イエローストーン・カルデラの 間欠泉や温泉の地下深くには
マントル中のホットスポットにより作り出された マグマ溜まりがあります
マグマが地表に向かって 移動するとき
結晶化して 新しく熱い火成岩となります
岩石の熱で地下水が 地表の方に押し出され
水が冷えると イオンが沈殿して 結晶になります
珪素と酸素からなる石英
カリウム アルミニウム 珪素 酸素からなる長石
鉛と硫黄からなる方鉛鉱など
これらの結晶の多くは 特徴的な形を持っています
尖った針山のような石英や 立方体を積み重ねたような方鉛鉱
でも なぜ繰り返し このような形になるのでしょう？
その鍵は原子にあります
結晶の原子は整然と繰り返す パターンに並んでいます
このパターンこそ 結晶の決定的な特徴であり
これは鉱物に限りません
砂 氷 砂糖 チョコレート セラミックス 金属 DNA
さらには ある種の液体も 結晶構造を持ちます
結晶における 原子の並び方は
大きく６つに分けられます
立方晶系 正方晶系 直方晶系 単斜晶系 三斜晶系 六方晶系です
適切な環境下であれば
結晶は原子の配列に応じた
幾何学的な形へと成長します
方鉛鉱の場合 立方晶系の構造を持ち 鉛と硫黄から構成されています
比較的大きな鉛原子は
互いが90度の角度で接する ３次元格子状に並びます
比較的小さな硫黄原子は 鉛の隙間にうまく納まります
結晶が成長するにつれ これらの場所に硫黄原子が引き寄せられ
これらの場所に鉛原子が 結び付きます
そのようにして結合した原子が 格子を形作ります
90度の格子になった 方鉛鉱結晶の構造は
結晶の見た目の形にも 反映されています
一方で石英は六方晶系の 結晶構造を持っています
平面で見ると 六角形に並んでいます
立体的には この六角形はたくさんの 三角錐を敷き詰めてできたもので
各三角錐は１つの珪素原子と ４つの酸素原子からできています
石英に特徴的な形は
先端が尖った 六角柱です
環境条件に応じて
多くの結晶は複数の 幾何学的な形状を取り得ます
たとえばダイアモンドは マントルの奥深くで形成されますが
立方晶系の結晶構造を持ち 立方体か八面体へと成長します
どちらの形になるかは
圧力 温度 化学的な環境 といった
成長する際の条件に 依存します
マントル内の成長条件を 直接観察はできませんが
実験室で得られた結果では
低温では立方体に
高温では八面体になる 傾向があります
微量の水 珪素 ゲルマニウム マグネシウムの存在も
ダイアモンドの形に影響します
ダイアモンドが宝石店で見られるような形へと 自然に成長することはなく
あれは燦めきと透明度が出るよう 人為的にカットされたものです
環境条件によって結晶ができたり できなかったりもします
ガラスは溶かした珪砂から 作られますが
結晶にはなっていません
ガラスは比較的急速に 冷やされるため
石英の整然とした結晶構造へと 原子が整列する暇がなく
溶けたガラス中の 原子が乱雑に並んだ状態が
そのまま固定化されて しまうのです
多くの結晶は幾何学的な形を 形成しませんが
これは他の結晶と混在する中で 成長するためです
花崗岩のような岩石には 結晶がたくさん含まれますが
それと分かるような 形はしていません
マグマが冷えて固まるとき
様々な鉱物が同時に結晶化し 隙間がすぐに埋まってしまうのです
トルコ石のような結晶では
たとえ十分な空間があっても ほとんどの環境条件下で
それと分かるような 幾何学的形状には成長しません
それぞれの結晶の構造には 独特な性質があり
人間の感性に訴えるような ものではなくとも
材料科学や医学で 役立っているのです