地質学的基盤としてのシリコン

シリコン（Si）は地球の岩石圏の主要な構造元素の一つです。酸素とともに大陸地殻の化学組成を支配しています。

通常の地質環境では、シリコンは酸素と強く結合します。その結果、シリカ（SiO₂）か、SiO₄四面体から構成されるはるかに大きなシリケート鉱物群が形成されます。これらの四面体は孤立したグループ、鎖、シート、三次元構造に連結し、オリビン、輝石、雲母、長石、石英など多様な鉱物を生み出します。

宇宙の起源：星が作ったシリコン

シリコンは、巨大な星の後期核燃焼段階で生成されます。これらの星が超新星爆発で寿命を終えると、シリコンを含む物質が星間空間に散らばります。その一部は後の星形成領域で塵となり、シリケート粒子として原始惑星系円盤の形成を助けます。

地球はこの宇宙の貯蔵庫からシリコンを受け継ぎました。若い惑星に取り込まれた後、シリコンはマグマ、マントル鉱物、地殻岩石、堆積物、そして後の堆積・変成サイクルに閉じ込められました。この意味で、すべての石英粒子と長石結晶は地質学的産物であると同時に恒星化学の遺物でもあります。

地殻におけるシリカサイクル

シリコンは岩石、水、生物、堆積物、流体を通じて移動します。このサイクルは遅いですが、地殻の中心的な物語の一つです。

火成岩の経路：マグマがシリカを選別する方法

マグマはシリカ含有量が異なります。珪長質マグマはシリカが豊富で、石英、アルカリ長石、斜長石、雲母を結晶化しやすいです。苦鉄質マグマはシリカが少なく、マグネシウムと鉄が多く、オリビン、輝石、カルシウムに富む斜長石などの鉱物を好みます。

マグマが結晶化、混合、同化、揮発性物質の濃縮を経て進化する過程で、シリカは後期流体に濃縮されることがあります。これらの流体は石英脈、瑪瑙で縁取られた空洞、アメジストのポケット、ペグマタイト状の石英結晶を生み出します。

堆積および成岩性シリカ

石英は地表で物理的に耐久性があり化学的に耐性があるため、風化を経ても砂としてよく残ります。これらの粒子は砂丘、ビーチ、砂州、砂岩を形成します。埋没とセメント化により、砂岩は輸送、丸み、選別、堆積エネルギーの長い記録を保存することがあります。

シリカは溶解した形でも移動します。海洋や湖の環境では、生物起源のシリカが泥状に蓄積し、埋没中にチャートやフリントに変化します。地下水はまた、空洞、割れ目、結節にカルセドニーや石英を沈着させ、アゲートの帯、ジオード、以前の物質のシリカ置換を生み出します。

変成作用および高圧シリカ

変成作用はシリカ含有岩石を必ずしも融解させずに再配列します。砂岩は石英粒が絡み合った硬い岩石である石英岩に再結晶します。偏光下では、石英岩は歪んだ粒子のモザイク、縫合接触、再結晶化したテクスチャーを示すことがあります。

はるかに高い圧力下で、シリカはより密な多形に変化します。コーサイトは高圧変成作用や衝撃環境に関連し、スティショバイトは特に衝撃事象などの極端な圧力の指標です。これらの形態は通常の展示用結晶としてはほとんど見られず、専門的な地質試料の実験室分析で確認されます。

元素シリコンと精製シリコン金属

元素シリコンの目に見える塊は通常、人為的に作られたものであり、地殻から採取された自然結晶ではありません。

天然のネイティブシリコンの報告は稀で、一般的には微小な粒子や隕石、火山系、強還元的な微小環境などの特殊な状況に関わります。通常の酸素豊富な岩石では、シリコンはシリカや珪酸塩鉱物として存在する可能性がはるかに高いです。

精製シリコンは石英やその他のシリカ豊富な原料から始まります。電気炉内でシリカは炭素と反応して冶金用シリコンと一酸化炭素を生成します。さらに精製することで、太陽光や電子用の多結晶シリコン、単結晶シリコンウェーハ、その他の技術的形態が得られます。

SiO₂ 多形

シリカは複数の構造形態で現れる。化学式はSiOのままであることがある。₂ 原子配列は温度、圧力、または衝撃履歴によって変化する。

シリコン含有材料の種類と形態

「シリコン」という言葉はしばしば曖昧に使われるが、地質学的な正確さが重要である。元素シリコン、シリカ鉱物、水和オパール、シリコンカーバイドは化学的に関連しているが、起源、構造、取り扱いが大きく異なる。

用語、文書化、処理の認識

明確な用語の使用が混乱を防ぎます。「ケイ素」は元素Siを意味すべきです。「シリカ」はSiOを指します。₂「シリケート」はケイ素-酸素四面体を基盤とする大きな鉱物群を指します。「シリコーン」はポリマーの一種で鉱物ではありません。

• 元素ケイ素の場合：精製ケイ素、ケイ素金属、多結晶ケイ素、単結晶ケイ素として説明してください（判明している場合）。
• クォーツの種類の場合：認識された鉱物の種類名を使用し、自然色と熱処理または放射線処理された素材を区別してください（判明している場合）。
• アゲートとカルセドニーの場合：染色、安定化、割れ目充填、その他の処理が知られているか疑われる場合は開示してください。
• オパールの場合：ソリッドオパール、ダブレット、トリプレット、コモンオパール、プレシャスオパール、処理または安定化された素材を区別してください。
• コーサイトまたはスティショバイトの場合：分析文書が必要です。これらは普通のシリカ展示鉱物ではありません。

取り扱いとケア

ケイ素を含む材料は耐久性に大きな差があります。クォーツは硬く安定していますが、オパールは熱、乾燥、化学物質に敏感です。割れたケイ素は皮膚を切ることがあり、吸入したシリカ粉塵は深刻な危険です。