地殻の岩石を構成する鉱物の大部分は、珪酸塩鉱物です。 石英、長石、雲母、角閃石、輝石、カンラン石などの鉱物や、多種多様な粘土鉱物が含まれています。 これらの鉱物の構成要素は、4つの酸素原子と1つのケイ素原子が組み合わさったシリカの四面体である。 これは、4個の酸素原子と1個のケイ素原子の組み合わせで、酸素原子を通る平面が四面体を形成するように配置されている（図2.6）。
珪酸塩鉱物では、これらの四面体が、単体から複雑なフレームワークまで、さまざまな形で配置され、連結されています（図2.9）。 最も単純なケイ酸塩構造であるカンラン石は、孤立した四面体に鉄イオンやマグネシウムイオンが結合したものである。 カンラン石では、各シリカ四面体の-4の電荷が、2つの2価（すなわち、+2）の鉄またはマグネシウムのカチオンによってバランスされている。 オリビンは、Mg2SiO4、Fe2SiO4のいずれか、または2つの(Mg,Fe)2SiO4の組み合わせである。 マグネシウムと鉄の2価のカチオンは、半径が非常に近い（0.73対0.62オングストローム）。 この大きさの類似性と、どちらも2価の陽イオン（どちらも電荷は+2）であることから、鉄とマグネシウムはカンラン石や他の多くの鉱物の中で、容易にお互いを置き換えることができます。
| 四面体の構成 | 例題 鉱物 | |
 |
Isolated(nesosilicates) | Olivine, ガーネット、ジルコン カイヤナイト |
 |
Pairs(sorosilicates) | Epidote, ゾイサイト |
 |
リング（環状ケイ酸塩） | トルマリン |
 |
単鎖（イノシリケート） | パイロキセン。 |
 |
Double chains (inosilicates) | Amphiboles |
| シート（フィロケイ酸塩） | Micas, 粘土鉱物、蛇紋岩、緑泥石 | |
| 3次元構造 | フレームワーク（テクトケイ酸塩） | 長石。 石英，ゼオライト |
図2.9 珪酸塩鉱物の構成。
練習問題
練習問題2.
形の外側（実線と点線）を切り、実線に沿って折ると四面体になります。
のりやテープがある場合は、タブを四面体に固定してつなぎ合わせます。
もし接着剤やテープがなければ、細い灰色の線に沿って切れ目を入れ、先の尖ったタブを切れ目に差し込みます。
教室で行う場合は、自分の四面体を他のものと組み合わせて、ペアやリング、一重や二重の鎖、シート、さらには3次元のフレームワークにしてみましょう。
カンラン石では、他の多くのケイ酸塩鉱物とは異なり、シリカの四面体は互いに結合していません。
図2.10 カンラン石の構造を上から見た図です。 この特定のオリビンは、Mgイオン1個に対してFeイオンを3個持っているので、その式はこう書ける。 Mg0.5Fe1.5SiO4.
すでに述べたように、鉄とマグネシウムの+2イオンは大きさが似ています（全く同じではありませんが）。 このため、一部の珪酸塩鉱物ではお互いに代替することができます。 実際、図2.11に示すように、ケイ酸塩鉱物に含まれる一般的なイオンの大きさは多岐にわたります。 図2.11に示すように、酸素を除き、すべてのイオンは陽イオンです。 なお、鉄は、イオン化の際に電子を2つ失うと+2イオン、3つ失うと+3イオンとして存在します。 Fe2+は第一鉄として知られています。 Fe3+は第二鉄として知られています。
図2.11 珪酸塩鉱物に含まれる一般的なイオンのイオン半径（有効サイズ）（オングストローム）
単鎖の珪酸塩である輝石の構造を図2.12と2.13に示します。 輝石では、シリカの四面体が一本の鎖のように連なっており、各四面体の酸素イオンが隣の四面体と共有されているため、酸素の数が少ない構造になっています。 その結果、酸素とシリコンの比率はカンラン石よりも低くなり（4:1ではなく3:1）、シリコン原子あたりの正味の電荷は少なくなる（-4ではなく-2）。これは、電荷のバランスをとるために必要な陽イオンの数が少ないためである。 輝石の組成は、MgSiO3、FeSiO3、CaSiO3のいずれか、またはこれらの組み合わせです。 輝石は(Mg,Fe,Ca)SiO3と書くこともでき、括弧内の元素はどのような割合でも存在することができます。 つまり、輝石はシリカの四面体に対してカチオンが1つ（例：MgSiO3）であるのに対し、オリビンは2つ（例：Mg2SiO4）である。 ケイ素イオンは+4、酸素イオンは-2であるため、3つの酸素(-6)と1つのケイ素(+4)により、シリカ四面体の1つの鎖の正味の電荷は-2となる。 輝石では、四面体あたり1つの2価の陽イオン（2+）が、この-2の電荷のバランスをとる。
輝石の構造はオリビンよりも「寛容」で、より幅広いイオン半径のカチオンを受け入れることができます。
図2.12 輝石の構造図。 四面体の鎖が左右に続き、それぞれに2価の陽イオンが連なっています。
図2.13 ケイ素イオン（SiO4）1個に対して酸素イオンが4個ある単一のシリカの四面体（左）。 一連の四面体の一部（右）で、隣り合う角の酸素原子が2つの四面体で共有されている（矢印）。
練習問題
練習問題2.4 酸素欠乏
下の図はケイ酸塩鉱物の一本の鎖を表しています。 四面体の数と酸素イオン（黄色の球）の数を数えてみてください。 各四面体は1つのシリコンイオンを持っているので、これで一本鎖の珪酸塩（輝石など）のSiとOの比率がわかるはずです。
下の図は、珪酸塩鉱物の二本鎖を表しています。 ここでも、四面体の数と酸素イオンの数を数えてみてください。
amphiboleの構造では、シリカの四面体が二重鎖で結ばれており、酸素とシリコンの比率が輝石よりも低いため、電荷のバランスをとるために必要な陽イオンの数がさらに少なくなります。 角閃石は、輝石よりもさらに許容範囲が広く、その組成は非常に複雑です。
雲母の構造では、シリカの四面体が連続したシート状に並んでおり、各四面体は隣接する四面体と3つの酸素アニオンを共有しています。 隣接する四面体間ではさらに多くの酸素アニオンが共有されているため、シート状の珪酸塩鉱物では電荷バランスをとるためのカチオンが少なくて済む。 シート間の結合は比較的弱く、これが発達した一方向性劈開の原因となっている（図2.14）。 黒雲母には、鉄やマグネシウムが含まれていることがあり、カンラン石、輝石、角閃石のような鉄マグネシア系のケイ酸塩鉱物になります。 亜塩素酸塩も同様の鉱物で、一般的にマグネシウムを含む。
図2.14 黒雲母(左)と白雲母(右)。 どちらもシート状のケイ酸塩で、シートに平行な面に沿って簡単に薄層に分かれます。 黒雲母は、他の鉄やマグネシウムを含むケイ酸塩（カンラン石、輝石、角閃石など）と同様に暗い色をしているが、白雲母は明るい色をしている。
白雲母、黒雲母、緑泥石以外にも多くのシート状ケイ酸塩（フィロケイ酸塩）があり、通常は0.004mm以下の粘土状の断片として存在しています。
板状ケイ酸塩鉱物はすべて構造中に水を含んでいる。
長石や石英の中には、シリカの四面体が三次元的なフレームワークで結合しているものがある。
長石、石英ともにシリカ四面体が立体的に結合していますが、これらは非フェロマグネシア系の鉱物で、鉄やマグネシウムを含みません。 長石には、シリカの四面体に加えて、アルミニウム、カリウム、ナトリウム、カルシウムなどの陽イオンが様々な組み合わせで含まれている。
長石の主要鉱物は、カリウム長石（通称：K長石、Kスパー）と、アルバイト（ナトリウムのみ）とアノーサイト（カルシウムのみ）の2種類の斜長石の3種類です。 カンラン石中の鉄やマグネシウムと同様に、斜長石中の白雲母と安山岩の間にも連続した組成の範囲（固溶系列）が存在する。 これは、カルシウムイオンとナトリウムイオンの大きさがほぼ同じ（1.00Å対0.99Å）だからである。 CaAl2Si3O8とNaAlSi3O8の間には、どのような中間組成も存在しうる（図2.15）。 なぜなら、カルシウムイオンとナトリウムイオンの大きさは非常に似ていますが、電荷は同じではありません（Ca2+対Na+）。 この問題は、Al3+をSi4+に対応させて置換することで説明できます。 したがって、白雲母はNaAlSi3O8（Al1個、Si3個）であるのに対し、斜長石はCaAl2Si2O8（Al2個、Si2個）であり、中間の組成の斜長石はAlとSiの割合が中間である。
中間組成の斜長石には、オリゴクレース（Ca10～30％）、アンデシン（Ca30～50％）、ラブラドライト（Ca50～70％）、ビータナイト（Ca70～90％）などがあるが、これらは「連成置換」と呼ばれる。 K長石（KAlSi3O8）は、カリウムイオンのサイズが1.37Åと大きいため、斜長石とは構造が若干異なり、高温以外ではカリウムとナトリウムが容易には置換しない。 侵入した火成岩は、長石が低温になるまでゆっくりと冷却され、長石が低温型のいずれかに変化するため、このような高温型の長石は火山岩にしか見られないと考えられる。
図2.15 長石鉱物の組成
石英（SiO2）では、シリカの四面体が「完全な」三次元のフレームワークで結合しています。 各四面体は4つの他の四面体と結合しており（各四面体の隅には酸素が共有されている）、その結果、ケイ素と酸素の比率は1：2となっています。 1つのケイ素カチオンは+4の電荷を持ち、2つの酸素アニオンはそれぞれ-2の電荷を持っているので、電荷はバランスしている。 アルミニウムや、ナトリウムやカリウムなどの他の陽イオンは必要ありません。
Exercise
Exercise 2.5 Ferromagnesian Silicates?
珪酸塩鉱物は、鉄(Fe)やマグネシウム(Mg)を含むかどうかによって、強粘性珪酸塩と非強粘性珪酸塩に分類されます。 以下にいくつかの鉱物とその式を示します。
| 鉱物 | 式 | フェロマグネシアンシリケート？ |
| olivine | (Mg,Fe)2SiO4 | |
| 黄鉄鉱 | FeS2 | |
| 斜長石 | CaAl2Si2O8 | |
| 輝石 | MgSiO3 | |
| ヘマタイト | Fe2O3 | |
| 長石 | KAlSi3O8 | |
| 石英 | SiO2 |
| 鉱物 | Formula* | Ferromagnesian Silicate? |
| amphibole | Fe7Si8O22(OH)2 | |
| muscovite | K2Al4 Si6Al2O20(OH)4 | |
| muscovite? | マグネタイト | Fe3O4 |
| バイオタイト | K2Fe4Al2Si6Al4O20(OH)4 | |
| ドロマイト | (Ca,Mg)CO3 | |
| ガーネット | Fe2Al2Si3O12 | |
| サーペンタイン | Mg3Si2O5(OH)4 |
*いくつかの公式は、特に複雑なものは。
*いくつかの数式、特に複雑な数式は簡略化されています。
- 1オングストロームは、原子スケールの寸法を表すのによく使われる単位です。 1オングストロームは10-10mまたは0.0000000001mで、オングストロームのシンボルはÅです。