンあたり方解石よりも体積が12～13%小さい。そのため、ドロマイト化によって多孔性が増加し、ドロマイトの砂糖のような質感に寄与していると考えられる。[ 18 ]
ドロマイトは通常の海水に対して10倍以上過飽和状態にあるが、海洋中でドロマイトが沈殿する様子は見られない。同様に、地質学者も実験室での実験において、通常の温度と圧力で海水からドロマイトを沈殿させることに成功していない。これは、ドロマイトの結晶核形成に必要な活性化エネルギーが非常に高いためと考えられる。[ 34 ]
マグネシウムイオンは比較的小さなイオンであり、水に溶解すると強固な水和殻を形成します。つまり、マグネシウムイオンは、その正電荷に強く引きつけられた水分子の塊に囲まれています。カルシウムイオンはマグネシウムイオンよりも大きいため、水和殻の結合力が弱まり、マグネシウムイオンよりもカルシウムイオンの方が水和殻を脱ぎ捨てて結晶に結合しやすくなります。また、秩序だったドロマイトの種結晶を核生成させるのは、無秩序な高マグネシウム方解石を核生成させるよりも困難です。その結果、海水からドロマイトを沈殿させようとすると、代わりに高マグネシウム方解石が沈殿します。マグネシウムよりもカルシウムが多く、カルシウムとマグネシウムの秩序構造を持たないこの物質は、プロトドロマイトと呼ばれることもあります。[ 34 ]温度が上昇するとマグネシウムが水和殻を脱ぎやすくなり、60 °C (140 °F)を超える温度で海水からドロマイトが沈殿する可能性がある。[ 35 ]プロトドロマイトも250 °C (482 °F)以上の温度で急速にドロマイトに変化する。[ 36 ]ドロマイトの形成に必要な高温は、新生代の海水温度が 40 °C を超えることはめったになかったため、新生代のドロマイトが稀であることの説明に役立つ。[ 37 ]
微生物が一次ドロマイトを沈殿させる能力を持っている可能性がある。[ 7 ]これは、ブラジルのラゴア・ヴェルメーリャで採取されたサンプルで硫酸還元細菌（Desulfovibrio）と関連して初めて実証され、硫酸イオンがドロマイトの核形成を阻害するという仮説につながった。後の実験室実験では、細菌は硫酸濃度とは無関係にドロマイトを沈殿させることができることが示唆されている。[ 38 ]時間の経過とともに、微生物の活動とドロマイト形成の間の相互作用の他の経路が、間隙水中の多糖類[ 39 ]、マンガン[ 40 ] [ 41 ]、亜鉛[ 42 ]の調節と生成における微生物の役割に関する不一致に追加された。一方、他の研究者による反対の見解は、微生物は高マグネシウム方解石のみを沈殿させるが、これがドロマイトの沈殿につながるかどうかは未解決のままであるというものである。[ 43 ]
ドロマイト単結晶の結晶成長過程において、核の表面は徐々に（1）整然としたドロマイト層で覆われ、（2）その後すぐに無秩序なマグネシウムに富む方解石層で覆われます。マグネシウムに富む方解石はドロマイトよりも溶解度が高いため、過飽和条件下での結晶成長の第一段階の後、外部の結晶性の低いマグネシウムに富む方解石層を不飽和条件下で溶解させると、結晶表面は洗浄され、より安定した整然としたドロマイトの薄層のみが残ります。沈殿／溶解のサイクルを繰り返すことで、溶解度の高い無秩序なマグネシウムに富む方解石を除去した後、単結晶は適切に整列したドロマイト表面層を形成することができます。[ 8 ] [ 9 ]蒸発と浸水のサイクルを繰り返す浅い海盆で沈殿と溶解の交互の条件に遭遇した場合、単結晶の微視的レベルで得られた結果を地質学的形成スケールに外挿できると推測されている。一方、この新しいメカニズムは他のメカニズムを排除するものではなく、探求すべきもう1つの道筋にすぎない。
ドロマイト化は時に逆転し、ドロマイト層が石灰岩に変化することがある。これは、方解石に置き換わったドロマイト鉱物の仮像の組織によって示される。脱ドロマイト化した石灰岩は通常、石膏または酸化黄鉄鉱と関連しており、脱ドロマイト化は、カルシウムとマグネシウムの比率が非常に高い表層水の浸透によって非常に浅い深度で起こると考えられている。[ 44 ]
ドロマイトは、建設用骨材、農業における土壌酸性度の中和およびカルシウムとマグネシウムの供給、二酸化炭素源、建築用石材、肥料やその他の製品の充填剤、冶金における融剤、ガラス製造など、石灰石と同様の多くの用途に使用されます。炭酸ナトリウムの製造など、高カルシウム石灰石を必要とする化学プロセスでは、石灰石の代わりにはなりません。ドロマイトは、エプソム塩などのマグネシウム化合物の製造に使用され、マグネシウム補給剤としても使用されます。[ 45 ]また、耐火材料の製造にも使用されます。[ 46 ]
石灰岩の洞窟と同様に、ドロマイト岩には弱い炭酸による溶解の結果として、自然の洞窟や溶食管が形成されるのが一般的です。 [ 47 ] [ 48 ]また、まれに、硫酸による岩石の溶解によって洞窟が形成されることもあります。[ 49 ]鍾乳石、石筍、流石などの炭酸カルシウムの鍾乳石（二次堆積物）も、ドロマイト岩の洞窟内に形成されることがあります。「ドロマイトは一般的な岩石ですが、鍾乳石としては比較的まれな鉱物です」。[ 47 ] 国際洞窟学連合（UIS）とアメリカの国立洞窟学会（NSS）は、出版物の中で、CaMg(CO3)2 を高濃度に含む天然の岩盤を指して「ドロマイト」または「ドロマイト岩」という用語を多用しており、その岩盤には天然の洞窟や溶食管が形成されている。[ 47 ] [ 50 ]
ドロマイト岩が溶解すると、カルシウムとマグネシウムの両方が溶解します。鍾乳石の沈殿順序は、方解石、マグネシウム方解石、アラゴナイト、ハンタイト、ハイドロマグネサイトです。[ 47 ] [ 50 ]したがって、ドロマイト岩カルスト内の洞窟で最も一般的な鍾乳石（二次堆積物）は、方解石の最も安定した多形形態の炭酸カルシウムです。ドロマイト成分を持つことが知られている鍾乳石の種類には、コーティング、クラスト、ムーンミルク、フローストーン、サンゴロイド、パウダー、スパー、ラフトなどがあります。[ 47 ]世界中の多くの洞窟でドロマイト鍾乳石が存在することが報告されていますが、それらは通常、比較的少量で、非常に細かい粒の堆積物として形成されます。[ 47 ] [ 50 ]
