結論からいうと、岩石と硬さが関係しているのは、岩石がさまざまな鉱物の集合体であり、その鉱物の性質だけでなく、結晶や粒の結びつき方、空隙や亀裂の多さ、風化の程度などによって、岩石全体の削れにくさや壊れにくさが変わるからです。
ただし、「岩石の硬さ」と「鉱物の硬さ」は同じ意味ではありません。鉱物では、引っかいたときの傷つきにくさを示すモース硬度がよく使われます。一方、岩石全体では、圧縮したときにどれだけの力に耐えられるか、どれくらい割れやすいか、摩耗しにくいかといった複数の性質を見ます。岩石の硬さを理解するには、この違いを分けて考えることが重要です。
岩石の硬さは何で決まるのか
岩石は、ひとつの物質だけでできているとは限りません。多くの岩石は複数の鉱物が集まってできています。産業技術総合研究所 地質調査総合センターは、火成岩について、マグマが冷える過程で石英、長石、輝石、角閃石、黒雲母など異なる鉱物ができ、岩石の種類によって含まれる鉱物の組み合わせが変わることを説明しています。
そのため、岩石全体の硬さや強さは、主に次のような要因に左右されます。
- 含まれる鉱物の種類：傷つきやすい鉱物が多いか、硬い鉱物が多いかで表面の削れやすさが変わります。
- 鉱物どうしの結びつき：結晶が強くかみ合っている岩石は、粒が外れにくくなる傾向があります。
- 空隙の量：穴やすき間が多い岩石は、力を受けたときに弱点が生じやすくなります。
- 亀裂の多さ：細かな割れ目が多いほど、そこから破壊が進みやすくなります。
- 風化の程度：鉱物の変質や亀裂の増加が進むと、もとの岩石より弱くなることがあります。
- 水分状態：岩石によっては、水を含むことで強度や壊れ方が変わることがあります。
つまり、岩石の硬さは「硬い鉱物が入っているかどうか」だけでは決まりません。岩石をひとつの材料として見たときの構造全体が重要なのです。
鉱物のモース硬度と岩石の強さは別物
鉱物の硬さを表す代表的な尺度がモース硬度です。USGS（米国地質調査所）が紹介するモース硬度は、鉱物同士を引っかいて、どちらに傷がつくかを比べる尺度です。たとえば石英はモース硬度7で、方解石は3です。
この数値は鉱物の「傷つきにくさ」を示すものであり、岩石そのものの圧縮強度や割れにくさを直接表すわけではありません。
たとえば、石英を多く含む岩石でも、粒と粒の結びつきが弱かったり、亀裂が多かったりすれば、岩石全体としては比較的崩れやすいことがあります。逆に、個々の鉱物のモース硬度だけでは高くなくても、緻密に結合していれば岩石として強い場合があります。
このため、岩石について「硬い」「軟らかい」と言うときは、何を測っているのかを確認する必要があります。引っかきへの強さなのか、押しつぶす力への強さなのか、摩耗への強さなのかで意味が変わります。
鉱物の種類が岩石の硬さに影響する理由
鉱物は種類によって結晶構造や化学組成が異なり、それによって硬度も違います。地質標本館の解説では、酸化鉱物には硬度の高いものが多く、石英やコランダムもこのグループに含まれます。一方、方解石などを含む炭酸塩鉱物は比較的硬度が低いものがあります。
岩石はこうした鉱物が集まったものなので、構成鉱物の違いは表面の削れやすさや摩耗のしやすさに影響します。
たとえば花崗岩は、主に石英、長石、雲母などからできています。石英は比較的モース硬度が高く、傷つきにくい鉱物です。一方で、長石や雲母は石英とは異なる硬さや割れ方を示します。そのため花崗岩全体の性質は、石英だけを見ても説明できず、それぞれの鉱物の割合や結晶の組み合わさり方まで考える必要があります。
結晶や粒の「結びつき方」も重要
同じような鉱物を含む岩石でも、内部の組織が違えば壊れ方は変わります。
火成岩の多くは、マグマが冷えて結晶が成長し、複数の結晶がかみ合うように集まってできています。こうした結晶どうしのかみ合わせは、岩石全体の強さに関係します。
一方、砂岩などの堆積岩では、砂粒の間を別の鉱物が埋めて固める「セメント作用」が重要です。粒子同士が強く固結していれば強い岩石になりますが、固結が弱ければ粒が外れやすく、崩れやすくなります。
USGSは建築用石材の評価でも、耐久性が鉱物組成や硬さに関係する一方、強度も重要な選定基準になると説明しています。これは、岩石を材料として見るときに、鉱物の硬度と岩石全体の強度を別々に評価する必要があることを示しています。
空隙や亀裂が多いと弱くなりやすい
岩石の中には目に見えないほど細かな空隙や亀裂があります。これらは岩石の破壊が始まる場所になりやすく、岩石全体の強さに大きく影響します。
たとえば、一見すると同じ種類の岩石でも、亀裂がほとんどない新鮮な岩石と、細かな亀裂が多数入った岩石では、力を加えたときの壊れやすさが違います。亀裂の先端には応力が集中しやすいため、そこから割れが広がることがあります。
琉球石灰岩を対象にした研究では、一軸圧縮強度が密度や岩石の不均質性と関係することが示されています。岩石の強度は、単純な鉱物の硬度ではなく、内部構造を含む複数の要因に支配されることがわかります。
風化すると岩石の硬さや強さは変わる
岩石は地表に出ると、雨水、酸素、温度変化、凍結融解などの影響を受けて風化します。風化が進むと、鉱物が化学的に変化したり、粒と粒の結びつきが弱まったり、細かな亀裂が増えたりします。
J-STAGEに掲載された研究では、花崗岩や斑れい岩の風化試料で、風化によって生じた亀裂が破壊挙動に影響することが示されています。また、鉱物組成や岩石組織の変化を把握することが、風化環境での物性変化を理解するうえで重要だとされています。
このため、同じ花崗岩でも、採石したばかりの新鮮な岩石と、長期間地表で風化した岩石では、同じように硬いとは限りません。風化の程度まで含めて評価する必要があります。
「硬い岩石」と「割れにくい岩石」は必ずしも同じではない
日常会話では「硬い」と「丈夫」がほぼ同じ意味で使われることがあります。しかし、材料として見ると両者は違います。
硬さは、表面が傷つきにくい性質を意味することがあります。一方、強度は、圧縮や引張りなどの力に対してどれくらい耐えられるかという性質です。さらに、壊れるまでにどれほど変形できるか、衝撃にどれだけ耐えるかという性質も別にあります。
非常に硬くても、亀裂が入りやすく、衝撃で割れやすい材料はあります。岩石でも同様に、引っかきには強くても、節理や微小亀裂に沿って割れやすい場合があります。
だからこそ、岩石をトンネル、建物、石材、道路などに使う場合は、単純な「硬さ」だけではなく、圧縮強度、引張強度、吸水性、耐久性、亀裂の状態などを総合的に調べます。
代表的な岩石の硬さは単純に順位づけできない
「花崗岩と石灰岩ではどちらが硬いか」「玄武岩と砂岩ではどちらが強いか」といった比較は、条件を限定しないと正確には答えられません。
一般に、緻密な火成岩には高い強度を示すものが多く、十分に固結した岩石は摩耗にも強い傾向があります。しかし、同じ岩種でも、鉱物組成、粒径、空隙率、亀裂、風化状態によって値は大きく変わります。
砂岩でも強く固結していれば非常に丈夫なものがありますし、花崗岩でも風化や亀裂が進んでいれば崩れやすくなります。岩石名だけから硬さを一律に決めることはできません。
岩石の硬さは地形にも影響する
岩石の硬さや強さの違いは、自然の地形にも影響します。
侵食に強い岩石は周囲より残りやすく、尾根、崖、岩峰などをつくることがあります。一方、風化や侵食を受けやすい岩石は、谷やくぼみになりやすい場合があります。
ただし、ここでも単純な硬さだけで地形が決まるわけではありません。節理の入り方、地層の傾き、水の流れ、気候、隆起の速さなど、多くの条件が関係します。それでも、岩石ごとの物性の違いが地形形成の重要な要素であることは確かです。
身近な岩石の硬さを見るときのポイント
身近な石を観察するときは、次の点を見ると違いを理解しやすくなります。
- どんな鉱物が含まれているか：石英、長石、雲母、方解石などを観察します。
- 粒が強く結びついているか：指でこすって粒が簡単に外れるか確認します。
- 穴や空隙が多いか：多孔質な岩石かどうかを見ます。
- 亀裂が多いか：割れ目が多いほど壊れやすい可能性があります。
- 風化しているか：表面だけがもろくなっていないか、変色していないかを観察します。
こうして見ると、岩石の「硬さ」が単なる一つの数字ではなく、鉱物と構造の両方から生まれる性質だとわかります。
まとめ
岩石と硬さが関係しているのは、岩石が鉱物の集合体であり、その構成鉱物、粒や結晶の結びつき、空隙、亀裂、風化状態などによって、岩石全体の削れにくさや壊れにくさが変わるからです。
鉱物のモース硬度は「引っかきに対する硬さ」を示しますが、岩石全体の圧縮強度や割れにくさをそのまま示すものではありません。岩石では、鉱物の硬度に加えて、内部組織や亀裂、空隙、風化の程度まで考える必要があります。
つまり「どの岩石が一番硬いか」を考えるときは、岩石名だけを見るのではなく、何を硬さとして測るのか、そしてその岩石がどのような状態にあるのかを確認することが大切です。
コメント