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カルカイトと混同しないでください。
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CaCO3​
IMAシンボルカル
ストランツ分類5.AB.05
結晶系三角
クリスタルクラス六角形不等辺面体（3m）
HM記号：（3 2/m）
空間群R 3 c
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乳白色ですが、茶色がかった色合いの場合もあります。
クリスタル習慣ブドウ状、凝結状、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方向に完全である[ 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
融合性不溶性（精力的に衰弱する）[ 2 ]
溶解度希酸に可溶
その他の特徴南西または長波の紫外線下では赤、青、黄色などの蛍光を発することがあります。また、燐光性もあります。
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。非常に一般的な鉱物で、特に石灰岩の成分としてよく使用されます。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3と定義されています。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様々な用途に使用されています。

炭酸カルシウムの他の多形体には、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。

語源

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方解石（calcite）はドイツ語のCalcitに由来する。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が付加されたものである。つまり、chalk（チョーク）の二重語である。[ 8 ]

考古学者や石材業界の専門家がアラバスターという用語を用いる場合、地質学や鉱物学では石膏の一種を指すのに用いられるが、アラバスターに似た半透明の細粒の縞状鉱床を指す場合にも用いられる。[ 9 ]

単位格子とミラー指数

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方解石の結晶構造

出版物では、方解石結晶を含む六方晶系および菱面体晶系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3 つのミラー指数h、k、l を使用するか、方向に4 つのブラヴェ・ミラー指数h、k、i、l を使用します。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。

方解石の単位格子には2つの定義があり、これが複雑さをさらに増しています。1つは、より古い「形態学的」単位格子で、通常はゴニオメーターを用いて結晶面間の角度を測定し、それに適合する最小値を探すことで推定されました。後に、「構造学的」単位格子はX線結晶構造解析を用いて決定されました。形態学的単位格子は菱​​面体形で、おおよその寸法はa = 10 Å、c = 8.5 Åです。一方、構造学的単位格子は六角形（すなわち菱形 柱）で、おおよその寸法はa = 5 Å、c = 17 Åです。同じ配向の場合、形態学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。例えば、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、しばしば形態学的単位で表されます。[ 4 ] [ 10 ]

プロパティ

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方解石の特徴的な特性としては、モース硬度3、比重2.71、そして結晶形態によってはガラス光沢が見られます。色は白色または無色ですが、不純物を含むと灰色、赤、オレンジ、黄色、緑、青、紫、茶色、さらには黒色の色合いを呈することもあります。[ 4 ]

クリスタル習慣

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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、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) に面を持つ偏三面体と、{1 0 1} または {1 0 4} 方向 (最も一般的な劈開面) に面を持つ菱面体です。[ 10 ]晶癖には、鋭角から鈍角の菱面体、板状の晶癖、柱状、さまざまな偏三面体があります。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、または緻密質として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。その破片は貝殻状であるが、入手が困難である。

偏三面体面はキラルであり、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な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。菱面体面はキラルではない。[ 10 ] [ 12 ]

  • 菱面体方解石
    菱面体方解石
  • スケレノヘドラル方解石
    スケレノヘドラル方解石
  • 柱状方解石
    柱状方解石
  • 柱状方解石
    柱状方解石
  • 鍾乳石方解石
    鍾乳石方解石
  • 六方晶系方解石
    六方晶系方解石
  • 十二面体方解石
    十二面体方解石
  • 双錐方解石
    双錐方解石
  • ドルーズ方解石
    ドルーズ方解石
  • 双晶方解石
    双晶方解石
  • 球状方解石
    球状方解石
  • ブドウ状方解石
    ブドウ状方解石

光学

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特徴的な複屈折光学挙動を示す方解石の写真
445 nmレーザーを用いた方解石の複屈折の実証

方解石は透明から不透明まで様々で、稀に燐光や蛍光を発することがあります。「アイスランド・スパー」と呼ばれる透明な変種は、光学用途に用いられます。[ 13 ]鋭角偏斜面体結晶は「ドッグトゥース・スパー」と呼ばれることもあり、菱面体結晶は「ネイルヘッド・スパー」と呼ばれることもあります。[ 2 ]菱面体結晶は、アイスランドのサガに記されているヴァイキングの航海士が使用した「サンストーン」であった可能性もあります。[ 14 ]

方解石単結晶は、複屈折（複屈折）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。方解石を用いた複屈折効果は、 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記述されました。波長約590nmにおいて、方解石の常光屈折率と異常光屈折率はそれぞれ1.658と1.486です。[ 15 ] 190nmから1700nmの間では、常光屈折率はおおよそ1.9から1.5の間で変化し、異常光屈折率は1.6から1.4の間で変化します。[ 16 ]

熱ルミネッセンス

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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 などの活性剤イオンを加えて、熱や光の放出の有無を観察する実験が行われました。その結果、（Cu +、Cu 2+、Zn 2+、Ag +、Bi 3+、Fe 2+、Fe 3+ 、Co 2+、Ni 2+）イオンを加えても反応しないことが示されました。[ 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+が方解石格子で活性剤として作用している ことがわかりましたが、 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準位を供給するため、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します。[ 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たり、年代を決定したりするのにも役立ちます。[ 17 ]

化学薬品

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方解石は、ほとんどの炭酸塩と同様に、次の反応によって酸に溶解する。

CaCO 3 + 2H + → 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。

二酸化炭素は酸性であるため、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 (s) + H 2 O + CO 2 (aq) → Ca 2+ (aq) + 2HCO−3（アクア）

溶存二酸化炭素の量が減少すると、反応は逆転して方解石を沈殿させる。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となる。沈殿に適した条件では、方解石は岩石粒子を固め、亀裂を埋める鉱物コーティングを形成する。溶解に適した条件では、方解石の除去によって岩石の多孔性と透水性が劇的に増加し、これが長期間続くと洞窟の形成につながる可能性がある。炭酸カルシウムに富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、さまざまな形態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。これは、温度が上昇すると水への溶解度が低下するというものです。また、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4%を境に、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、これはドロマイト（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に蛍光の原因となる可能性がある。[ 22 ]

分布

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方解石は世界中で発見されており、その主な世界的な分布は次のとおりです。

アメリカ合衆国

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ミシガン州方解石採石場。

方解石はアメリカ合衆国の様々な地域で産出されます。その好例の一つがミシガン州のカルサイト採石場です。 [ 23 ]カルサイト採石場は世界最大の炭酸塩鉱山であり、85年以上も操業を続けています。[ 23 ]これらの大規模な露天掘り鉱山からは、大量の方解石が採掘されます。

カナダ

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方解石はカナダ全土で産出されており、例えば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も産出されています。[ 24 ]

メキシコ

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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ます。[ 25 ]

アイスランド

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アイスランドでは、ヘルグスタジル鉱山に大量の方解石が集中しています。[ 26 ]この鉱山はかつて「アイスランドスパー」の主な採掘地でした。[ 27 ]しかし、現在は自然保護区となっており、方解石の採掘は禁止されています。[ 27 ]

イングランド

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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産出されます。[ 26 ]

ドイツ

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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 ]

使用と応用

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ツタンカーメン（紀元前1323年没）の墓から発見された方解石またはアラバスター製の香水瓶のうちの1つ

古代エジプト人は方解石を多くの彫刻作品に用い、方解石を女神バストと関連付けました。バストとの密接な関連性から、バストの名前がアラバスターという名称の由来となっています。他の多くの文化でも、同様の彫刻作品や用途に方解石が用いられてきました。[ 28 ]

アイスランドスパーとして知られる透明な方解石は、曇りの日の航海にバイキングが使用していたと考えられています。方解石の非常に純粋な結晶は、太陽光線を偏光が主光線からわずかにずれているため、二つの像に分割することができます。結晶を通して空を観察し、二つの像の明るさが等しくなるように結晶を回転させると、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ます。太陽の位置を特定できれば、船乗りたちは長い航海における航海の基準点を得ることができたでしょう。[ 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、特に爆撃照準器と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板（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ました。[ 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用いられています。[ 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、六角柱などの特殊な結晶性のため、特定の形状と粒子サイズのPCCの生成を促進します。[ 36 ]

80kgのカラーラ大理石サンプルから得られた方解石[ 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ます。しかし、人工方解石は、その制御性と再現性から、骨組織工学における足場材料として好まれています。[ 39 ]

方解石は、シアノバクテリアの過剰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することができます。湖や河川では、富栄養化によりシアノバクテリアの大発生を引き起こし、水資源を汚染する可能性があります。[ 40 ]リン（P）はシアノバクテリアの過剰増殖の主な原因です。[ 40 ]方解石は活性被覆材として、堆積物から水中へのPの放出を減少させ、シアノバクテリアの過剰増殖を抑制するのに役立ちます。[ 40 ]

自然発生

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方解石は堆積岩、特に石灰岩の一般的な構成物質であり、その多くは海洋生物の死骸から形成されます。堆積岩の約10%は石灰岩です。石灰岩は変成 大理石の主成分です。また、温泉鉱床では鉱脈鉱物として、洞窟では鍾乳石や石筍として、またカーボナタイトやキンバーライトなどの火山岩やマントル起源の岩石、あるいは稀にペリドタイトにも含まれています。

サボテンはシュウ酸カルシウムのバイオミネラルを含んでいます。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へと変化し、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）、紅藻類の硬質部分、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（カキやニベなど）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、そこでは微生物が自然の形成に貢献したと考えられている。2億5千万年前に絶滅した三葉虫は、透明な方解石の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、鳥の卵殻の大部分を構成しており、餌のδ13Cが殻の方解石のδ13Cに反映されている。 [ 44 ]

記録に残る最大の方解石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理平行脈は、採石業界ではビーフと呼ばれることが多く、有機物に富んだ暗い泥岩や頁岩に見られ、これらの脈は続成作用中に流体圧力が上昇することによって形成されます。[ 47 ]

形成プロセス

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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、オストワルド成熟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体相の結晶化、またはナノ結晶の凝集を経て進行するいくつかの経路で進行します。[ 49 ]

ACCの結晶化は2段階で起こる。第一段階として、ACCナノ粒子は急速に脱水・結晶化して、個々のバテライト粒子を形成する。第二段階として、バテライトは溶解・再沈殿のメカニズムによって方解石へと変化する。反応速度は方解石結晶の表面積によって制御される。 [ 50 ]反応の第二段階は、約10倍遅い。

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。混合中の初期pHが中性の場合、ACCはバテライト中間体を介さずに直接方解石に変換される。しかし、ACCが塩基性の初期pHで溶液中に形成される場合、方解石への変換は、上記で概説した経路に従って、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への変換の両方に顕著な影響を及ぼし、このイオンがバテライトの構造を不安定化させるため、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異なる形態を示す。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示し、化学的に風化した表面での成長はStranski-Krastanov成長の特徴を示し、未処理の劈開面上での成長はFrank-van der Merwe成長の特徴を示す。[ 51 ]これらの違いは、表面粗さが層の凝集ダイナミクスに及ぼす影響によるものと思われる。

方解石は、微生物の活動、例えば硫酸塩依存性メタンの嫌気性酸化反応に反応して地下で形成されることがある。この反応では、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する。これらのプロセスは、方解石の炭素同位体組成によって追跡することができる。方解石では、 13 C同位体が極端に減少しており、 PDB（δ 13 C）では最大で-125パーミルPDBに達する。[ 52 ]

地球の歴史の中で

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地球の歴史において、海水中の主な炭酸カルシウムの無機沈殿物が低マグネシウム方解石（lmc）であった時代には、方解石海が存在していました。これは、今日のアラゴナイトや高マグネシウム方解石（hmc）とは対照的です。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した。系統は、鉱化された時点で海で好ましい炭酸カルシウムの形態を利用するように進化し、その後の進化の歴史を通じてこの鉱物学的特性を保持しました。[ 53 ]これらの方解石海の状態を示す岩石学的証拠は、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で構成されています。[ 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ります。[ 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一つであり、生命の起源において役割を果たした可能性がある。[ 10 ]方解石のキラルな表面（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。これが、生細胞におけるホモキラリティーの起源の考えられるメカニズムの一つである。[ 56 ]

気候変動

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海洋の酸性化により pH が低下し、殻を持つ生物の石灰化に影響を及ぼします。

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CO2を吸収します。 [ 57 ]海洋が吸収する人工CO2の総量は118 ± 19 Gt Cと計算されています。[ 58 ]大量のCO2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の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。海洋の酸性化によって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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参照

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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。

参考文献

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