高校地学 続成作用と堆積岩—圧密と膠結を分けて粒子とすき間の変化を説明する｜武蔵野個別指導塾

粒子の移動とセメントの沈殿を区別し、体積表から間隙率を求めて考える続成作用です。

よくあるのは、堆積物が上から押されて薄くなる図を見て、「圧密で粒子そのものが消えた」と考える場面です。粒子の並びが詰まることと、粒子が溶けたり砕けたりすることは別の変化です。粒子とその間の空間を分けて追うと、体積が減った理由を説明できます。さらに、すき間に後から鉱物ができる膠結も加えて、観察から言えることと言えないことを整理します。

何を手がかりに考えるか

堆積物が堆積岩になる過程を考える問題では、粒子の接触、粒子間の空間、そこにできた鉱物を区別します。観察問題なら、粒子の境界と接触部を見て、どの部分がもとの粒子で、どの部分が後からできた可能性のある物質かを記録します。見た目の硬さだけでは原因を決められません。計算問題なら、試料全体の体積に対して間隙が占める体積の割合を求めます。

記述問題では「上に堆積物が重なり、粒子が移動して接近し、間隙が減る」という因果の順序が役立ちます。ただし、実際の岩石では粒子の破砕や溶解も起こりえます。粒子体積が一定という条件は便利なモデルであり、自然のあらゆる試料で保証される事実ではありません。問題の条件と観察の証拠を先に確認しましょう。

粒子、間隙、セメントの役割

続成作用は、堆積した物質が埋没後に受ける物理的・化学的な変化の総称です。ゆるい堆積物が固結して堆積岩になる過程を含みます。圧密は、上に重なる堆積物の重みなどによって堆積物が詰まり、体積が減る過程です。粒子の配置が変わり、間隙中の水が外へ移動できれば、粒子間の空間は小さくなります。

図1のように、圧密の単純なモデルでは粒子の数と大きさを保ったまま、配置が変化します。粒子が消失したと考えなくても、全体が薄くなることを説明できます。図の色は区別のための模式色で、実際の粒子や鉱物の色を示していません。

図1では、次に粒子間にセメントが生じています。膠結は、間隙水に溶けていた成分から鉱物が沈殿し、粒子の間を埋めたり粒子同士を結びつけたりする作用です。圧密は主に配置と体積の変化、膠結は新たな鉱物による結びつきとして区別します。両者は同じ埋没の歴史の中で重なって進むこともあり、図の順番がすべての岩石に当てはまるわけではありません。

間隙は固体粒子やセメントに占められていない空間です。水で満たされていても間隙に含めます。水があるから固体と数えるのではありません。間隙率は、間隙の体積を試料全体の体積で割り、百分率に直した量です。全体には粒子、セメント、残った間隙が含まれます。セメントは固体なので、間隙に足しません。

間隙率 = (間隙の体積)/(試料全体の体積)・100

式は、全体を同じ大きさの小区画に分けたとき、間隙に当たる部分がどの割合かを表しています。粒子の体積が一定でも、全体が縮めば分母も変わります。減った間隙の体積を、元の全体積で割った値と、変化後の間隙率は異なる量です。単位をそろえてから割り、最後に百分率を付けます。

薄片などの断面では粒子や間隙の形を観察できますが、1枚の断面の面積比が必ず試料全体の体積比になるとは限りません。切る位置、粒子の向き、見える範囲の偏りに注意します。間隙が互いにつながっているかも、間隙の総量とは別の性質です。同じ間隙率でも通り道の連続性は異なりえます。

基本例題：体積を分けて数える

自作の条件です。ある堆積物を囲む範囲の体積は初め100 cm³、うち粒子は60 cm³、間隙は40 cm³です。粒子は変形・溶解せず、粒子の出入りもありません。圧密で間隙水が外へ出て全体積が80 cm³になりました。セメントは生じません。圧密後の間隙率を百分率で整数として求め、その理由を記してください。体積は正確な条件とします。

図2のように、粒子の体積を固定し、全体から差し引いて間隙を求めます。図は体積を長方形の面積に対応させた模式図です。水の矢印は間隙水の移動を示します。

まず、圧密後も粒子は60 cm³です。圧密後の間隙は80 − 60 = 20 cm³です。よって間隙率は(20)/(80)・100 = 25%です。初めは(40)/(100)・100 = 40%なので、間隙率は15ポイント下がりました。答えは25%、粒子が消えたためではなく、粒子の配置が詰まり水が外へ出たためです。

逆に、求めた25%を後の全体積80 cm³にかけると間隙は20 cm³です。これに粒子60 cm³を加えると80 cm³へ戻ります。初めの間隙40 cm³との差20 cm³は、条件上、外へ出た水に対応します。粒子が一定という条件と水の移動先まで戻して確かめると、分母の取り違えを見つけられます。

別の方法では、全体積が100 cm³から80 cm³へ20 cm³減ったことを使います。粒子は一定でセメントもないので、減少分は間隙から引きます。40 − 20 = 20 cm³となり、同じ答えです。ただし粒子の溶解やセメントの生成がある場合、この近道はそのまま使えません。

標準例題：膠結と圧密を区別する

自作の条件です。試料Aは全体積120 cm³、粒子体積72 cm³、残りは間隙です。全体積と粒子体積は変わらず、間隙内にセメントが12 cm³沈殿しました。沈殿後の間隙率を百分率で整数として求め、主な変化を圧密か膠結かで答えてください。体積は正確な条件です。

初めの間隙は120 − 72 = 48 cm³です。セメントは固体なので、残る間隙は48 − 12 = 36 cm³です。(36)/(120)・100 = 30%となります。鉱物が間隙に沈殿したという条件から、主な変化は膠結です。粒子72 cm³、セメント12 cm³、間隙36 cm³の合計は120 cm³に戻ります。

間隙率だけを見ると、圧密でも膠結でも低下しえます。低下という結果から過程を一意に選ばず、新たな鉱物の有無や粒子の接触を観察します。反対に、セメントの有無が記されず、前後の間隙率だけが与えられたときは、どちらが原因か決められません。両方が関与する可能性も残ります。

発展例題：測定の設計と限界

自作の資料です。別の2試料B、Cの全体積はともに200 cm³です。測定された固体部分はBが150 cm³、Cが160 cm³でした。固体には粒子とセメントの両方が含まれ、試料の欠損や測定誤差はないとします。それぞれの間隙率を百分率で整数として求め、Cの方が圧密を強く受けたと断定できるか答えてください。

Bの間隙は200 − 150 = 50 cm³で、間隙率は25%です。Cは200 − 160 = 40 cm³で、間隙率は20%です。25%と20%をそれぞれ200 cm³に戻すと50 cm³と40 cm³となり、固体を足せばどちらも200 cm³です。Cの間隙率は小さいものの、セメントの量や堆積時の粒子の並びが異なる可能性があり、圧密の強さは断定できません。

比較を進めるには、粒子の種類や大きさの分布が似た試料を選び、粒子の接触と間隙を埋める鉱物を同じ倍率で観察します。採取位置や方向を記録し、複数の場所を調べます。薄片作製や器具を用いた測定は学校の指導の下で行い、破損した試料は欠けた範囲を記録して再測定します。見えない部分を勝手に埋めて値を出すと、比較の根拠が失われます。

体積測定では、試料の形が不規則で外形の読み取りに誤差が生じたり、閉じた間隙に測定用の流体が入らなかったりします。流体が入る間隙だけを測れば、閉じた間隙を含む全間隙より小さく出る可能性があります。器具の校正、乾燥状態、測定対象をそろえ、繰り返した値のばらつきを記録します。装置が途中で止まった場合は、その値を完了した測定値として扱わず、原因を確認してやり直します。

例えば横軸に埋没の深さ、縦軸に間隙率をとったグラフで、点が右下がりに並ぶなら、深い試料ほど間隙率が小さい傾向を読み取れます。ただし、異なる場所から集めた点は同じ試料の時間変化を直接追ったものではありません。粒子の種類やセメント量が違えば傾きに影響します。点の散らばりと軸の単位を確かめ、線を範囲外へ延ばして値を断定しないことも必要です。

間違いを図で直す

「体積が減ったから粒子が消えた」という答えは、全体とその内訳を一緒に扱ったことが原因です。図3のように、粒子が残っていても粒子間の空間は狭くなります。まず粒子の出入りや溶解があるかを条件から探し、指定がなければ観察から確実に言える範囲を答えます。

図3の右側では、粒子は残り、間隙が狭くなっています。「圧密なら粒子は絶対に壊れない」と言い直すのも行き過ぎです。単純な計算の条件と実際に生じうる破砕を分けてください。粒子の消失を主張するには、粒子の量や溶解の跡など、独立した証拠が必要です。

もう一つの誤りは、間隙が20 cm³なら間隙率も20%とすることです。全体が100 cm³のときにたまたま数値が一致するだけで、全体が80 cm³なら25%です。単位が体積なのか割合なのかを確認し、必ずその時点の全体積で割ります。観察写真が不鮮明で境界を判定できない場合も、見えたことにせず、別の視野や測定法で確かめます。

練習問題

以下はすべて自作の条件です。与えた数値は正確です。間隙率は百分率で求め、小数になる場合は小数第1位を四捨五入して整数で答えてください。各問は独立しています。

1. 試料Dは全体積150 cm³、粒子体積90 cm³です。セメントはありません。間隙率を求めてください。
2. 試料Eは全体積100 cm³、粒子体積70 cm³、間隙30 cm³です。粒子体積を保ち、圧密後の全体積が84 cm³になりました。セメントはありません。圧密後の間隙率を求めてください。
3. 試料Fは全体積80 cm³、粒子体積48 cm³、間隙32 cm³です。全体積と粒子体積が変わらず、間隙内にセメントが8 cm³生じました。残る間隙率と作用名を答えてください。
4. 試料GとHは現在の間隙率が等しく、Gには粒子間を埋めるセメントが観察されます。Hのセメントの有無は不明です。両試料が同じ程度の圧密を受けたと断定できるか、理由を添えて答えてください。
5. 試料Jの測定で、全体積は読めましたが、測定器が停止して間隙体積は得られませんでした。前回の別試料の値を代用して間隙率を出してよいか、次にとる行動とともに答えてください。

練習の答えと確かめ方

1. 間隙は150 − 90 = 60 cm³なので、(60)/(150)・100 = 40%です。150 cm³の40%は60 cm³で、粒子90 cm³と合わせると150 cm³に戻ります。
2. 圧密後の間隙は84 − 70 = 14 cm³です。(14)/(84)・100 = 16と3分の2%なので、整数に四捨五入して17%です。丸める前の値を84 cm³にかけると14 cm³に戻ります。初めの間隙30 cm³との差16 cm³は全体の減少分と一致します。
3. 間隙は32 − 8 = 24 cm³、間隙率は(24)/(80)・100 = 30%です。作用は膠結です。粒子48 cm³、セメント8 cm³、間隙24 cm³の和は80 cm³で、与えられた全体積に戻ります。
4. 断定できません。Gのセメントは間隙を埋めた証拠ですが、Hのセメント量や両試料の堆積時の間隙率は示されていません。現在の値が等しくても、圧密と膠結の寄与は異なりえます。Hの観察と初期状態の手がかりが必要です。
5. 代用してはいけません。別試料の間隙体積はJの条件を表さないため、Jの間隙率はまだ求められません。停止の原因と試料の状態を確認し、測定条件を記録して再測定します。再測定が不可能なら、値を欠測として扱います。

覚えておくこと

• 圧密では粒子の配置が詰まり、間隙水が移動して全体積が減りえます。
• 膠結では間隙に沈殿した鉱物が粒子を結びます。
• 間隙率は、その時点の間隙体積を全体積で割って求めます。
• 間隙率の低下だけでは圧密と膠結の寄与を決められません。
• 粒子体積一定は条件として確かめ、自然の試料に無条件で広げません。

手が止まったときの確かめ方

答えが出ないときは、試料全体を粒子、セメント、間隙に分け、各体積の横に変化前か変化後かを書きます。粒子が減ったと書いたなら、その条件や証拠に線を引きます。線を引けない場合は、粒子の移動と間隙の減少で説明できないか考え直します。

個別指導の場では、図を指しながら粒子の境界を示し、次に式の分母が何を表すかを口に出して確かめます。観察結果と推定を別々に話し、見えない部分を断定していないかも点検します。体積の内訳と根拠を対応させると、続成作用の説明は条件に沿って組み立ちます。