


ドロマイト(ドロマイト岩、ドロストーン、ドロマイト質岩とも呼ばれる)は、鉱物ドロマイト(CaMg(CO 3 ) 2 )を高濃度に含む堆積性炭酸塩岩である。広く産出され、多くの場合は石灰岩や蒸発岩と関連しているが、石灰岩ほど豊富ではなく、新生代岩層(約6600万年未満の層)では稀である。ドロマイトと石灰岩を最初に区別した地質学者の1人は、ドロマイトの名前の由来となったフランスの鉱物学者で地質学者のデオダ・グラテ・ド・ドロミューである。彼は18世紀後半にドロマイトの明確な特徴を認識して記述し、石灰岩と区別した。
ドロマイトの大部分は、石灰化以前の石灰泥または石灰岩のマグネシウム代替物として形成された。[ 1 ]方解石からドロマイトへの地質学的変化はドロマイト化と呼ばれ、中間生成物はドロマイト石灰岩と呼ばれる。[ 2 ] [ 3 ]「ドロマイト問題」とは、過去の地質学的記録におけるドロマイトの世界的な堆積量と、現代に形成されたドロマイトの量の差を指す。[ 4 ] [ 5 ]無酸素状態で生息する硫酸還元細菌はドロマイトを沈殿させる可能性があり、過去のドロマイト堆積物の一部は微生物の活動によるものである可能性を示唆している。[ 6 ] [ 7 ]近年の微視的スケールでのドロマイトの結晶成長に焦点を当てた実験室研究では、沈殿/溶解の複数回のサイクルがドロマイト結晶の成長を促進することが明らかになった。[ 8 ] [ 9 ]
ドロマイトは侵食に強く、層状構造を有する場合と非層状構造を有する場合があります。弱酸性地下水では石灰岩よりも溶解性が低いですが、時間の経過とともに溶解性地形(カルスト地形)を形成する可能性があります。十分な多孔性を有するドロマイト岩は、石油および天然ガスの貯留層として機能する可能性があります。
ドロマイトは、18世紀フランスの鉱物学者デオダ・グラテ・ド・ドロミュー(1750-1801)にちなんで名付けられました。彼はこの鉱物を最初に記述した人物の一人です。[ 10 ]ドロマイトはスイスの化学者ニコラ・テオドール・ド・ソシュールによって分析され、1792年3月にドロミューにちなんで命名されました。[ 11 ]
ドロマイトという用語は、カルシウム・マグネシウム炭酸塩鉱物と、この鉱物を主成分とする堆積岩の両方を指します。ドロストーンという用語の使用は、両者の混同を避けるために1948年に導入されました。しかし、「ドロストーン」という用語の使用は議論を呼んでいます。これは、ドロマイトという名称が18世紀後半に初めてこの岩石に用いられ、技術的な先行性があるためです。アメリカ地質学会発行の地質学用語集では、 「ドロストーン」という用語の使用は推奨されていません。[ 12 ]
古いUSGS出版物では、ドロマイトはマグネシアン石灰岩と呼ばれていましたが、この用語は現在ではマグネシウムが不足しているドロマイト、またはマグネシウムが豊富に含まれている石灰岩を指すために使われています。
ドロマイト岩は、 50%以上の鉱物ドロマイトからなる堆積性炭酸塩岩と定義されます。ドロマイトは、マグネシウムとカルシウムの化学量論比がほぼ理想的な1:1であることが特徴です。高マグネシウム石灰岩とは異なり、マグネシウムとカルシウムは、高マグネシウム方解石粒子のようにランダムに配列するのではなく、個々のドロマイト鉱物粒子内で規則的な層を形成します。[ 13 ]天然ドロマイトでは、マグネシウムは通常、マグネシウムとカルシウムの合計の44~50%を占めており、マグネシウム層がカルシウムに置換されていることを示しています。特に古いドロマイトでは、少量の第一鉄がマグネシウムを置換していることがよくあります。 [ 14 ]炭酸塩岩は、ほぼ全て方解石またはほぼ全てドロマイトである傾向があり、中間の組成は非常にまれです。[ 15 ]
ドロマイトの露頭は、その柔らかさ(鉱物ドロマイトのモース硬度は4以下で、一般的なケイ酸塩鉱物よりもはるかに低い)と、希塩酸を一滴落とすと弱々しく泡立つことで、現場で認識されます。この点が、同じく柔らかいものの希塩酸と激しく反応する石灰岩とドロマイトを区別するものです。ドロマイトは通常、第一鉄(II)の存在により、特徴的な鈍い黄褐色に風化します。レベル6では傷が、レベル7ではより深い溝が生じます。ドロマイトが風化すると、この傷が剥がれ落ちて酸化されます。[ 16 ]ドロマイトは通常、外観が粒状で、砂糖粒に似た質感をしています。[ 17 ]
顕微鏡で見ると、ドロマイトの薄片は通常、個々の粒子が整然とした菱形をしており、かなりの空隙を有することが分かります。その結果、地下ドロマイトは一般に地下石灰岩よりも多孔質であり、炭酸塩岩の石油貯留層の80%を占めています。[ 18 ]この組織は、通常、粒子、ミクライト(非常に細粒の炭酸塩泥)、およびスパーリーセメントの混合物である石灰岩とは対照的です。方解石と鉱物ドロマイトの光学特性を区別することは困難ですが、方解石が規則的な菱形に結晶化することはほとんどなく、方解石はアリザリンレッドSで染色されますが、ドロマイトの粒子は染色されません。[ 19 ]平面状の粒子が形成されたドロマイト岩石は平面ドロマイトまたはイディオトピックドロマイトと呼ばれ、不規則な表面を有する粒子が形成されたドロマイトは非平面ドロマイトまたはゼノトピックドロマイトと呼ばれます。[ 17 ]後者は、既存のドロマイトが高温(50〜100℃(122〜212℉)以上)で再結晶化することによって形成されると考えられます。[ 19 ]

ドロマイトの組織は、石灰岩中のカルシウムがマグネシウムに置き換わって形成された二次的なものであることが多い。元の石灰岩の組織の保存状態は、ほぼ完全に保存されているものから完全に破壊されたものまで様々である。[ 20 ]顕微鏡で見ると、ドロマイトの菱形が元の石灰岩のウーライトまたは骨格粒子に置き換わっているのが見られることがある。[ 21 ]化石が選択的に置き換わることもあり、その場合は化石の大部分が方解石で、周囲の基質はドロマイトの粒子で構成されている。ドロマイトの菱形が化石の輪郭を横切って見られることもある。しかし、一部のドロマイトは、石灰岩の置き換わりによって形成されたことを示す組織的兆候を示さない。[ 19 ]
ドロマイトは広範囲に分布していますが、石灰岩ほど一般的ではありません。[ 22 ]ドロマイトは、通常、石灰岩層または蒸発岩層と共存し、石灰岩と交互に層を成すことも少なくありません。[ 23 ]年代によるドロマイトの豊富さの傾向は一定ではありませんが、ほとんどのドロマイトは海面の高い層で形成されたようです。新生代層(6500万年未満の層)にはドロマイトはほとんど見られず、この時代は一般的に海面が低かったのです。[ 24 ]海面が高い時代は地球が温室効果ガスを排出していた時代でもあり、温室効果( pCO2と気温の上昇)がドロマイト形成の引き金になっている可能性があります。 [ 25 ]
多くのドロマイトは、石灰岩の置換によって形成された二次ドロマイトであることが組織学的に明らかである。しかしながら、このドロマイト化過程を理解するための研究は数多く行われてきたものの、その過程は未だ十分に解明されていない。また、置換によって形成されたことを示す組織学的兆候を示さない細粒ドロマイトも存在し、これらのドロマイトが組織学的痕跡を残さない石灰岩の置換によって形成されたのか、それとも真の一次ドロマイトなのかは不明である。このドロマイト問題は2世紀以上前に初めて認識されたが、未だに完全には解決されていない。[ 23 ]
ドロマイト化反応
熱力学的に好ましい条件であり、ギブスの自由エネルギーは約-2.2 kcal/molです。理論上、通常の海水にはドロマイト化を引き起こすのに十分な量のマグネシウム(海水中で2番目に多い陽イオン)が溶解しています。しかし、常温では固体鉱物粒子中のイオンの拡散速度が非常に遅いため、このプロセスは方解石の溶解とドロマイトの結晶化が同時に起こることによってのみ発生します。そのためには、大量のマグネシウム含有流体をドロマイト化する石灰岩の空隙に流し込む必要があります。[ 26 ]ドロマイト化にはいくつかの方法が提案されています。
高塩分モデル(蒸発還流モデル[ 27 ]としても知られる)は、ドロマイトが石灰岩や蒸発岩と共存することが多く、石灰岩がドロマイトと交互に層を成しているという観察に基づいている。このモデルによれば、ドロマイト化は海水が高速蒸発する閉鎖盆地で起こる。その結果、石膏とアラゴナイトが沈殿し、残留塩水中のマグネシウムとカルシウムの比率が上昇する。また、塩水は密度が高いため、下層の石灰岩の間隙に沈み込み(浸透還流)、既存の間隙流体を洗い流してドロマイト化を引き起こす。このプロセスが起こった環境の例として、北アメリカのペルム紀盆地が挙げられている。[ 27 ]このモデルの変種がサブカ環境(潮上干潟または砂地)に対して提案されており、そこでは毛細管流体の蒸発によって塩水がドロマイト化した石灰岩に吸い上げられ、蒸発ポンプと呼ばれるプロセスが起こります。[ 27 ]
もう一つのモデルは、混合帯モデル、あるいはドラグモデルと呼ばれるもので、天水が空隙空間に既に存在する海水と混合し、カルシウムに対するマグネシウムの化学活性を高め、ドロマイト化を引き起こすというものです。ジャマイカにおける更新世ドロマイト岩礁の形成はこのプロセスによるものとされています。しかし、このモデルは激しい批判を受けており、[ 28 ] 2004年のあるレビュー論文では、これを「神話」と率直に評しています。[ 29 ] 2021年の論文では、混合帯はドロマイト化を促進する強力な微生物活動の領域として機能すると主張されています。[ 30 ]
3つ目のモデルは、通常の海水がドロマイト化流体であり、潮汐ポンプ作用によってドロマイト化石灰岩を通して必要な量の海水が流入すると仮定する。フロリダ州シュガーローフ・キーのドロマイト層はこのプロセスの一例であると考えられる。海面上昇時にも同様のプロセスが発生する可能性があり、大量の水が石灰岩のプラットフォーム岩を通過する。[ 31 ]
ドロマイト化のメカニズムにかかわらず、炭酸塩岩がほぼ全て方解石かほぼ全てドロマイトである傾向は、一旦プロセスが始まると急速に完了することを示唆している。[ 32 ]このプロセスは、マグネシウムを豊富に含む海水が無尽蔵にあり、元の石灰岩が多孔質である可能性が高い、水深100メートル(330フィート)以下の浅い埋没深度で起こる可能性が高い。一方、マグネシウムを含む流体を層を通して洗い流すメカニズムが存在する場合、ドロマイト化はより深い埋没を特徴付けるより高い温度でも急速に進行する可能性がある。[ 33 ]
鉱物ドロマイトは、方解石に比べてアルカリ土類金属陽イオンあたりの体積が12~13%小さい。したがって、ドロマイト化によって多孔性が増加し、ドロマイトの砂糖のような質感に寄与していると考えられる。[ 18 ]
ドロマイトは通常の海水中では10倍以上過飽和状態にあるが、海水中でドロマイトが沈殿することは確認されていない。同様に、地質学者は実験室実験において常温常圧の海水からドロマイトを沈殿させることに成功していない。これは、ドロマイトの結晶核形成に必要な活性化エネルギーが非常に高いためと考えられる。[ 34 ]
マグネシウムイオンは比較的小さなイオンであり、水に溶解するとしっかりと結合した水和殻を獲得します。言い換えると、マグネシウムイオンは、その正電荷に強く引き寄せられる水分子の塊に囲まれています。カルシウムはより大きなイオンであり、これがその水和殻の結合強度を低下させるため、カルシウムイオンはマグネシウムイオンよりも水和殻を脱して成長中の結晶に結合することがはるかに容易です。また、秩序のあるドロマイトの種結晶を核形成することは、無秩序な高マグネシウム方解石よりも困難です。結果として、海水からドロマイトを沈殿させようとすると、代わりに高マグネシウム方解石が沈殿します。この物質は、マグネシウムよりもカルシウムが過剰であり、カルシウム-マグネシウム秩序を欠いているため、プロトドロマイトと呼ばれることがあります。[ 34 ]温度が上昇するとマグネシウムの水和殻が脱落しやすくなり、ドロマイトは60℃(140℉)を超える温度で海水から沈殿することができます。[ 35 ]プロトドロマイトも250℃(482℉)以上の温度で急速にドロマイトに変化します。[ 36 ]ドロマイトの形成に必要な高温は、新生代の海水温が40℃を超えることはほとんどなかったため、新生代のドロマイトの希少性を説明するのに役立ちます。[ 37 ]
微生物が一次ドロマイトを沈殿させる能力がある可能性がある。[ 7 ]これはブラジルのラゴア・ヴェルメーリャで採取されたサンプルで初めて実証された。 [ 6 ]これは硫酸塩還元細菌(デサルフォビブリオ)との関連で行われ、硫酸イオンがドロマイトの核形成を阻害するという仮説につながった。その後の実験では、細菌は硫酸塩濃度とは無関係にドロマイトを沈殿させることができることが示唆されている。[ 38 ]時が経つにつれ、微生物活動とドロマイト形成の相互作用に関する他の経路が、間隙水中の多糖類[ 39 ]、マンガン[ 40 ] 、 [ 41 ]、亜鉛[ 42 ]の調節と生成における役割に関する不一致に加わった。一方、他の研究者は、微生物は高マグネシウム方解石のみを沈殿させるが、これがドロマイトの沈殿につながるかどうかという疑問を残しているという反対の見解を持っている。[ 43 ]
ドロマイト単結晶の結晶成長過程において、核の表面は(1)一連の整然としたドロマイト層によって徐々に覆われ、(2)続いてすぐに、マグネシウムに富む方解石層が不規則に続く。マグネシウムに富む方解石はドロマイトよりも溶解性が高いため、過飽和条件下での結晶成長の最初の段階の後、外側の結晶性の低いマグネシウムに富む方解石層を不飽和条件下で溶解させると、結晶表面は洗浄され、より安定した整然としたドロマイトの薄層のみで覆われる。沈殿/溶解の連続サイクルを繰り返すことで、より溶解性の高い整然としたマグネシウムに富む方解石が除去され、単結晶は適切に整列したドロマイト表面層を発達させることができる。[ 8 ] [ 9 ]単結晶の微視的レベルで得られた結果は、蒸発と浸水の繰り返しを受ける浅海盆において、沈殿と溶解が交互に起こる条件が想定されれば、地質構造スケールに外挿できる可能性があると推測される。しかし、この新しいメカニズムは他のメカニズムを排除するものではなく、探求すべき新たな道筋の一つに過ぎない。
ドロマイト化は時に逆転し、ドロマイト層が石灰岩に戻ることがあります。これは、方解石に置き換わったドロマイト鉱物の仮像組織によって示されます。脱ドロマイト化された石灰岩は、通常、石膏または酸化黄鉄鉱と関連しており、脱ドロマイト化は、カルシウムとマグネシウムの比率が非常に高い表層水の浸透によって、非常に浅い深さで起こると考えられています。[ 44 ]
.jpg/440px-Saaremaa_dolomiit_1994_(04).jpg)
ドロマイトは石灰岩と同じような用途に多く使われており、建設用骨材、農業における土壌の酸性化の中和とカルシウム・マグネシウムの補給、二酸化炭素源、規格石材、肥料やその他の製品の充填剤、冶金におけるフラックス、ガラス製造などに利用されている。炭酸ナトリウムの製造など、カルシウム含有量の高い石灰岩を必要とする化学プロセスでは、石灰岩の代用にはならない。ドロマイトはエプソム塩などのマグネシウム化合物の製造に使われており、マグネシウムサプリメントとしても利用されている。[ 45 ]また、耐火材料の製造にも使われる。[ 46 ]
石灰岩の洞窟と同様に、自然の洞窟や溶解洞は通常、弱い炭酸ガスによる溶解の結果としてドロマイト岩に形成されます。 [ 47 ] [ 48 ]洞窟は、あまり一般的ではありませんが、硫酸による岩石の溶解によっても形成されることがあります。[ 49 ]鍾乳石、石筍、流石などの炭酸カルシウムの洞窟生成物(二次鉱床)も、ドロマイト岩内の洞窟に形成されることがあります。「ドロマイトは一般的な岩石タイプですが、洞窟生成物としては比較的珍しい鉱物です。」[ 47 ] 国際洞窟学連合(UIS)とアメリカ国立洞窟学会(NSS)は、その出版物の中で、CaMg(CO3)2を多く含み、天然の洞窟や溶岩洞が形成された天然の岩盤を指す際に「ドロマイト」または「ドロマイト岩」という用語を頻繁に使用しています。[ 47 ] [ 50 ]
ドロマイト岩が溶解すると、カルシウムとマグネシウムの両方が溶解します。洞窟生成物の沈殿順序は、方解石、マグネシウム方解石、アラゴナイト、ハンタイト、ハイドロマグネサイトです。[ 47 ] [ 50 ]そのため、ドロマイト岩カルスト内の洞窟で最も一般的な洞窟生成物(二次堆積物)は、方解石の最も安定した多形形態である炭酸カルシウムです。ドロマイト成分を含むことが知られている洞窟生成物の種類には、コーティング、クラスト、ムーンミルク、フローストーン、サンゴ状岩、粉末、スパー、ラフトなどがあります。[ 47 ]世界中の多くの洞窟でドロマイト洞窟生成物の存在が報告されていますが、通常は比較的少量で、非常に細粒の堆積物として形成されます。[ 47 ] [ 50