苦鉄質と珪長質の違い|火成岩の組成と鉱物の特徴

苦鉄質と珪長質の違い

苦鉄質と珪長質の定義と化学組成

 

苦鉄質(くてつしつ、mafic)は、岩石の組成を表す地質学用語で、「苦」はマグネシウム(苦土、Mg)を、「鉄」は鉄(Fe)を意味します。つまり苦鉄質岩石は、マグネシウムや鉄分を多く含む火成岩を指します。一方、珪長質(けいちょうしつ、felsic)は、「珪」が二酸化ケイ素(SiO₂、石英)を、「長」が長石を表しており、石英や長石に富み、鉄やマグネシウムには乏しい岩石を意味します。

 

参考）一般向けウェブページ用地質用語の解説
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化学組成の観点から見ると、珪長質岩は二酸化ケイ素の含有率が高く、約70%前後となります。中性岩では約60%前後、苦鉄質岩(塩基性岩)では約50%前後、超苦鉄質岩(超塩基性岩)では約45%以下となっており、二酸化ケイ素の含有量によって明確に区別されます。この化学組成の違いは、マグマの生成環境やマントル・地殻での形成プロセスと密接に関連しています。

 

参考）http://www2.city.kurashiki.okayama.jp/musnat/geology/rock/igneousrock/igneousrock2.html
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密度の面でも両者には顕著な違いがあります。ケイ素やアルミニウムに富む珪長質岩は白っぽく密度が低く、2.5~2.8g/cm³程度です。対照的に、マグネシウムや鉄に富む苦鉄質~超苦鉄質岩は黒っぽく密度が高く、2.8~3.5g/cm³となっています。

 

参考）https://www2.city.kurashiki.okayama.jp/musnat/geology/mineral-rock-sirabekata/rock44/rocks-hiju/rocks-hiju.html
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苦鉄質と珪長質の鉱物組成と色指数

苦鉄質鉱物と珪長質鉱物の違いは、含まれる鉱物の種類によって明確に区別できます。苦鉄質鉱物の多くは、鉄とマグネシウムが連続的に入れ替わる固溶体のような化学組成を持っています。苦鉄質鉱物は通常の大きさ(mmオーダー)で見た場合、色づいて見えるため「有色鉱物」と呼ばれます。代表的な有色鉱物には、黒雲母、角閃石、輝石、かんらん石などがあります。

 

参考）https://nh.kanagawa-museum.jp/kenkyu/epacs/museum2/b02.htm
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一方、珪長質鉱物は無色または白色であるため「無色鉱物」と呼ばれます。珪酸成分の多い石英や長石などは一般に白色となる傾向があります。珪長質鉱物は苦鉄質鉱物より比重が小さく、花崗岩や流紋岩などの酸性岩の主要鉱物です。

 

参考）五竜岳｜地質で語る百名山
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色指数は岩石分類の重要な指標となります。色指数とは、有色鉱物全体の体積百分率を基準とした値で、火成岩分類の基準の一つとなっています。超苦鉄質岩は色指数70%以上、苦鉄質岩は40~70%、中間質岩は10~40%、珪長質岩は10%以下と定義されます。
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神奈川県立生命の星・地球博物館の造岩鉱物解説ページでは、苦鉄質鉱物と珪長質鉱物の特徴について詳しい情報が記載されています

苦鉄質と珪長質の代表的な火成岩の種類

火成岩は、マグマの冷却速度によって火山岩と深成岩に分類され、さらに化学組成によって細分されます。苦鉄質岩の代表例として、火山岩では玄武岩、深成岩では斑れい岩が挙げられます。これらは塩基性岩とも呼ばれ、暗い色を呈しています。玄武岩は海洋底を構成する主要な岩石であり、マントル物質が部分溶融して生成されたマグマから形成されます。

 

参考）https://microhunter.shop/blogs/news/rock
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珪長質岩の代表例としては、火山岩では流紋岩、深成岩では花崗岩があります。これらは酸性岩とも呼ばれ、白色から灰色を呈します。花崗岩は大陸地殻の主要な構成岩石であり、地殻深部での長期間の冷却によって形成されます。
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中間的な性質を持つ岩石として、火山岩では安山岩、深成岩では閃緑岩があります。安山岩は島弧火山で一般的に見られる岩石で、日本列島の火山活動と密接に関連しています。

 

参考）火成岩 - Wikipedia
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岩石の色調は苦鉄質鉱物の含有量を反映しており、塩基性火成岩では黒色から濃い灰色、酸性火成岩では白色から灰色を呈します。この視覚的な違いにより、野外での岩石の大まかな分類が可能となります。
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苦鉄質と珪長質のマグマ生成メカニズム

苦鉄質マグマと珪長質マグマの生成プロセスは、地球内部の異なる環境で起こります。苦鉄質マグマは主に上部マントルの部分溶融によって生成されます。マントルはかんらん岩質の超苦鉄質岩から構成されており、プレートの沈み込みによって水が供給されると融点が下がり、部分溶融が起こります。この過程で生成された苦鉄質マグマは玄武岩質の組成を持ちます。

 

参考）20160517｜学術ニュース＆トピックス｜東京大学大気海洋…
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珪長質マグマの形成には複数のメカニズムが関与しています。一つは苦鉄質マグマの結晶分化作用です。マグマが冷却する過程で、融点の高い鉱物から順に晶出していきます。苦鉄質鉱物が先に結晶化して沈降すると、残りのマグマは相対的に二酸化ケイ素に富む珪長質組成へと変化していきます。この過程を経て、元々の苦鉄質マグマから珪長質マグマが生成されます。
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もう一つの重要なメカニズムは地殻物質の溶融です。地球史において約27~25億年前に大陸地殻の組成が苦鉄質から珪長質へと変化したことが判明しています。プレートテクトニクスによる沈み込みに伴ってマントルまで水が供給されるようになった結果、珪長質の大陸地殻の形成が始まったと考えられています。
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マグマ混合も重要なプロセスです。珪長質マグマ溜まりに苦鉄質マグマが注入すると、両者の境界層でマグマ混合が起こり、玄武岩質安山岩から安山岩マグマのハイブリッド層を形成します。このような複数のマグマの相互作用により、多様な組成の火成岩が生成されます。

 

参考）https://www2.jpgu.org/meeting/2015/session/PDF/S-VC47/SVC47-P15.pdf
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産業技術総合研究所地質調査総合センターの地質用語解説では、苦鉄質と珪長質について専門的な定義と解説が掲載されています

苦鉄質と珪長質が地球進化に果たした役割

苦鉄質岩と珪長質岩の関係は、地球の大気組成の変化にも大きく関わっています。約24億年前の大酸化イベント(Great Oxidation Event, GOE)は、地球史における最も劇的な環境変化の一つです。苦鉄質岩石は珪長質岩石に比べて酸素との反応性が非常に高いため、珪長質の大陸地殻が形成されるようになったことで大気中の酸素消費が激減し、GOEが起こったと考えられています。
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プレートテクトニクスの開始時期を示す重要な証拠として、ジルコン(ZrSiO₄)鉱物の生成急増が挙げられます。ジルコンが形成されるにはケイ酸に富むマグマの存在が必要であり、ジルコン生成の急増はプレートの沈み込みに伴い大量の水がマントルに供給されたことを示しています。約27~25億年前にかけて、それ以前の苦鉄質の大陸地殻に代わって珪長質の大陸地殻の形成が始まったのです。
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日本列島の地質学的特徴も、苦鉄質と珪長質の岩石分布によって特徴づけられます。本州弧には白亜紀以降新生代にかけて活動した珪長質~苦鉄質火成岩類が広く分布しています。新生代火山岩中には下部地殻から由来した苦鉄質グラニュライトや斑れい岩、上部マントルから由来した超苦鉄質岩が捕獲岩として含まれており、地殻とマントルの構造を知る手がかりとなっています。

 

参考）KAKEN href="https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-07304041/" target="_blank">https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-07304041/amp;mdash; 研究課題をさがす
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島弧火山における珪長質マグマと苦鉄質マグマの相互作用も注目されています。珪長質マグマ溜まりに苦鉄質マグマが注入すると、珪長質マグマの斜長石斑晶が溶融され、結晶内部に不均質な組織を形成します。このようなマグマ混合プロセスは火山噴火のトリガーとなる可能性があり、火山活動の予測においても重要な研究テーマとなっています。
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また、深成岩体における苦鉄質・珪長質マグマの同時活動も明らかになっています。近年のジルコン年代測定から、領家深成岩類の活動時期に苦鉄質及び珪長質マグマの同時性が裏付けられています。これは両タイプのマグマが同じマグマ溜まりシステムで共存していたことを示唆しており、地殻形成プロセスの複雑さを物語っています。

 

参考）https://www.gsj.jp/data/bulletin/63_01_full.pdf
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東京大学大気海洋研究所の研究では、大陸地殻の組成変化と大気中酸素濃度の関係について詳細に解説されています

 

 

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