植物のミカタ

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ケイ酸苦土肥料を用いた稲作の可能性を探る記事。ケイ酸は稲作に有効だが、風化しにくい石英ではなく、風化しやすいケイ酸塩鉱物である必要がある。ケイ酸苦土肥料の原料は蛇紋岩で、風化しやすいネソケイ酸塩であるかんらん石が変質して生成される蛇紋石を主成分とする。水田上流にこれらの岩石が存在し、水路がコンクリートで固められていない環境であれば、ケイ酸が水田に供給され、猛暑でも登熟不良を起こしにくい稲作が可能になる可能性がある。しかし、そのような環境は標高の高い涼しい地域に限られる。蛇紋石とかんらん石に加え、緑泥石の活用にも言及。さらに、植物が利用できるケイ酸は、微生物が鉱物から溶出したものが多いと指摘している。

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蛇紋石は、蛇紋岩の主成分である珪酸塩鉱物で、苦土カンラン石や頑火輝石が熱水変質することで生成される。肥料として利用される蛇紋石系苦土肥料は、残留物として1:1型粘土鉱物を土壌に残す可能性がある。蛇紋石自身も1:1型粘土鉱物に分類される。1:1型粘土鉱物は、一般的にCECや比表面積が小さく保肥力が低いとされるが、蛇紋石は他の1:1型粘土鉱物と比べて高いCECを持つ。この特性は、土壌への養分供給に影響を与える可能性があり、更なる研究が必要である。

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枕状溶岩の隙間にはゼオライトが充填されていることが多い。海底火山で急速に冷え固まった玄武岩質の枕状溶岩は、扇状のブロックが積み重なるため空隙ができ、そこに熱水が入り込みゼオライトが生成される。緑色岩（主成分は緑泥石）に分類される枕状溶岩は、表面が白く見える部分があり、これがゼオライトの可能性がある。また、緑色岩周辺の黒くフカフカした土は、ベントナイト、ゼオライト、腐植の組み合わせで形成されたと推測される。著者は専門知識が増えることで視野が広がる一方、初心の発想力を失うジレンマを感じている。

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ゼオライトは、沸石とも呼ばれる多孔質のアルミノケイ酸塩鉱物で、粘土鉱物のように扱われるが粘土鉱物ではない。凝灰岩などの火山岩が地中に埋没し、100℃程度の熱水と反応することで生成される。イオン交換性や吸着性を持つ。記事では、凝灰岩が熱水変質によってゼオライトや粘土鉱物などに変化する過程が解説され、同じ火山灰でも生成環境によって異なる鉱物が形成されることが示されている。ベントナイト系粘土鉱物肥料の原料である緑色凝灰岩とゼオライトの関連性にも触れられている。

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この記事では、粘土鉱物の生成過程、特に続成作用に着目しています。海底で風化した鉱物は海底に堆積し、海のプレートの移動に伴って海溝付近で圧力を受けることで続成作用が起こります。この作用により、堆積物中の水分が反応に関与したり、熱水変質が起こったりすることで、スメクタイト、緑泥石、イライト、混合層鉱物といった2:1型の粘土鉱物が生成されます。これらの粘土鉱物は粘土鉱物系の肥料の成分として重要であり、この記事は肥料検討に必要な知識を提供することを目的としています。海底風化は陸上風化とは異なり、海水中のミネラルイオンや硫酸イオンが関与し、隆起後の風化にも影響を与えます。

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高温のシリケイトメルト（溶けたケイ酸塩）中では、水は水酸基(OH)や分子水として存在し、ケイ素周りのM-O-M構造と反応する。具体的には、H₂O + M-O-M ⇔ 2M-OH の反応式で表され、水は網目形成イオン(Si, Al)と反応し、OH基を形成する。これは、熱水変質作用で鉱物にOH基が付与される現象と類似している。つまり、温度は大きく異なるが、シリケイトメルトと堆積した珪酸塩鉱物における水の反応には共通点があると考えられる。

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凝灰岩が地下深くに埋没し、熱水変質作用を受けることで粘土鉱物が生成される。熱源の深さや熱水の流動性、水素イオン濃度、温度などが生成される粘土鉱物の種類（スメクタイト、沸石など）に影響する。山陰地方で産出される沸石凝灰岩は土壌改良材として利用される。モンモリロナイトや沸石は、凝灰岩が熱水変質作用を受けた後、地質学的イベントで隆起し地表に出現することで採掘可能になる。これらの粘土鉱物を土壌に投入すると、非アロフェン質の黒ボク土へと変化する可能性がある。

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鉱物の風化と植物の死が、岩石を土壌へと変える過程を解説している。岩石は、風化によって物理的・化学的に分解され、細かい粒子となる。物理的風化は、温度変化や水の凍結などにより岩石が砕ける現象。化学的風化は、水や酸素などが岩石と反応し、組成が変化する現象。生成した粘土鉱物は保水性や保肥性に優れ、植物の生育に適した環境を作る。さらに、植物の死骸は微生物によって分解され、有機物となる。この有機物は土壌に養分を供給し、団粒構造を形成、通気性や保水性を向上させる。つまり、岩石の風化と植物の死骸の分解が土壌生成の重要な要素であり、両者の相互作用が豊かな土壌を育む。

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長野県栄村の小滝集落訪問をきっかけに、苗場山麓ジオパークのガイドブックを入手。ガイドブックによると、栄村南東の新潟県津南町結東に苗場山麓最古の地層とグリーンタフ（緑色凝灰岩）が存在するとのこと。結東は現在海から離れているが、太古の昔は海の近くだったためグリーンタフが形成されたと推測される。結東層は安山岩や玄武岩などが変質した緑色凝灰岩から成る。著者は兵庫県竹野海岸で見た鮮やかな緑色のグリーンタフを思い出し、結東のグリーンタフも同様のものか興味を持ち、現地訪問を計画している。信濃川北側はかつて海だったという情報にも触れ、日本列島の形成過程との関連を示唆している。

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植物は土壌中からケイ酸を吸収し、強度を高める。吸収の形態はSi(OH)4で、これはオルトケイ酸(H4SiO4)が溶解した形である。オルトケイ酸はかんらん石などの鉱物に含まれ、苦鉄質地質の地域ではイネの倒伏が少ない事例と関連付けられる。一方、二酸化ケイ素(シリカ)の溶解による吸収は限定的と考えられる。ケイ酸塩からの吸収は、酸による反応が推測されるが、詳細は不明。可溶性ケイ酸はアルミニウム障害も軽減する効果を持つ。つまり、イネのケイ酸吸収は、土壌中の鉱物組成、特にかんらん石の存在と関連し、可溶性ケイ酸の形で吸収されることで、植物の強度向上に寄与する。

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岩石が風化して粘土鉱物となり、更に植物の死骸が分解された腐植と結合することで、植物にとって良好な土壌環境が形成される。腐植と粘土鉱物は互いに分解を防ぎ合い安定した状態を保ち、作物の生育を促進する。植物のリグニンは、植物体を固くする役割を持つと同時に、分解されて土壌中で鉱物と馴染み、土壌改良に貢献する。この自然界の精巧なメカニズムは、偶然か必然かは不明だが、絶妙なバランスの上に成り立っており、このバランスが崩れると土壌環境は容易に変化する。腐植と粘土鉱物の結合、リグニンの分解による土壌改良効果など、自然界の巧妙な仕組みが土壌の肥沃度を高めている。

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粘土鉱物の保肥力向上に寄与する同型置換について解説。Si四面体やAl八面体構造において、Si⁴⁺がAl³⁺、Al³⁺がMg²⁺などに置換されることで、全体が負に帯電する。この負電荷が養分を引き付けるため、保肥力が高まる。置換されたAl³⁺は水と反応し、水酸化アルミニウムAl(OH)₃とH⁺を生成する。この水酸化アルミニウムは、正長石からカオリナイト(1:1型)が形成される過程にも関与する。同型置換は粘土鉱物の風化過程で発生し、2:1型から1:1型への変質にも関連している。

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ブルカノ式火山の火山灰土壌は、輝石や角閃石といった造岩鉱物を多く含み、植物の生育に有利な性質を持つ。これらの鉱物は風化速度が速いため、カリウムやマグネシウム、カルシウム、鉄などの植物必須元素を供給する。また、風化過程で粘土鉱物が生成され、保水性や保肥性を向上させる。ただし、リン酸固定能が高いため、リン酸肥料の施用には注意が必要となる。さらに、火山性土壌特有の軽石や火山礫は、土壌の通気性や排水性を高める効果がある。これらの特性から、ブルカノ式火山由来の土壌は、適切な管理を行うことで高い生産性を持つ農地となる可能性を秘めている。

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粘土鉱物の理解を深めるため、各地のジオパークや博物館で得た情報をもとに、土壌における役割を考察している。地震や火山活動により長石などのアルミノ珪酸塩が粘土鉱物に変質する過程に着目し、図鑑で長石の種類や変質経路を調べた。温泉のpH変化と粘土鉱物の関係、黒ボク土のアロフェンと非アロフェンの起源にも触れ、どちらもアルミノ珪酸塩の二次鉱物であることを指摘。最終的に、アルミノ珪酸塩の分布と火成岩の関係へと議論を展開する。

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大鹿村の中央構造線安康露頭では、日本列島を東西に分ける大断層である中央構造線の露頭を見ることができる。ここでは、内帯の領家変成帯と外帯の三波川変成帯が接しており、異なる時代の地層が押し付け合う様子が観察できる。領家変成帯は高温低圧型変成岩で構成され、花崗岩などがみられる。一方、三波川変成帯は低温高圧型変成岩で、緑色片岩や青色片岩などが特徴的。この露頭は、地質学的に重要なだけでなく、断層活動による地殻変動を理解する上で貴重な場所となっている。

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高アルカリ性温泉のpHが10前後になるメカニズムを考察。炭酸塩も要因だが、主な理由は、造岩鉱物である灰長石がモンモリロナイト、さらにローモンタイトといった粘土鉱物に変質する過程にあると推測される。この変質時、水素イオンが鉱物に取り込まれたり、水酸化物イオンと中和反応を起こしたりすることで、周囲のpHが上昇する。この粘土鉱物の変質は土壌でも日常的に起こっており、土壌の緩衝性（pH調整能力）が、有機酸だけでなく土を構成する鉱物自体の作用によっても発揮されるという新たな理解を得た。

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茄子の糠漬けの色素ナスニンは不安定だが、アルミニウムと結合すると安定する。ナスニンはアジサイの色素デルフィニジンと同じ骨格を持ち、アルミニウムと結合すると青色になる。酸性土壌でアルミニウムが溶脱しアジサイが青くなるのと同様に、糠漬けでもアルミニウムとナスニンの結合が色の変化に関わっている可能性がある。ナス漬けの色が悪くなる原因はナスニンとアルミニウムの結合がうまくいかないことかもしれない。

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ベントナイトは火山灰が水中で変成した岩石で、モンモリロナイトなどの2:1型粘土鉱物を多く含む。吸水性、膨潤性、粘結性に優れ、農業や工業で幅広く利用される。成分分析によると、山形県月布産のベントナイトはスメクタイトが約半分、二酸化ケイ素などの無色鉱物が約1/3、残りはミネラルで構成される。構成ミネラルは元の火山灰に依存するため産地により変動する。ベントナイトは玄武岩質の火山灰だけでなく、他の火山灰からも形成されることがグリーンタフの観察から示唆されている。その高い粘土鉱物含有量から、農業利用での秀品率向上に貢献する可能性がある。