鉱物学

鉱物学は、鉱物および鉱化遺物の化学組成、結晶構造、物理的性質（光学的性質を含む）を科学的に研究する地質学の一分野です。鉱物学における具体的な研究分野には、鉱物の起源と形成過程、鉱物の分類、地理的分布、および利用法などがあります。

鉱物学、特に宝石に関する初期の文献は、古代バビロニア、古代ギリシャ・ローマ世界、古代および中世中国、古代インドおよび古代イスラム世界のサンスクリット語文献に由来する。 ^{[ 2 ]}この主題に関する書籍には、多くの異なる鉱物を記述しただけでなく、それらの多くの性質も説明した大プリニウスの『博物誌』や、ペルシャの科学者アル・ビールーニーの『宝石の書』などがある。ドイツのルネサンス期の専門家ゲオルギウス・アグリコラは、『岩石の性質について』 （1546年）や『金属について』 （ 1556年）などの著作を著した。鉱物と岩石の体系的な科学的研究は、ルネサンス後のヨーロッパで発展した。^{[ 2 ]}現代の鉱物学の研究は、結晶学の原理（幾何学的結晶学自体の起源は、18 世紀と 19 世紀に実践されていた鉱物学に遡ることができる）と、 17 世紀の顕微鏡の発明による岩石断面の顕微鏡的研究に基づいている。^{[ 2 ]}

ニコラス・ステノは、 1669年に石英結晶で界面角の一定性の法則（結晶学の第一法則としても知られる）を初めて観察した。^{[ 3 ] : 4}これは後に一般化され、1783年にジャン＝バティスト・L・ロメ・ド・リスリーによって実験的に確立された。 ^{[ 4 ]} 「近代結晶学の父」であるルネ・ジュスト・アユイは、結晶が周期的であることを示し、結晶面の向きは有理数で表すことができること（有理指数法則）​​を確立し、後にミラー指数に符号化された。^{[ 3 ] : 4} 1814年、イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは、結晶構造ではなく化学に基づいて鉱物の分類を導入した。^{[ 5 ]}ウィリアム・ニコルは、1827年から1828年にかけて化石化した木材を研究しながら、光を偏光させるニコルプリズムを開発した。ヘンリー・クリフトン・ソービーは、偏光顕微鏡を用いて鉱物の薄片を光学特性によって識別できることを示した。^{[ 3 ] : 4 [ 5 ] : 15}ジェームズ・D・ダナは1837年に『鉱物学体系』の初版を出版し、後の版で現在も標準となっている化学分類法を導入した。^{[ 3 ] : 4 [ 5 ] : 15} X線回折は1912年にマックス・フォン・ラウエによって実証され、ウィリアム・ヘンリー・ブラッグとウィリアム・ローレンス・ブラッグの父子によって鉱物の結晶構造を分析するためのツールへと発展した。^{[ 3 ] : 4}

近年では、中性子回折などの実験技術の進歩と、結晶の挙動を極めて高精度に原子スケールでシミュレーションできるようになった計算能力の向上に後押しされ、鉱物科学は無機化学や固体物理学の分野におけるより一般的な問題へと研究対象を広げてきた。しかしながら、鉱物科学は、ペロブスカイト、粘土鉱物、骨格ケイ酸塩などの造岩鉱物によく見られる結晶構造に引き続き焦点を当てている。特に、鉱物の原子スケール構造とその機能との関係性の理解において、鉱物科学は大きな進歩を遂げてきた。自然界における顕著な例としては、鉱物の弾性特性の正確な測定と予測が挙げられる。これは、岩石の地震学的挙動や、地球のマントルの地震記録における深度に関連した不連続性に関する新たな知見をもたらした。このように、原子スケールの現象と巨視的な特性との関連性に焦点を当てている点で、鉱物科学（現在では一般的にこのように呼ばれている）は、他のどの分野よりも材料科学との重なりが大きいと言えるだろう。

鉱物を識別する最初のステップは、その物理的性質を調べることです。これらの性質の多くは、手持ちのサンプルで測定できます。これらは、密度（比重として表されることが多い）、機械的凝集力の尺度（硬度、靭性、劈開、破断、分離）、巨視的な視覚的性質（光沢、色、条痕、発光、透明度）、磁気的および電気的性質、放射能、塩化水素（H Cl）への溶解度に分類できます。^{[ 3 ]： 97–113 [ 6 ]： 39–53}

硬度は他の鉱物との比較によって決定されます。モース硬度スケールでは、標準的な鉱物セットが硬度の低い順に1（タルク）から10（ダイヤモンド）まで番号付けされています。硬い鉱物は柔らかい鉱物を傷つけるため、未知の鉱物をこのスケールに当てはめ、どの鉱物で傷つき、どの鉱物で傷つくかを特定できます。方解石や藍晶石など、硬度が方向によって大きく異なる鉱物もあります。^{[ 7 ]： 254-255}硬度は、硬度計を用いて絶対スケールで測定することもできます。絶対スケールと比較すると、モース硬度スケールは非線形です。^{[ 6 ]： 52}

粘り強さとは、鉱物が破壊、粉砕、曲げ、または引き裂かれたときの挙動を指します。鉱物は、脆性、展性、切断性、延性、柔軟性、または弾性を持つことがあります。粘り強さに大きく影響するのは、化学結合の種類（例えば、イオン結合または金属結合）です。^{[ 7 ]： 255-256}

機械的凝集力の他の指標のうち、劈開とは特定の結晶面に沿って割れる傾向のことである。結晶学の命名法では、劈開の質（例えば、完全劈開または良好劈開）と面の向きによって記述される。

分離とは、圧力、双晶形成、または離溶によって弱面に沿って割れる傾向のことである。これらの2種類の破壊が生じない場合、破断はより不規則な形態となり、貝殻状（貝殻の内側に似た滑らかな曲線を持つ）、繊維状、破片状、ギザギザ（鋭い縁を持つ）、または不均一になることがある。^{[ 7 ]： 253-254}

鉱物がよく結晶化している場合、結晶構造や原子の内部配列を反映した特徴的な結晶形態（例えば、六方晶系、柱状晶系、ブドウ状晶系）を示す。 ^{[ 6 ]： 40-41}また、結晶欠陥や双晶の影響も受ける。多くの結晶は多形性であり、圧力や温度などの要因によって複数の結晶構造をとることができる。^{[ 3 ]： 66-68 [ 6 ]： 126}

結晶構造とは、結晶中の原子の配列のことです。これは、単位格子と呼ばれる基本パターンを3次元で繰り返す点の格子によって表されます。格子は、その対称性と単位格子の寸法によって特徴づけられます。これらの寸法は、3つのミラー指数で表されます。^{[ 9 ] : 91–92}格子は、格子内の任意の点に関する特定の対称操作（反射、回転、反転、回転と反射の組み合わせである回転反転）によって変化しません。これらを合わせて、結晶学的点群または結晶クラスと呼ばれる数学的対象を構成します。可能な結晶クラスは32種類あります。さらに、すべての点を移動させる操作（並進、らせん軸、すべり面）があります。点対称性と組み合わせることで、230種類の空間群が形成されます。^{[ 9 ] : 125–126}

ほとんどの地質学科には、鉱物の結晶構造を分析するためのX線粉末回折装置が備えられています。 ^{[ 6 ]： 54-55} X線は原子間の距離と同程度の波長を持っています。回折、つまり異なる原子で散乱された波の建設的干渉と破壊的干渉は、結晶の形状に応じて高強度と低強度の独特なパターンを生み出します。粉末状に粉砕された試料では、X線はすべての結晶方位のランダムな分布をサンプリングします。^{[ 10 ]}粉末回折は、例えば石英とその多形であるトリディマイトとクリストバライトのように、手持ちの試料では同じように見える鉱物を区別することができます。^{[ 6 ]： 54}

組成の異なる同形鉱物は類似した粉末回折パターンを示し、主な違いは回折線の間隔と強度である。例えば、NaCl（岩塩）の結晶構造は空間群Fm3mであり、この構造はシルバイト（KCl ）、ペリクレース（MgO）、ブンゼナイト（NiO ）、方鉛鉱（PbS ）、アラバンダイト（MnS）、クロラルジライト（ AgCl ）、オスボルナイト（TiN ）と共通している。^{[ 7 ]： 150–151}

硫黄、銅、銀、金など、いくつかの鉱物は化学元素であるが、大部分は化合物である。組成を特定する古典的な方法は湿式化学分析であり、塩酸（HCl）などの酸に鉱物を溶解させる。溶液中の元素は、比色法、容量分析法、または重量分析法を用いて同定される。^{[ 7 ]： 224-225}

1960年以降、ほとんどの化学分析は機器を用いて行われています。その一つである原子吸光分光法は、試料を溶解する必要があるという点で湿式化学分析に似ていますが、はるかに高速で安価です。溶液を気化させ、可視光および紫外光領域で吸収スペクトルを測定します。^{[ 7 ]： 225-226}その他の技術としては、蛍光X線分析、電子マイクロプローブ分析、原子プローブトモグラフィー、および発光分光法があります。^{[ 7 ]： 227-232}

鉱物には、色や光沢などの巨視的な特性に加えて、偏光顕微鏡で観察する必要のある特性もあります。近年、人工知能技術の使用などを通じて、鉱物の光学的特性に基づいたデジタル鉱物研究および識別の分野が発展しています。^{[ 11 ]}

体系鉱物学とは、鉱物をその性質に基づいて識別し分類することです。歴史的に、鉱物学は岩石形成鉱物の分類に大きく関わってきました。1959年、国際鉱物学協会は、命名法を合理化し、新しい名前の導入を規制するために、新鉱物および鉱物名委員会を設立しました。2006年7月、鉱物分類委員会と合併し、新鉱物、命名法、分類委員会となりました。^{[ 12 ]} 6,000種類以上の名前付きおよび名前なしの鉱物があり、毎年約100種類が発見されています。^{[ 13 ]}鉱物学マニュアルでは、鉱物を次のクラスに分類しています。天然元素、硫化物、硫塩、酸化物および水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩およびホウ酸塩、硫酸塩、クロム酸塩、モリブデン酸塩およびタングステン酸塩、リン酸塩、ヒ酸塩およびバナジン酸塩、ケイ酸塩。^{[ 7 ]}

鉱物の形成と成長の環境は非常に多様であり、地球の地殻深部における高温高圧の火成溶融物中での緩やかな結晶化から、地表の塩水からの低温沈殿まで多岐にわたる。

形成のさまざまな方法には以下が含まれます: ^{[ 14 ]}

• 火山ガスからの昇華
• 水溶液および熱水性塩水からの沈殿物
• 火成岩のマグマまたは溶岩からの結晶化
• 変成作用および交代作用による再結晶
• 堆積物の続成作用中の結晶化
• 大気にさらされた岩石、または土壌環境内の岩石が酸化および風化することによって形成される。

生物鉱物学は、鉱物学、古生物学、生物学の分野が交差する学問です。これは、植物や動物が生物制御下で鉱物をどのように安定化させるか、また堆積後の鉱物の置換の順序を研究する学問です。^{[ 15 ]}化学鉱物学、特に同位体研究の手法を用いて、生きている植物や動物の成長形態^{[ 16 ] [ 17 ]}や化石の元の鉱物組成^{[ 18 ]などを決定します。}

鉱物進化と呼ばれる鉱物学の新しいアプローチは、生命の起源における鉱物の役割や、鉱物触媒による有機合成や鉱物表面への有機分子の選択的吸着などのプロセスを含め、地球圏と生物圏の共進化を探求します。^{[ 19 ] [ 20 ]}

2011年、複数の研究者が鉱物進化データベースの開発に着手した。^{[ 21 ]}このデータベースは、69万件以上の鉱物と産地のペアを持つクラウドソーシングサイトMindat.orgと、IMAが承認した鉱物の公式リスト、地質学出版物からの年代データを統合したものである。^{[ 22 ]}

このデータベースによって、統計学を応用して新たな疑問に答えることが可能になり、このアプローチは鉱物生態学と呼ばれています。そのような疑問の一つは、鉱物の進化のうち、どの程度が決定論的で、どの程度が偶然によるものかということです。鉱物の化学的性質や安定性の条件など、決定論的な要因もありますが、鉱物学は惑星の組成を決定するプロセスによっても影響を受ける可能性があります。2015年の論文で、ロバート・ヘイゼンらは、各元素を含む鉱物の数をその存在量の関数として分析しました。彼らは、4800種類以上の既知の鉱物と72種類の元素を持つ地球では、べき乗則の関係があることを発見しました。わずか63種類の鉱物と24種類の元素（はるかに少ないサンプルに基づく）を持つ月でも、ほぼ同じ関係があります。これは、惑星の化学組成が分かれば、より一般的な鉱物を予測できることを意味します。しかし、分布には長い裾があり、鉱物の34%は1つか2つの場所でしか発見されていません。このモデルは、さらに数千種の鉱物が発見されるのを待っているか、形成された後に侵食、埋没、またはその他のプロセスによって失われた可能性があると予測しています。これは、希少鉱物の形成に偶然が関わっていることを示唆しています。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

ビッグデータセットの別の用途として、ネットワーク理論が炭素鉱物のデータセットに適用され、その多様性と分布における新たなパターンが明らかになった。この分析により、どの鉱物が共存する傾向があるか、またどのような条件（地質学的、物理的、化学的、生物学的）がそれらと関連しているかがわかる。この情報は、新たな鉱床や新たな鉱物種を探す場所を予測するために使用できる。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

鉱物は、さまざまな商業製品や機械に使用される金属製品の重要な構成要素の鉱石として使用される鉱物、石灰石、大理石、花崗岩、砂利、ガラス、石膏、セメントなどの建築材料の重要な構成要素として使用される鉱物など、人間の社会のさまざまなニーズに不可欠です。 ^{[ 14 ]}また、鉱物は、農作物の成長を促進する肥料にも使用されます。

• 鉱物学史のバーチャル博物館