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岩石物性調査法

岩石の諸性質（岩石物性: rock properties）

・鉱物学的 (Mineralogy)・・・・鉱物の種類・化学的 (Chemistry)・・・・主成分10元素、微量元素・物理的 (Physical property)

・・・・かさ密度（乾燥単位体積重量）、含水比、間隙率（空隙率）など

・力学的 (Mechanical property)

・・・・圧縮強度、引張強度など

Methods of Rock Property Measurements

鉱物学的性質: Mineralogical property (Mineralogy)

鉱物の種類

一次鉱物（造岩鉱物）石英 (quartz)、正長石(K-feldspar)、斜長石(plagioclase)、黒雲母(biotite)、角閃石(amphiboles)、輝石(pyroxene)、かんらん石(olivine)、磁鉄鉱 (magnetite)など

二次鉱物（粘土鉱物）カオリン鉱物（kaolone minerals) ・・・カオリナイト(kaolinite)など

スメクタイト（smectite)・・・モンモリロナイト(montmorillonite)など

雲母粘土鉱物 (mica clay minerals)、イライト (illite)、緑泥石(chlorite)など※セラミックや工業原料にも利用されている。（日本における粘土鉱物学は、特にその傾向が強い。）Application → ceramics industries etc…

地すべりを引き起こす原因の一つ。

石英 角閃石 長石

雲母(Mica)

花崗岩構成鉱物花崗岩

磁鉄鉱: magnetite

長石: feldspar

黒雲母: biotite

花崗岩の微細構造(顕微鏡観察)

結晶が組み合わさっている(完晶質)

石英: quartz

Micro Texture of Granite

鉱物の分析方法

X線回折装置X ray diffraction analysis

制御部（パソコン、サーバ）

Cooling water

波動の回折現象を利用

し、物質中の原子・分子

配置の周期性に関する

情報を得るための装置

Techniques of Mineral anarlysis

PC-controle

冷却水送水装置

鉱物の分析方法

Ｘ線発生部（管球）

試料（粉砕した岩石・鉱物・土壌）

Technics of Mineral anarlysis

Samples (Rocks, soils, etc…)

X-ray Tube

制御部

PC-controle

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測定原理

測定試料 samples：一般に粉末 powder

原子・分子が空間的に規則正しく配置している結晶の集合体。”Crystal aggregate”

この原子・分子の周期構造を回折格子として利用。

しかし、回折現象が観測されるためには、さらに格子間隔と同程度の波長の「光」が必要。

Light…wave length → X-ray

中性子線や電子線も該当するが、実験室系での測定にはＸ線が最も広く、日常的に利用されている。

Principles of measurement 結晶中での各原子の配列、原子・分子間の距離は物質に固有であり、化合物が異なれば回折パターンも異なる。 Different materials

→ different diffractive patterns

これにより、化合物に含まれている結晶成分を同定することが可能で、特に無機物質に対して威力を発揮する。 → to be able to determine crystal

materials (especially inorganic materials)

Ｘ線回折は非破壊で測定を行うことができ、また試料調製も多くの場合不要なため、結晶性物質の簡便な同定法として広く用いられている。

d1

結晶中での各原子の規則的配列の例

これらの原子を通るような面（青色、紫色の面）を考えると、結晶はこれらの面が等間隔で無数に並んでできたものと見なすことができる。

回折現象は原子網面から反射したＸ線が相互に干渉して引き起こす。

原子網面あるいは格子面と呼ばれる。

Surface of “crystal lattice”

格子面間隔をdとすると、Ｘ線の干渉により、

ブラッグの条件で示される方向にだけ強度が認め

られ、それ以外の場所では弱くなり観測されない。

ブラッグの条件(Bragg’s equation; 2d sinθ = nλ d : 結晶面の間隔 distance of crystal lattice surface

θ: 回折角 angle of reflection

λ: 入射光の波長 wavelength of the beam

X-ray beam interference

試料の準備の仕方

Preparation 結果の

解析方法

Data

XRD pattern

Sample A

Sample B

Sample C

Sample D

Sample E

3

2 20 40 60 75

2θ, degree (CuKα)

Sy EgEg Sy

GpGp Gp

Gp

Gp GpT TSy T Gp Gp Gp GpGpGp

Sy

Sy Sy

Sy T

T

T

T

T

T T

T

T

T

T

T SyT

T

T

T

TT

T

T

T T

T

TT

T

T

D

Sy

SySy

T

T

T T

T

T

T T TT

T

T T T TTTTTTTT

TTTT

Sy Sy Sy

G：Gypsum (CaSO4・2H2O)

T:Thenardite (Na2SO4)

Sy:Syngenite (CaSO4·K2SO4·2H2O)

X線粉末回折分析の結果

2 20 40 60 75

2θ, degree (CuKα)

Sy EgEg Sy

GpGp Gp

Gp

Gp GpT TSy T Gp Gp Gp GpGpGp

Sy

Sy Sy

Sy T

T

T

T

T

T T

T

T

T

T

T SyT

T

T

T

TT

T

T

T T

T

TT

T

T

D

Sy

SySy

T

T

T T

T

T

T T TT

T

T T T TTTTTTTT

TTTT

Sy Sy Sy

G：Gypsum (CaSO4・2H2O)

T:Thenardite (Na2SO4)

S:Syngenite (CaSO4·K2SO4·2H2O)

X線粉末回折分析の結果

偏光顕微鏡装置Polarized microscope

Middle aged type…

about 10 years ago

偏光顕微鏡装置

New type…

recently came out

偏光顕微鏡装置

岩石薄片：Thin section of a rock

偏光顕微鏡装置

4

磁鉄鉱: magnetite

長石: feldspar

黒雲母: biotite

花崗岩の微細構造(顕微鏡観察)

結晶が組み合わさっている(完晶質)

石英: quartz

Micro Texture of Granite

180°150°130°

110°90°60°

40°20°0°

0° 10° 20° 30°

40° 50° 60° 70° 80°

90° 100° 110° 120° 130°

140° 150° 160° 180°170°

Gr-5

100倍Crossed

薄片の作り方

①岩石の切断・形成 ↑岩石チップ

②岩石チップの研磨③岩石チップの

貼り付け

④岩石チップの切断 ⑤岩石薄片の研磨

⑥カバーガラスの張り付け

⑦完成

化学的性質 Chemical property

・化学的・・・・主成分10元素、微量元素Major elements, Minor elements

SiO2、TiO2、Aｌ2O3、Fe2O3、MnO、Na2O、K2O、MgO、CaO、P2O5

H2O（+）・・・鉱物の結晶中にまで取り込まれた水H2O（-）・・・鉱物表面や空隙中に残った水

微量元素 (Minor elements)・・・Sr、Rb、etc

周期律表: periodic table of elements

主要10元素: major elements

5

測定方法: method蛍光X線分析装置X-ray fluorescence analysis (XRF)

試料の装着

粉末にした岩石をプレスしたものを、試料ホルダーに置く

Powdered rocks pressed

into tablets

→put on sample holder

→set on XRF machine

測定原理

Ｘ線を試料に照射すると、原子の内殻電子が励起されて放出し、内殻に空孔が生じる。

この内殻空孔に外殻電子が遷移する時、その元素の電子のエネルギー準位差に対応したエネルギーがＸ線領域の電磁波（特性Ｘ線）となって放出される。

定性分析: qualitative analrsis蛍光Ｘ線スペクトルは元素に固有であるため、得られたスペクトルより、試料を構成する元素の同定が可能となる。

定量分析:: quantitative analysis蛍光Ｘ線強度は、第１近似では試料中の元素濃度に比例するので、その強度から元素濃度を求めることができる。

波長分散法Wave dispersive method

エネルギー分散法Energy dispersive method

X-ray

sample

slit

Spectroscopic

crystals

spectrometer

sample

X-raydetector

波長分散法のデータ例Example data：Wave dispersive method

Sample: stainless

6

エネルギー分散法のデータ例Energy dispersive method

Sample: plant leaf

SEM-EDS（Scanning Electron Microscope with Energy Dispersive Spectrometer)

エネルギー分散型分析装置つき走査型電子顕微鏡

電子銃

試料室SEM

image

EDSanalysis

岩石-水-微生物(バクテリア) 反応Water Rock Interaction + Bacteria

バクテリアによる、花崗岩の長石部分の風化

バクテリア（枯草菌）Bacillus Sucillus

長石

乾燥地域でCaCO3が小礫の周囲をコーティングして

できた石

採取地：シリア

謎の石

O Sr

S Ca

組成像

物理的性質: Physical property

かさ密度（乾燥単位体積重量, bulk density)、真比重(true density or specific gravity)、

含水比 (water content)、空隙率 (porosity)、比表面積 (specific surface area)

間隙径分布 (pore size distribution) など

空隙（間隙、孔隙）天然の場合、空隙の一部には水が存在

空隙部分

固体部分

液体部分

気体部分実際は円柱型に整形した試料を用いることが多い

岩石を多孔体とみる！

Rock:

porous material

計算方法: Calculation

かさ密度d（乾燥単位体積重量） 〔g/cm3〕 ・・・？

d＝wdry/Ｖ wdry：乾燥重量 Ｖ＝体積

空隙率n〔％〕・・・？

7

真比重 True density (Specific gravity)

ρ （固体部分の比重）

ピクノメーターという器具を用いる純粋な石英質のみであれば比重は2.65～2.66を示す

Picnometer

Ex: Quartz → 2.65～2.66 RockWater

Tube

Vacuum PumpDesiccators

含水比 : Water contents

Beaker

計算方法：calculation

かさ密度d（乾燥単位体積重量） 〔g/cm3〕d＝wdry/Ｖ wdry：乾燥重量 Ｖ＝体積

空隙率n〔％〕n＝d/ρ ρ：真比重

含水率：岩石全体に対する液体部分の比(wwet-wdry)/ wwet

（参考 含水比：固体部分に対する液体部分の比）

ほか、粒度組成、比表面積、間隙径分布など

粒度試験：Grain Size Distribution

Clay: < 2μm20℃ 8hours 0～10cm

ふるい：sieves

Experiment for Children

A few kinds of soils

with different diameters

Water

Bottle

coarse

fine

粗粒: coarse

grained

細粒: fine grained

淘汰作用：Sorting

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[粒子の沈降速度: Submerging Rates of grains]

ストークス（G.G.Stokes）の法則: Stokes’ law

静止している水中に小さな粒子が浮いている時，その粒子の沈降速度は，粒子の大きさ・形・密度，粒子を浮かべている液体（水）の密度・粘性に関係する。

v：粒子の沈降速度 (Submerging rates of grains)

ρliqid：静止した水の密度 (Water density)

ρsolid：粒子の密度 (Grain density)

D：粒径 (Grain diameter)

η：水の粘性係数 (Coefficient of water viscosity)

v =(ρliqid-ρsolid）D2g/18 η

間隙径分布（空隙径分布）Pore Size Distribution

現在では、平板状間隙と仮定したときの計算式も出されている。

→ 透水係数の推定モデルもいくつかある。

モデルによる差をどう評価するか？

仮定：円筒形の間隙

Assuming pores are Cylindrical……

間隙径分布：Pore Size Distribution

D=-4γ・cosθ/Pm

γ：水銀の常温における表面張力【482.1dyn/cm】(Surface tension of mercury)

D：円筒形間隙の直径 (Diameter of cylindrical pores)

Θ：水銀の常温における非金属に対する接触角【about130°】 (Contact angle of mercury)

Pm ：水銀の圧入圧（Pressure upon mercury）

By Washburn (1921)

力学的性質：Mechanical Properties・力学的・・・・圧縮強度、引張強度など

※Uniaxial compressive strength

※Tensile strength

単位平面がどの程度の荷重に耐えうるか

圧縮強度試験

↑

力学的性質

・力学的・・・・圧縮強度、引張強度など

単位平面がどの程度の荷重に耐えうるか

圧縮強度試験

↑

ヴィッカース微小硬度計（VHN、Hv)

測定物にダイアモンドの真四角錐の頂点を一定の圧力で押しつけ、窪みをつけ、その大きさを顕微鏡で測定して定量化する。数値が大きいほど硬くなる。

Vicker’s Microhardness Tester

9

Diamond pyramid !

圧子：Vickers indenterダイヤモンド製 Made from diamond

硬い→圧痕 小

軟らかい→圧痕 大

硬さの指標L値

供試体の表面を打撃する. L値はインパクトボディの反発速度を打撃速度で割った値を1000倍した数値と定義されている．

エコーチップについて

Ｌ値が大きいほど硬い。

L= (Vrebound / Vimpact）×1000

Lは0～1000の範囲の整数をとる．

エコーチップ試験機の特徴

1． 対象となる材料が小さくても測定可能．

2． 計測原理が単純でデジタル収録方式であるため短時間(1 回あたり数秒)で多数の測定が可能．

3． インパクト装置部が 直径2 cm，長さ15 cm のほぼ円筒形であり 小型で軽量であることから携帯性に優れている．

4． 打撃エネルギーがシュミットロックハンマーの約200 分の1 であり，強度の小さな岩石に対しても非破壊試験が可能．

反発値Ｌ値の計測

単打法 single impactsひとつの点を１回のみ打撃し，測点を次々と移動させながら10点を打撃する方法→平均値Ls

連打法 continuous impacts or repeated impacts同一の点を20回連続打撃する方法→得られたL値の中から大きい方から３つの平均値を最大値Lmax

２種類のL値（硬さの指標）が得られる→ LsとLmax

粒状風化層 新鮮な岩石

野外で風化層の存在する岩石表面を連打した場合最大値は未風化部分（新鮮な）岩石の硬さとして見なせるだろうか？

Continued impacts

連打法

300

400

500

600

0 5 10 15 20

Rebound number

Equ

otip

val

ue L

風化表面

切断面

L max=514.7

L max=525.5

飛沫帯における橋脚砂岩塊において連打法による測定を行い初期値（L1）と最大値(Lmax)を求めた．

初期値が異なる．→風化層の影響

収束する最大値は一致 →Lmaxは未風化部分の硬さを示す．

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塩類風化による侵食プロセス

Fa

波や風などの攻撃力 Fa

抵抗力 (岩石強度) Fr

攻撃力Fa＜抵抗力Frのとき

侵食が起こらない

攻撃力Fa≧抵抗力Frのとき侵食が起こる

Fa：攻撃力→侵食力

Fa

Fa

海水飛沫帯における岩石は塩類風化により岩石表面の強度が低下する (1)エコーチップの反発値は，新鮮な岩石の一軸圧縮強度

(UCS)と相関を持ち，基本的には単打法のLs値および間隙率ｎによってUCSを推定することができる．

(2)エコーチップは現地において，薄く風化の進行した岩石に対して適用可能である．連打法を用いて，対象とする新鮮な岩石の初期値と最大値の比であるkを求めれば，風化岩石を強度を定量的に評価することが可能となる．

まとめ

（1）岩石の水分条件とL 値とUCSとの関係（2）風化の進行した種々の岩石を対象とした検討（3）風化層の厚さ（進行程度）の差異の評価

残されている課題