岩石とは何か――金属、土、資源へと分かれる地球の物質

副題

鉱物、鉱床、製錬、風化、石油、そして人類が利用する地球の元素

はじめに｜金属は、もともと岩石だったのではないか

鉄は金属である。

銅も金属である。

アルミニウムも金属である。

では、それらはどこから来たのだろうか。

鉄は鉄鉱石から取り出される。

銅は銅鉱石から取り出される。

アルミニウムは、主にボーキサイトという鉱石を原料として製造される。

そして、それらの鉱石の多くは、地中に存在する岩石である。

つまり、私たちが日常的に使用している金属の多くは、もともと岩石に含まれていた元素を、人間が取り出したものだ。

鉄鉱石の中にある鉄原子と、製鉄所で取り出された鉄原子は、同じ鉄原子である。

人間が鉄という元素そのものを作り出したわけではない。

それならば、金属とは岩石から取り出された一部なのではないか。

さらに考えてみる。

地球の表面には土がある。

土もまた、その多くが岩石の風化物を材料としている。

雨が岩石を溶かす。

気温の変化で岩石が割れる。

川が岩石を削る。

植物や微生物が鉱物と反応する。

その結果、岩石由来の砂や粘土、有機物などが混ざり合い、土壌が形成される。

一方、地下には石油も存在している。

石油は岩石そのものではない。

しかし、石油の生成、移動、集積には、堆積岩の構造や性質が深く関係している。

そして、人間は岩石から金属を取り出し、岩石の上にできた土で作物を育て、岩石の内部に蓄積された石油を採掘してきた。

ここまで考えると、地球の物質は、私たちが普段使っている分類ほど明確に分かれているわけではないようにも見える。

岩石。

鉱物。

鉱石。

金属。

宝石。

化石。

土。

石油。

これらは何が違うのだろうか。

そもそも、鉱物と鉱石は同じものなのか。

金属元素を含んでいれば、それは金属なのか。

岩石が金属へ変わるのか。

それとも、岩石に含まれていた元素を、人間が別の状態へ変えているだけなのか。

そして、同じ岩石でも、ある場所では採掘され、別の場所では採掘されない。

そこには自然界の違いだけでなく、人間の技術や経済活動も関係している。

今回は、岩石とは何かを出発点に、鉱物、金属、鉱床、海水、石油、土壌、資源という順番で考えていく。

科学的な分類を整理しながら、地球の物質がどのように形成され、移動し、濃縮され、人間に利用されるのかをたどってみたい。

第一章｜岩石と鉱物は何が違うのか

岩石とは何か。

米国地質調査所（USGS）は、岩石を、一種類以上の鉱物の集合体、または鉱物質からなる自然の物体として説明している。

一方、鉱物とは、自然界で形成され、特徴的な化学組成と規則的な内部構造を持つ元素または化合物である。

例えば花崗岩。

花崗岩には、主に石英、長石、雲母などの鉱物が含まれている。

石英は、主として二酸化ケイ素（SiO₂）からなる鉱物である。

長石は、ケイ素、酸素、アルミニウム、カリウム、ナトリウム、カルシウムなどを含む鉱物群である。

雲母にも、ケイ素、酸素、アルミニウム、カリウム、マグネシウム、鉄などが含まれる。

つまり、花崗岩という一つの岩石の中には、化学組成も結晶構造も異なる複数の鉱物が存在している。

ここで重要なのは、

岩石と鉱物は、同じ階層の分類ではない

ということだ。

鉱物は、主として化学組成と結晶構造によって識別される。

岩石は、どのような鉱物やその他の物質が集まり、どのように形成されたかによって分類される。

ただし、岩石が必ず複数の鉱物からできているわけではない。

例えば岩塩は、主に岩塩という鉱物、すなわちハライトからなる岩石である。

珪岩も、主に石英から構成される場合がある。

このような岩石は、単一鉱物岩と呼ばれる。

さらに、黒曜石という例外もある。

黒曜石は、マグマが急速に冷却され、十分に結晶化しないまま固まった天然の火山ガラスである。

黒曜石は岩石として扱われるが、その主体は規則正しい結晶構造を持つ鉱物ではない。

つまり、

岩石は必ず複数の鉱物でできている。

岩石は必ず結晶でできている。

という説明は正確ではない。

岩石とは、単純に大きな鉱物の塊ではない。

地質作用によって形成された自然の物質集合体なのである。

第二章｜岩石はどのように生まれるのか

岩石は、その形成過程によって、大きく三種類に分けられる。

火成岩。

堆積岩。

変成岩。

この三つは、岩石の硬さや色ではなく、主として形成過程による分類である。

火成岩｜溶けた物質が固まる

地球内部で岩石の一部が溶けると、マグマが形成される。

そのマグマが冷却され、結晶化あるいは固化することで火成岩ができる。

地下深くでゆっくり冷えれば、比較的大きな結晶が形成されやすい。

地表付近で急速に冷えれば、結晶が細かくなったり、火山ガラスが形成されたりする。

花崗岩や玄武岩は、代表的な火成岩である。

堆積岩｜運ばれた物質が岩石になる

岩石が風化し、侵食される。

砂や泥になった物質は、川や風、氷河などによって運ばれる。

そして、海底や湖底、陸上などに堆積する。

その堆積物が埋没し、圧密やセメント作用を受けると、堆積岩になる。

砂岩や泥岩は、その代表例である。

ただし、堆積岩のすべてが砕けた岩石からできるわけではない。

海水などから炭酸カルシウムが沈殿する場合もある。

生物の殻や骨格が堆積して、石灰岩を形成する場合もある。

つまり、堆積岩には、岩石の破片だけでなく、水に溶けていた成分や生物由来の物質も組み込まれる。

変成岩｜固体のまま作り変えられる

既存の岩石が地下深くに移動すると、高い温度や圧力を受けることがある。

すると、岩石が完全に溶けなくても、鉱物の組み合わせや結晶構造、組織が変化する。

これが変成作用である。

例えば、石灰岩が変成作用を受けると、大理石になることがある。

泥岩などが変成作用を受けると、結晶片岩などになることがある。

USGSは、こうした岩石の形成と変化を、岩石サイクルとして説明している。

岩石は、一度形成されたら永久に同じ岩石であり続けるわけではない。

火成岩が風化して堆積物になる。

堆積物が固まり、堆積岩になる。

堆積岩が変成作用を受け、変成岩になる。

岩石が再び溶融すれば、マグマとなる。

ただし、すべての岩石が決まった順番で変化するわけではない。

火成岩が直接変成岩になることもあれば、変成岩が侵食されて堆積岩の材料になることもある。

岩石サイクルとは、一方向の製造工程ではない。

地球内部の熱、プレート運動、水、大気、重力などによって成立する、複数の物質変化の経路なのである。

第三章｜岩石の内部には、金属元素が存在している

ここで、最初の疑問に戻ろう。

金属は、もともと岩石だったのではないか。

この問いを正確に考えるためには、金属元素と金属材料を区別する必要がある。

例えば鉄。

鉄は、原子番号26の元素である。

岩石の中に存在していても、鉄原子は鉄原子である。

ただし、その鉄原子が、必ず金属鉄として存在しているとは限らない。

自然界では、鉄は酸素や硫黄などと結びついた鉱物として広く存在している。

代表的なものが赤鉄鉱と磁鉄鉱である。

赤鉄鉱の主な化学組成は、

Fe₂O₃

磁鉄鉱は、

Fe₃O₄

で表される。

どちらにも鉄原子が含まれている。

しかし、これらの鉱物は金属鉄そのものではない。

酸素と化学結合した状態にあるため、金属鉄とは異なる電気的・磁気的・化学的性質を示す。

USGSも、主要な鉄鉱石を構成する鉱物として赤鉄鉱と磁鉄鉱を挙げている。

ここで、三つの状態を区別できる。

鉄元素が存在すること。

鉄を含む鉱物が存在すること。

金属鉄が存在すること。

これらは同じではない。

例えば、鉄を含む鉱物が酸化物である場合、人間は還元反応によって酸素を取り除き、金属鉄を得ることができる。

一方、金や銅のように、自然界で金属単体に近い状態で産出する元素もある。

自然金や自然銅は、天然の金属鉱物として扱われる。

したがって、金属であることと鉱物であることは、必ずしも矛盾しない。

ただし、すべての岩石に、あらゆる金属元素が含まれているわけではない。

例えば、理想的に純粋な石英は、ケイ素と酸素だけで構成される。

ケイ素は一般に半金属に分類され、酸素は非金属である。

したがって、すべての岩石に必ず金属原子が存在するとまでは言えない。

現実の天然鉱物には微量元素や不純物が含まれることも多いが、それは鉱物ごとに異なる。

重要なのは、

地殻を構成する多くの岩石には金属元素が含まれているが、それらが金属材料として存在しているわけではない

ということだ。

金属元素の存在と、金属としての性質は区別しなければならない。

岩石の中には鉄、銅、アルミニウムなどの元素が含まれている。

しかし、それらはしばしば酸素や硫黄などと結びついた鉱物の形で存在しており、そのまま金属材料として使えるわけではない。

重要なのは、何の元素が含まれているかだけではない。

その元素が、どの原子と、どのように結びつき、どのような構造を作っているかによって、物質の性質は大きく変わる。

第四章｜地球は、どのように金属を濃縮したのか

岩石の中に金属元素が存在しているとしても、その濃度は場所によって異なる。

例えば銅。

銅は地殻中に広く分布する元素である。

しかし、地殻のどこを掘っても、銅を採掘できるわけではない。

銅の濃度が低すぎれば、大量の岩石を処理しても、ごく少量の銅しか得られない。

では、なぜ特定の場所に銅鉱床が形成されるのだろうか。

その理由の一つが、地球内部で起きる熱水活動である。

地下には、岩石の隙間を通って移動する高温の流体が存在する。

その流体は、周囲の岩石と反応し、銅、鉛、亜鉛などの金属元素を溶かし込む場合がある。

流体が移動する。

温度が下がる。

圧力が変化する。

周囲の岩石と反応する。

別の流体と混ざる。

すると、溶けていた金属成分が硫化物などの鉱物として沈殿することがある。

この作用が長期間続くことで、特定の場所に金属を含む鉱物が集積する。

USGSは、熱水性鉱床の形成には、流体の移動、温度、圧力、pH、溶存成分などが関係すると説明している。

ただし、鉱床の形成過程は熱水活動だけではない。

マグマの冷却と結晶化に伴う元素の分配。

岩石の風化による特定元素の残留・濃縮。

河川による鉱物粒子の運搬と比重選別。

海水や湖水からの鉱物の沈殿。

こうした作用によっても、鉱床は形成される。

例えば、金を含む岩石が風化し、金粒子が河川へ流れ込む場合がある。

金は密度が高いため、水流によって軽い砂粒と選別され、川底などに集積することがある。

これが砂金鉱床の形成につながる。

また、ボーキサイトは、アルミニウムを含む岩石が強く風化し、他の成分が溶脱することで、アルミニウムに富む成分が残留・濃縮して形成される場合が多い。

つまり、鉱床とは単に金属が含まれている場所ではない。

地質作用によって、特定の物質が周囲より高い濃度で集積した場所である。

ここで重要なのは、

人間が岩石から金属を濃縮する以前に、地球自身が地質作用によって元素を濃縮していた

ということだ。

人間は、地球が形成した濃度の偏りを利用しているのである。

第五章｜鉱物と鉱石は、同じものではない

ここで、鉱物と鉱石を区別しよう。

鉱物とは、自然界で形成された物質を、その化学組成や結晶構造などによって分類したものである。

一方、鉱石とは、目的とする成分を取り出すために利用される天然の物質である。

つまり、

鉱物は主に物質の性質による分類。

鉱石は人間の利用可能性を含む分類。

という違いがある。

例えば黄銅鉱。

黄銅鉱は、

CuFeS₂

という化学式で表される銅と鉄の硫化鉱物である。

人間が銅を採掘するかどうかに関係なく、黄銅鉱は黄銅鉱である。

しかし、黄銅鉱を含む岩石が、必ず採掘対象になるわけではない。

銅の含有量。

鉱体の大きさ。

採掘する深さ。

岩石の硬さ。

銅を回収する技術。

周辺の道路や電力設備。

採掘に必要な費用。

銅の市場価格。

こうした条件によって、経済的に利用できるかどうかが変わる。

ここで、鉱床という言葉も登場する。

鉱床とは、特定の鉱物や有用成分が地質作用によって集積した場所である。

ただし、専門分野や文脈によって、鉱床という言葉にどの程度の経済的価値を含めるかには違いがある。

経済地質学では、単なる鉱物の存在、将来的な採掘可能性を持つ鉱床、実際に採算性が確認された鉱床を区別する。

USGSの鉱床モデルでも、鉱物の産出、鉱物資源としての可能性、利益を得られる鉱石鉱床は、異なる段階として整理されている。

ここで一つ、重要なことがわかる。

鉱物そのものの化学組成は、人間の経済活動によって変化しない。

しかし、その鉱物を含む岩石が鉱石として利用されるかどうかは、経済条件によって変化する。

昨日まで採掘していた岩石が、今日から採掘対象から外れることもある。

反対に、以前は価値がないと判断されていた岩石が、新しい技術によって採掘対象になることもある。

自然界の物質と、人間にとっての資源は、必ずしも同じ境界で区分されていないのである。

第六章｜銅が0.1％しか含まれていなくても、銅は存在している

例えば、銅を含む岩石が1トンあったとしよう。

その岩石に含まれる銅の割合を、品位という。

銅の含有率が5％であれば、1トンの岩石に50kgの銅が含まれる。

1％なら10kg。

0.5％なら5kg。

0.1％なら1kg。

0.01％なら100gである。

ここで、0.5％の岩石と0.1％の岩石を比較してみる。

銅1トンを得るために必要な岩石の量は、理論上、

0.5％なら200トン。

0.1％なら1000トン。

となる。

ただし、これは銅を100％回収できると仮定した単純計算である。

実際には、採掘や選鉱、製錬などの過程で回収できない銅が存在するため、さらに多くの岩石を処理する必要がある。

そして、岩石を処理するためにはエネルギーが必要になる。

掘る。

運ぶ。

砕く。

細かく粉砕する。

銅を含む鉱物を分離する。

化学的に処理する。

金属銅へ変える。

こうした工程の費用が、回収した銅の販売額を上回るのであれば、採掘する経済的な合理性は失われる。

しかし、銅が0.1％だから必ず採算が合わないというわけではない。

露天掘りが可能なのか。

地下深くまで坑道を掘る必要があるのか。

金やモリブデンなど、別の有価金属も回収できるのか。

どれほどの規模で採掘できるのか。

これらによって採算性は変わる。

そして、採掘するかどうかを判断する品位の境界を、カットオフ品位という。

USGSの資料でも、カットオフ品位は、特定の鉱床において経済的に採掘可能と判断するための品位の基準として説明されている。

つまり、銅の濃度が同じ岩石であっても、技術や価格、立地条件によって判断が異なる。

そして、ここには一つの逆転がある。

銅鉱山が閉山したとしても、銅原子が消滅したわけではない。

ただ、人間がそれを採掘しなくなっただけである。

さらに、過去に捨てられた低品位の岩石や選鉱廃さいが、技術革新によって再び金属回収の対象になることもある。

資源の存在量が変わらなくても、利用可能な資源量は変化する。

この性質は、銅だけでなく、鉄、金、アルミニウム、そして石油にも共通している。

第七章｜人間は岩石から金属を作っているのか

では、人間は岩石から金属をどのように取り出しているのだろうか。

ここでは鉄、銅、アルミニウムを考えてみよう。

鉄｜酸素を取り除く

鉄鉱石の多くには、酸化鉄が含まれている。

例えば赤鉄鉱。

赤鉄鉱に含まれる鉄は、酸素と結合している。

高炉では、主にコークスなどから生じた一酸化炭素を還元剤として利用し、酸化鉄から酸素を取り除く。

代表的な反応を単純化すると、

Fe₂O₃ ＋ 3CO → 2Fe ＋ 3CO₂

となる。

酸化鉄から酸素が取り除かれ、金属鉄が生成される。

ここで起きているのは、単なる不純物の除去ではない。

鉄原子の化学的な結合状態を変える還元反応である。

銅｜鉱物を分離し、金属として回収する

銅の場合、主な原料の一つは黄銅鉱などの硫化鉱物である。

採掘した岩石を粉砕し、浮遊選鉱などによって銅を含む鉱物を濃縮する。

その後、製錬によって金属銅を得る。

さらに電解精錬などによって純度を高めれば、電線などに利用される高純度の銅になる。

ただし、銅の製造には複数の経路がある。

酸化銅鉱などを酸で浸出し、溶液から電気化学的に銅を回収する方法もある。

USGSも、銅の製造には硫化鉱の選鉱・製錬・電解精錬に加え、酸化鉱の浸出による回収経路があると説明している。

アルミニウム｜電気を使って酸素を分離する

アルミニウムの代表的な原料は、ボーキサイトである。

ボーキサイトは、アルミニウムの水酸化物を中心に、酸化鉄やケイ酸塩などを含む不均質な天然物であり、単一の鉱物名ではない。

ボーキサイトを処理してアルミナ、すなわち酸化アルミニウムを得る。

そのアルミナを、溶融塩を用いた電気分解によって金属アルミニウムへ変える。

鉄、銅、アルミニウム。

それぞれ製造方法は異なる。

しかし、共通していることがある。

人間は、岩石の内部に含まれていた金属元素を、化学反応や分離操作によって、利用しやすい状態へ変えている。

なお、鉱石から金属を取り出す工程は一般に製錬と呼ばれ、得られた金属の純度をさらに高める工程は精錬と呼ばれる。

実際の工程では、選鉱、製錬、精錬の区分が金属の種類や製法によって異なる場合もある。

それでも、元素を含む天然物から金属材料を得るという点では共通している。

ここで最初の疑問に対する答えが見えてくる。

金属は岩石そのものではない。しかし、人間が利用する金属の多くは、岩石に含まれていた元素を取り出し、別の化学状態へ変えたものである。

そして、通常の化学反応では、鉄原子が銅原子へ変わるわけではない。

元素そのものを別の元素へ変えるには、原子核反応が必要になる。

人工的に金属元素を合成することも原理的には可能だが、それは鉱石の製錬とは異なる技術である。

金属製造の中心は、元素の創造ではなく、既存の元素の分離と化学状態の変換なのである。

第八章｜海水にも金属元素は含まれている

ここまで、岩石から金属を取り出す話をしてきた。

しかし、金属元素は岩石の中だけに存在しているわけではない。

海水にも、多くの金属元素が含まれている。

例えば、

ナトリウム。

マグネシウム。

カルシウム。

カリウム。

これらは、海水中では主としてイオンの状態で溶けている。

さらに、微量ながらウランなども存在している。

ここで重要なのは、金属元素を含む物質が岩石でなくても、金属の供給源になり得るということだ。

例えばマグネシウム。

海水には、平均して質量の約0.13％に相当するマグネシウムが溶けている。

海水1トンあたり、およそ1.3kgである。

実際に、マグネシウム化合物は海水や天然の塩水から工業的に生産されている。

一方、海水中のウラン濃度は非常に低い。

平均的な濃度は、およそ3.3ppbとされる。

これは海水1トンあたり、約3.3mgに相当する。

しかし、世界中の海水を合計すると、溶存しているウランの総量は約45億トンと推定されている。

日本原子力研究開発機構などでは、海水中のウランを吸着材によって回収する研究が進められてきた。

ただし、濃度が極めて低いため、選択的な回収やコストの面で大きな課題がある。

ここで、銅鉱山と同じ問題が現れる。

物質が存在していること。

その物質を回収できること。

経済的に回収できること。

この三つは別の問題である。

そして、岩石から金属を取り出す場合も、海水から金属成分を取り出す場合も、基本的には目的とする元素を他の物質から分離する必要がある。

濃度が低ければ、一般に処理する物質の量が増える。

分離に必要なエネルギーや設備も問題になる。

もちろん、海水と岩石では金属の化学状態が異なるため、利用する分離技術も異なる。

しかし、両者に共通するのは、

自然界に存在する元素を、人間が利用可能な濃度と化学状態へ変える必要がある

ということだ。

海水には多くの金属元素が含まれている。

しかし、存在していることと、経済的に回収できることは同じではない。

第九章｜宝石、化石、琥珀は岩石なのか

地中から見つかるものは、金属資源だけではない。

宝石。

化石。

琥珀。

こうしたものも、岩石や堆積物の内部から発見される。

では、これらは岩石なのだろうか。

まず、宝石について考えてみよう。

ダイヤモンドは炭素からなる鉱物である。

ルビーとサファイアは、いずれもコランダムという鉱物の宝石名である。

主な化学組成は、

Al₂O₃

すなわち酸化アルミニウムである。

ここにはアルミニウム原子が含まれる。

しかし、ルビーやサファイアは金属アルミニウムではない。

酸化アルミニウムの結晶であり、微量元素などによって色が変わる。

つまり、宝石という分類は、金属元素の有無によって決まるものではない。

また、宝石は必ず鉱物であるとも限らない。

例えば琥珀。

琥珀は、古代の樹木の樹脂が長い時間をかけて変化した有機物である。

そのため、一般に鉱物とは分類されない。

しかし、装飾品や宝石として利用される。

米国宝石学会（GIA）も、琥珀を鉱物ではない有機質の宝石として扱っている。

化石もまた、別の分類である。

化石とは、過去の生物の身体や活動の痕跡が地質学的な記録として保存されたものである。

骨や殻が鉱物に置き換わっている場合もある。

生物の足跡や巣穴が堆積物中に保存されている場合もある。

琥珀に昆虫が閉じ込められている場合もある。

つまり、化石とは特定の化学組成を持つ物質の名前ではない。

過去の生命に由来する記録を表す分類である。

このように、地中に存在するものは、必ずしも一つの基準で分類されているわけではない。

岩石は形成過程や構成物質によって分類される。

鉱物は化学組成や結晶構造によって分類される。

化石は生物に由来する記録として分類される。

宝石は、材質に関する科学的知識に加え、装飾などの用途によって成立する分類である。

そして鉱石は、有用成分を回収できるかどうかという経済的な条件が関係する。

これらは、同じ自然物に対して重なり得る分類なのである。

ここもいずれ別の機会に記事にしたいと思う。

なお、化石水に関しては既に記事にしているので、興味があったら調べてみてほしい。

ただし、化石水とは、古い時代に地下へ浸透し、長期間地下に保存された地下水を指す。

古生物の遺骸や活動痕跡を指す化石とは、分類の意味が異なる。

なので、ここで書かれている化石とは別物であるということだけは区別して覚えてほしい。

第十章｜石油もまた、岩石と切り離せない

関連記事『石油とは何か』では、石油の生成、移動、集積、人工合成、そして可採年数について考えた。

そこで扱った重要な点の一つが、

石油は地下に存在していても、必ずしも採掘できるわけではない

ということだった。

石油は、主に炭化水素からなる複雑な混合物である。

商業油田に存在する石油の大部分は、過去の生物に由来する有機物が、地下で長期間にわたり熱的な変化を受けて生成されたと考えられている。

しかし、生成された石油が、すべて油田になるわけではない。

石油を生成する根源岩。

生成された石油が移動する経路。

石油を蓄える貯留岩。

石油が逃げるのを妨げる帽岩。

こうした地質学的な条件が必要になる。

そして、根源岩や貯留岩は、どちらも岩石である。

つまり、石油とは岩石そのものではないが、岩石の形成と変化によって成立する地質学的な資源でもある。

ここで、シェールオイルを考えてみよう。

従来の油田では、比較的浸透性の高い地層に集まった石油を採掘することが多かった。

一方、シェールなどの浸透性が低い岩石にも石油は存在している。

しかし、石油が岩石の中を移動しにくいため、通常の井戸を掘るだけでは十分に生産できない。

そこで利用されるのが、水平掘削や水圧破砕などの技術である。

これらによって、従来は経済的に回収しにくかった石油を生産できるようになった。

なお、厳密には低浸透性の砂岩や炭酸塩岩から生産されるものも含めてタイトオイルと呼ばれ、シェールオイルはその一部に位置づけられる。

ここで、銅鉱床との共通点が見えてくる。

銅は、岩石中に存在していても、濃度が低すぎれば採算が合わない。

石油は、岩石中に存在していても、流動性や浸透性の問題によって採算が合わない場合がある。

銅鉱床では、金属の品位が重要になる。

シェールオイルでは、岩石の浸透性や割れやすさなどが重要になる。

制約の内容は異なる。

しかし、技術の発展によって、それまで採掘しにくかった地下資源が利用可能になるという点では共通している。

さらに、オイルシェールという別の資源もある。

オイルシェールは、ケロジェンなどの有機物を含む堆積岩である。

これは、すでに生成された石油を含むシェールオイルとは異なる。

オイルシェールでは、岩石に含まれるケロジェンを加熱し、熱分解によって油状物質を得る。

USGSも、オイルシェールは通常の意味で原油を含んでいるわけではなく、加熱によって石油に似た物質を生成できる岩石だと説明している。

つまり、石油と岩石には複数の関係が存在している。

岩石の中で石油が生成される。

岩石の中を石油が移動する。

岩石の隙間に石油が蓄積される。

岩石に含まれる有機物を加熱して油を得る。

そして、それらを人間が採掘できるかどうかは、地質条件、技術、価格によって変化する。

関連記事で扱った「石油はあと50年」という可採年数の問題も、ここにつながっている。

確認埋蔵量とは、地下に存在する石油の総量ではない。

既知の油層について、現在の経済条件や操業条件のもとで、合理的な確実性をもって回収できると判断された量である。

つまり、石油の確認埋蔵量も、金属資源の埋蔵鉱量も、自然界に存在する物質の総量とは一致しない。

地下にあることと、取り出せることは別なのである。

石油は地下の巨大な空洞に溜まっているわけではない。

多くの場合、貯留岩の小さな孔隙の中に分布している。

第十一章｜岩石は、どのように土へ変わるのか

関連記事『土とは何か――岩石惑星は、いつ土の惑星になったのか』では、岩石から土壌が形成される過程を考えた。

ここでは、金属を取り出す場合とは異なる岩石の変化が起きている。

岩石が風化する。

鉱物が溶ける。

新しい粘土鉱物が形成される。

生物が有機物を供給する。

水や空気が粒子の隙間を移動する。

微生物や植物の根が、その構造を変化させる。

こうして土壌が発達する。

ただし、岩石が細かく砕ければ、そのまま土壌になるわけではない。

砂や粘土は、土壌の材料である。

しかし、土壌にはそれ以外にも、有機物、水、空気、生物などが関係している。

米国農務省（USDA）は、土壌形成を左右する主要な要因として、

母材。

気候。

生物。

地形。

時間。

の五つを挙げている。

ここで、もう一つ重要な点がある。

土壌は、必ず真下の岩盤から形成されるわけではない。

川が運んだ堆積物。

風が運んだ砂や塵。

氷河が運んだ岩石の破片。

火山灰。

こうした物質も土壌の母材になる。

また、泥炭土のように、有機物が大量に蓄積して形成される土壌もある。

したがって、

すべての土が、一つの岩石から直接作られる。

という説明は正確ではない。

さらに、土壌の形成に、陸上植物が必ず必要というわけでもない。

地球には、陸上植物が広がるより前から、岩石の風化や地表での化学反応によって形成された古土壌が存在していたと考えられている。

現在の森林や農地のような、生物活動の盛んな土壌と、古い地質時代の土壌は区別する必要がある。

しかし、現在の土壌を考えるうえで、生命が重要な役割を果たしていることは変わらない。

植物は根を伸ばす。

微生物は有機物を分解する。

菌類は鉱物の風化や養分の移動に関与する。

土壌動物は土を混ぜ、隙間を形成する。

その結果、岩石由来の鉱物は、生命の活動を支える複雑な環境の一部になる。

ここで、金属鉱床との違いが明確になる。

鉱業では、岩石から目的の成分を取り出す。

一方、土壌形成では、岩石由来の鉱物が他の物質や生命と組み合わさり、新しい構造を形成する。

つまり、

鉱業は主に岩石から物質を分離する技術であり、土壌形成は岩石由来の物質が他の要素と結びつき、新しい環境を形成する過程である。

両者は異なる現象だが、岩石に含まれていた元素が別の状態へ移動するという点では共通している。

第十二章｜植物も岩石から元素を取り出している

植物は土から養分を吸収する。

その養分の一部は、もともと岩石に含まれていた元素である。

例えばカリウム。

カリウムは長石や雲母などの鉱物にも含まれている。

岩石が風化し、鉱物の成分が溶け出すことで、土壌中にカリウムが供給される。

植物は、そのカリウムをイオンとして吸収する。

カルシウムやマグネシウムなどについても、鉱物の風化は重要な供給源になる。

鉄やマンガンなどの微量元素も、植物の生命活動に必要である。

ただし、植物が金属の塊を直接取り込んでいるわけではない。

多くの場合、水に溶けたイオンや、錯体などの化学形態で吸収している。

例えば鉄は、植物の酵素や電子伝達に関係する重要な元素である。

しかし、植物が鉄を吸収しても、その身体の中に金属鉄の塊が形成されるわけではない。

生命活動に必要な化学状態で利用される。

ここで、人間の金属製造との共通点が見えてくる。

人間は鉄鉱石から鉄を取り出す。

植物は土壌から鉄を吸収する。

目的も化学反応も異なるが、どちらも自然界に存在していた鉄元素を、別の場所へ移動させている。

そして、植物が枯れれば、その身体に含まれていた鉄やカリウムなどは、分解や化学反応を経て再び環境へ戻る。

植物が岩石由来の元素を取り込む。

動物が植物を食べる。

動物が排泄する。

生物が死ぬ。

微生物が分解する。

元素が土壌へ戻る。

このような循環が成立している。

土壌の中では、岩石由来の元素が生命の身体へ取り込まれ、再び環境へ戻る過程が繰り返されているのである。

第十三章｜農業は、岩石から取り出した元素にも支えられている

関連記事『土とは何か』では、農業が土壌から養分を持ち出す営みでもあることを考えた。

例えば米。

稲は、成長するために窒素、リン、カリウムなどを必要とする。

収穫された米や、農地から持ち出された稲わらには、それらの元素が含まれている。

つまり、作物を収穫することは、農地から元素を運び出すことでもある。

持ち出された養分が補充されなければ、やがて不足する場合がある。

そこで人間は肥料を使う。

ここで、農業と鉱業が直接つながる。

リン肥料の原料となるリン鉱石。

カリウム肥料の原料となるカリ鉱石。

これらは、地質作用によって形成された天然の資源である。

人間は鉱石を採掘し、必要な処理を施して、肥料として利用する。

つまり、農業は土壌だけで完結しているわけではない。

別の場所に存在する岩石資源によっても支えられている。

さらに、窒素については別の経路がある。

ハーバー・ボッシュ法である。

大気中には大量の窒素分子が存在している。

しかし、多くの植物は窒素分子をそのまま利用できない。

そこで人間は、大気中の窒素と水素を反応させ、アンモニアを合成する技術を発達させた。

基本反応は、

N₂ ＋ 3H₂ ⇄ 2NH₃

である。

このアンモニアは、窒素肥料の重要な原料になる。

ここで、農業を支える元素の供給源を整理すると、

リンは主に鉱石から。

カリウムも主に鉱石から。

窒素は大気から工業的に固定できる。

もちろん、窒素固定を行う微生物や有機物の分解など、自然界の供給経路も存在する。

しかし、現代農業では、鉱業と化学工業によって養分供給の規模が大きく拡張されている。

つまり人間は、土壌から養分を取り出すだけではない。

別の岩石や大気から元素を取り出し、農地へ運び込むことで、作物の生産を支えている。

そして、肥料を投入すれば、土壌そのものが回復するとは限らない。

肥料は不足する養分を補える。

しかし、土壌の団粒構造、保水性、通気性、微生物群集などを、肥料だけで完全に再現できるわけではない。

関連記事『土とは何か』で扱ったように、土壌とは養分の集合体ではなく、鉱物、有機物、水、空気、生物が相互作用する環境だからである。

第十四章｜岩石は、いつ資源になるのか

ここまで、岩石から金属が取り出されること、岩石が土壌の材料になること、岩石の構造が石油の生成や集積に関係することを見てきた。

では、人間は岩石の何を利用してきたのだろうか。

もちろん、岩石は人間のために形成されたものではない。

地球内部の熱。

重力。

水。

大気。

生命活動。

化学反応。

そうした自然界の作用によって形成されたものである。

しかし、人間はその岩石を利用する。

花崗岩や安山岩を建築材料にする。

石灰岩をセメントや石灰の原料にする。

鉄鉱石から鉄を取り出す。

銅鉱石から銅を取り出す。

リン鉱石から肥料を作る。

そして、岩石の内部に存在する石油や天然ガスを採掘する。

ここで、資源という分類が登場する。

例えば鉄鉱石は、鉄を取り出すための資源である。

しかし、石英を多く含む岩石は、ガラスや建築材料の原料になる場合がある。

さらに、美しい結晶や希少な鉱物が含まれていれば、別の用途で利用されることもある。

同じ岩石でも、利用する目的によって評価される成分が異なる。

そして、その利用価値は固定されていない。

例えば、ある元素が以前はほとんど利用されていなかったとしよう。

その元素を必要とする新しい技術が登場すれば、それまで注目されていなかった鉱物や鉱床が資源として評価される可能性がある。

反対に、代替材料の登場によって需要が減少すれば、資源としての重要性が低下することもある。

ただし、これは岩石や鉱物の科学的な性質が人間の判断によって変わるという意味ではない。

岩石に含まれる元素。

鉱物の結晶構造。

地質学的な形成過程。

これらは、自然界の性質として存在している。

一方、そこから何を取り出すのか、どれほどの費用をかけるのかは、人間側の条件によって決まる。

USGSも、鉱物資源の評価は、その時点で利用できる情報や技術に基づくものであり、新しい調査方法や資源開発技術によって再評価され得るとしている。

つまり、

岩石であることと、資源であることは、異なる条件によって成立している。

岩石は人間が利用しなくても岩石である。

しかし、それを何の資源として利用するかは、技術、需要、価格、制度などによって変わるのである。

第十五章｜資源は、地球からなくならなくても利用できなくなる

ここで、金属資源の有限性について考えてみよう。

人間が銅鉱石を採掘する。

銅を取り出す。

電線に加工する。

建築物に組み込む。

やがて建築物が解体される。

電線が回収される。

再び銅として利用される。

この過程で、銅原子そのものは通常の化学反応によって消滅しない。

銅は別の化合物へ変わることがあっても、元素としては銅のままである。

では、銅は無限に利用できるのだろうか。

もちろん、そうではない。

銅製品が回収されず、廃棄物に混ざる場合がある。

腐食によって銅が環境中へ移動する場合もある。

極めて少量の銅が、多くの製品や物質に分散してしまうこともある。

すると、銅元素は存在していても、それを再び金属銅として回収するには、分離や精製が必要になる。

そして、分離にはエネルギーと費用がかかる。

ここで、海水中の金属と同じ問題が現れる。

物質の総量が大きくても、濃度が低すぎれば回収しにくい。

さらに、異なる金属が複雑に混ざり合っている場合は、選択的に取り出すことが難しくなる。

つまり、

金属元素が存在し続けることと、金属資源として利用し続けられることは同じではない。

この問題には、熱力学も関係している。

異なる物質が混ざり合った状態から、特定の成分を分離するには、一般に仕事やエネルギーの投入が必要になる。

もちろん、分離に必要なエネルギーは、物質の種類、濃度、化学状態、利用する技術などによって異なる。

濃度だけですべてが決まるわけではない。

しかし、極めて薄く分散した物質を大量に回収することが難しいという問題は、多くの資源に共通している。

だからこそ、資源問題は、地球にどれほどの元素が存在するかという問題だけではない。

どの場所に存在するのか。

どれほどの濃度で存在するのか。

どのような化学状態にあるのか。

どれほどのエネルギーで回収できるのか。

回収した物質を、何に利用するのか。

そして、利用後にどの程度回収できるのか。

こうした条件を含めて考える必要がある。

これは関連記事『石油とは何か』で扱った、確認埋蔵量や可採年数の問題にも通じている。

石油が地下に残っていても、経済的に採掘できなくなる可能性がある。

金属が地球上に存在していても、回収できなくなる可能性がある。

そして、土壌が地表に残っていても、侵食や構造の劣化によって農地としての機能を失うことがある。

三つの資源は異なる。

しかし、共通していることがある。

物質が存在することと、その物質が人間に必要な機能を果たせることは、同じではない。

ここで、「熱」や「都市鉱山」の話を広げると、記事としての論点がぼやけてしまうので、別の機会に回したいと思う。

元素は化学反応によって簡単に消滅するわけではない。

しかし、社会の中で広く分散すれば、回収して再び資源として利用することは次第に難しくなる。

第十六章｜岩石は、人間の文明を何に変えたのか

人類は長い時間をかけて、岩石を利用する技術を発達させてきた。

石器時代には、岩石を割り、削り、磨いて道具を作った。

黒曜石は、割れたときに鋭い縁を形成するため、刃物などの材料として利用された。

その後、人類は自然銅などの金属を利用し、やがて鉱石から金属を取り出す製錬技術を発達させた。

青銅器や鉄器の普及は、その代表的な変化である。

ここで重要なのは、石器から金属器への移行が、単に材料を交換した出来事ではないということだ。

石器の場合、人間は主に岩石の形状を変えて道具を作っていた。

一方、鉱石から金属を製造する場合は、化学反応を利用して、岩石に含まれる元素の結合状態を変える。

もちろん、石器製作にも加熱処理が利用される場合があり、初期の金属利用には天然の金属を加工する段階もあった。

そのため、石器と金属器を単純に物理加工と化学加工へ二分することはできない。

それでも、製錬技術の発達によって、人間が自然界の物質へ介入できる範囲が広がったことは確かである。

さらに現代では、岩石由来の元素から、半導体や電子機器に利用される材料も作られている。

例えばシリコン。

シリコンは金属ではなく半金属に分類される元素である。

主な工業原料には、石英などに由来する二酸化ケイ素が利用される。

そこから酸素を取り除き、さらに高純度化し、単結晶などへ加工することで、半導体材料として利用できる。

つまり、人間は岩石をそのまま使うだけではない。

岩石に含まれていた元素を分離する。

化学状態を変える。

純度を高める。

結晶構造を制御する。

必要な元素を組み合わせる。

こうした技術によって、天然にはそのまま存在しない材料を製造してきた。

ただし、完成した半導体が岩石であるわけではない。

原料となった元素の一部が、岩石に由来するということである。

ここを混同してはいけない。

岩石。

鉱石。

金属。

半導体。

これらは同一の物質分類ではない。

しかし、その間には、元素の移動と加工による連続性が存在している。

終章｜岩石とは、地球の物質循環を構成する一つの形である

岩石とは何か。

最初は、単純な疑問だった。

金属は、もともと岩石だったのではないか。

鉄も銅もアルミニウムも、その多くが岩石に含まれていた元素から製造されている。

それならば、金属と岩石は、完全に別のものではないようにも見える。

しかし、科学的に考えると、両者は区別する必要がある。

岩石とは、地質作用によって形成された自然の物質集合体である。

鉱物とは、特徴的な化学組成と内部構造を持つ天然の物質である。

金属とは、元素や物質の性質に関係する分類である。

そして鉱石とは、目的の成分を取り出すために利用される天然物である。

つまり、これらは同じ基準による分類ではない。

さらに、岩石の形成過程をたどると、地球の物質は固定された状態で存在しているわけではないことがわかる。

マグマが冷え、火成岩になる。

岩石が風化し、堆積物になる。

堆積物が固まり、堆積岩になる。

岩石が熱と圧力を受け、変成岩になる。

水が鉱物を溶かす。

溶けた成分が別の場所で沈殿する。

金属を含む鉱物が、特定の場所へ濃縮される。

その鉱床を、人間が採掘する。

金属元素を分離する。

化学反応によって金属材料へ変える。

そして、地表では別の変化が起きている。

岩石が風化する。

砂や粘土が形成される。

生命が有機物を供給する。

植物が根を伸ばす。

微生物が元素の循環を支える。

その結果、土壌が形成される。

さらに、地下では有機物を含む堆積岩から石油が生成され、地層中を移動し、条件がそろえば油田を形成する。

そして人間は、その石油を採掘して利用する。

このように考えると、金属、土壌、石油は同じ物質ではない。

成立する過程も異なる。

金属は、元素の分離や化学状態の変換によって製造される。

土壌は、鉱物、有機物、水、空気、生物などの相互作用によって形成される。

石油は、主に有機物の長期的な変化によって生成され、岩石の構造と性質によって集積する。

しかし、三者は互いに無関係でもない。

岩石は金属元素の供給源になる。

岩石の風化物は土壌の母材になる。

岩石は石油の生成や貯留を支える地質構造にもなる。

そして、人間の技術は、それらの物質を利用する範囲を広げてきた。

ここで、もう一つ重要なことがある。

自然界に存在する物質の総量と、人間が利用できる資源量は一致しない。

銅が存在していても、採掘できるとは限らない。

石油が存在していても、回収できるとは限らない。

土壌が存在していても、農業に適しているとは限らない。

人間が利用できるかどうかは、物質の濃度、化学状態、地質構造、技術、費用、環境条件などによって変化する。

そして、その境界は固定されていない。

かつて採掘できなかった鉱床が、技術革新によって利用可能になる。

低浸透性の岩石に閉じ込められていた石油が、新しい掘削技術によって回収できるようになる。

劣化した土壌が、適切な管理によって機能を回復する場合もある。

ただし、利用可能性が広がることは、自然界の制約が消滅することを意味しない。

金属を濃縮するには、分離が必要になる。

石油を採掘するには、設備とエネルギーが必要になる。

土壌を維持するには、物質循環や構造を保つ必要がある。

技術は自然法則を消し去るものではない。

自然法則を利用して、物質の状態を変えるものである。

地球の岩石は、人類が誕生するはるか以前から存在していた。

その岩石を形成した鉱物には、地球内部や地表で起きた物理的・化学的な変化が記録されている。

そして人間は、その岩石から元素を取り出し、新しい材料を作り、文明を発展させてきた。

私たちが使用する鉄や銅の多くは、かつて地中の鉱物に含まれていた。

私たちが作物を育てる土壌には、岩石の風化によって供給された元素が含まれている。

石油もまた、堆積岩の形成史と切り離して理解することはできない。

岩石は、単なる地球表面の硬い物体ではない。

地球の内部と表面で起きる物質循環を構成し、金属資源や土壌の形成、石油の生成と集積にも深く関わる存在である。

そして、人類が岩石から何を取り出せるかは、時代とともに変化してきた。

かつては石を割ることしかできなかった。

やがて鉱石から金属を取り出せるようになった。

現在では、元素の純度や結晶構造を精密に制御し、高度な材料を製造している。

しかし、どれほど技術が進歩しても、人間が利用しているのは、地球や宇宙に存在する物質と、その物質が従う自然法則である。

岩石とは何か。

それは、地球が長い時間をかけて形成してきた物質の一つの姿である。

そして、その岩石がどのように形成され、変化し、他の物質と関係しているのかを理解することは、私たちが利用している資源の起源を理解することにもつながる。

金属は、岩石そのものではない。

土壌も、単なる岩石の粉ではない。

石油も、岩石そのものではない。

しかし、その多くは岩石の形成、変化、風化、あるいは岩石の内部で起きる地質作用と深く結びついている。

岩石を知ることは、地球の物質がどこから来て、どこへ移動し、どのような形で存在しているのかを知ることなのである。

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