結論からいうと、岩石の風化は、地表付近の岩石が水・空気・温度変化・生物などの影響を受け、物理的に砕けたり、鉱物が化学的に変化したりすることで成り立っています。そして実際の自然界では、物理的風化と化学的風化が別々に起こるのではなく、互いを進みやすくしながら同時に進行します。
たとえば、岩石に細かな亀裂ができると水や空気が内部まで入り込みやすくなり、化学反応が進みます。逆に、鉱物が化学的に分解・変質すると、岩石を構成する粒どうしの結びつきが弱くなり、さらに割れやすくなります。つまり風化は、岩石の内部構造と化学組成の両方が少しずつ変わる連鎖的な現象です。
そもそも風化とは何か
産業技術総合研究所 地質調査総合センター（GSJ）は、風化を、岩石や鉱物が地表で大気や水にさらされて分解・破砕される現象と説明しています。大きく分けると、岩石が細かく砕ける物理的風化と、鉱物そのものが別の物質へ変化する化学的風化があります。
風化は侵食とは少し違います。風化は岩石がその場で壊れたり変質したりする現象で、侵食はその岩石や土砂が削られ、移動する現象です。実際の地表では、風化によって弱くなった岩石が侵食されやすくなり、侵食によって新しい岩石面が露出すると再び風化が進む、という関係があります。
物理的風化は、岩石を化学組成を大きく変えずに砕く
物理的風化では、岩石をつくる鉱物の化学組成が大きく変わらないまま、亀裂が広がったり岩片がはがれたりして、岩石が細かくなります。
代表的な仕組みには、凍結と融解、加熱と冷却、塩類の結晶化、植物の根による亀裂の拡大などがあります。
凍結と融解で亀裂が広がる
寒冷地や高山では、岩石の割れ目に入った水が凍ったり溶けたりします。水が凍ると体積や圧力条件が変化し、割れ目に力が加わります。これが何度も繰り返されると、もともとあった小さな亀裂が大きくなり、岩片がはがれることがあります。
J-STAGEの物理的風化に関するレビューでは、凍結風化について、実験・野外観測・数値モデルを組み合わせた研究が進められています。重要なのは、「寒ければ必ず割れる」のではなく、水の供給、岩石の割れ目、凍結の進み方など複数の条件が関係する点です。
温度変化でも亀裂が発達する
岩石の表面は、日射や火災などによって急激に加熱され、その後冷えることがあります。岩石をつくる鉱物は種類によって熱膨張のしかたが異なるため、加熱・冷却を繰り返すと鉱物粒の境界に応力がたまり、微細な亀裂ができることがあります。
ただし、日常的な昼夜の温度差だけで大きな岩石が急速に壊れるとは限りません。熱風化の進み方は、温度変化の速さ、岩石の種類、表面状態、既存の亀裂などによって変わります。
塩の結晶化でも岩石は壊れる
海岸や乾燥地域、建造物の石材などでは、岩石の空隙に入った水に塩分が含まれていることがあります。水が蒸発すると塩の結晶が成長し、空隙や亀裂の壁に圧力を加えます。
この作用が繰り返されると、岩石表面が粉状にはがれたり、薄片状に崩れたりすることがあります。日本の風化研究でも、塩類風化が岩石の物性に及ぼす影響は重要な研究対象とされています。
化学的風化は、鉱物そのものを別の状態へ変える
化学的風化では、水や酸素、二酸化炭素などとの反応によって、岩石をつくる鉱物が溶けたり、別の鉱物へ変化したりします。
GSJは、風化を促進するうえで水が非常に重要だと説明しています。空気中の二酸化炭素が水に溶けると弱い酸性を示し、土壌中の有機酸も岩石中の鉱物と反応します。
溶解で成分が水に移る
鉱物の一部は、水や弱酸性の水に触れると成分が溶け出します。とくにナトリウム、カルシウム、カリウムなどを含む鉱物は、風化の過程で成分を失いやすい場合があります。
溶け出した成分は地下水や河川水に運ばれます。その結果、もとの岩石に比べて特定の元素が少なくなり、残った鉱物や新しくできた鉱物の割合が変化します。
加水分解で粘土鉱物ができる
長石などの鉱物は、水との化学反応によって分解し、粘土鉱物へ変化することがあります。このような反応は岩石をもろくする大きな原因の一つです。
USGSも、岩石の風化では物理的な細粒化と化学的な分解が進み、もとの鉱物が粘土鉱物へ変化すると説明しています。粘土鉱物は土壌を構成する重要な成分でもあります。
酸化で赤褐色になる
鉄を含む鉱物が酸素や水と反応すると、鉄酸化物や水酸化物ができることがあります。これにより、岩石の表面が赤褐色や黄褐色に変化することがあります。
これは金属の鉄がさびる現象と似た化学反応です。岩石を割ったとき、外側が褐色で内部が灰色や黒色のままなら、外側だけ風化が進んでいる可能性があります。
物理的風化と化学的風化は互いに進め合う
自然界では、物理的風化と化学的風化を完全に分けて考えることはできません。
物理的風化で岩石が割れると、表面積が増え、水や空気が内部へ入り込みやすくなります。すると、化学反応が起こる場所が増えるため、化学的風化が進みやすくなります。
一方、化学的風化によって長石などが粘土鉱物へ変わったり、粒同士の結合が弱まったりすると、岩石は力に対して壊れやすくなります。USGSの研究でも、物理的な作用が表面積や水の流路、物質の滞留時間を変え、それが化学的風化に影響すると整理されています。
つまり風化は、「砕ける」か「溶ける」かのどちらかではなく、岩石の構造と化学反応が互いに影響しながら進む複合的な仕組みです。
生物も風化に関わる
植物や微生物も岩石の風化に関係します。
植物の根が岩石の小さな割れ目に入り込むと、成長に伴って割れ目を広げることがあります。これは物理的風化の一つです。
また、植物の根や微生物がつくる有機酸は、水に溶けて鉱物との化学反応を進めることがあります。土壌中は、岩石だけがむき出しになっている場所よりも水分や有機物が多く、化学的風化が進みやすい条件になる場合があります。
岩石の種類によって風化の進み方が違う
すべての岩石が同じ速さで風化するわけではありません。含まれる鉱物、粒の大きさ、結晶の組み合わさり方、空隙、亀裂などが違うためです。
たとえば花こう岩は、石英、長石、雲母など複数の鉱物からできています。石英は比較的化学的風化に強い一方、長石は水との反応で変質しやすいので、長石の風化が進むと粒同士の結びつきが弱くなり、花こう岩全体が砂のように崩れやすくなることがあります。
一方、石灰岩では炭酸カルシウムが弱酸性の水に溶けるため、化学的風化が地形形成に大きく関係します。岩石の風化速度は、もとの岩石の種類、水と岩石の割合、温度、生物や有機物の存在、経過時間などにも左右されます。
水が多ければ必ず風化が速いわけではない
水は化学的風化を進める重要な要因ですが、「水が多いほど必ず風化が速い」と単純には言えません。
風化の速さは、岩石の種類、温度、水がどのくらい流れるか、溶けた成分がどれだけ運び去られるか、土壌や風化生成物が岩石表面を覆うかなど、複数の条件によって変わります。
たとえば、風化によってできた粘土や残留物が岩石表面を厚く覆うと、新鮮な岩石へ水が届きにくくなり、反応速度が低下する場合があります。風化は時間とともに常に同じ速度で進むわけではありません。
風化はどこまで進むのか
風化が進むと、岩石は次第に亀裂が多くなり、もろくなり、鉱物の一部が粘土鉱物や鉄酸化物などへ変わります。さらに進むと、岩石としての構造を保てなくなり、砂や粘土を多く含む風化物へ変わっていきます。
GSJは、岩石の風化によって生産された粘土が有機物と混ざり、土壌形成に関わると説明しています。そのため、風化は「岩石が壊れる現象」であると同時に、土壌をつくる出発点でもあります。
ただし、風化の深さや進み方は場所によって大きく異なります。気候、地形、地下水、岩種、亀裂の発達、地表に露出していた時間などが違うためです。
風化の仕組みを知ると何がわかるのか
風化は地形や土壌だけでなく、斜面の安定性、建築物の石材、トンネルやダムの基礎岩盤などにも関係します。
新鮮な岩石は強くても、風化によって亀裂が増え、鉱物の結合が弱くなると、強度や透水性が変わることがあります。そのため、応用地質学では岩盤の風化度を調べることが重要です。
また、風化生成物や鉱物の変化を調べることで、その地域がどのような気候や水環境を経験してきたかを推定できる場合もあります。風化は、現在の地表環境と過去の環境の両方を読み解く手がかりになります。
まとめ
岩石の風化は、水・空気・温度変化・生物などの作用によって、岩石が物理的に砕け、同時に鉱物が化学的に変化することで成り立っています。
物理的風化では凍結融解、温度変化、塩の結晶化、根の成長などが亀裂を広げます。化学的風化では、水や酸素、二酸化炭素との反応によって鉱物が溶解・酸化・加水分解し、粘土鉱物などへ変化します。
さらに、物理的風化が表面積や水の通り道を増やすと化学的風化が進みやすくなり、化学的変質で岩石が弱くなると物理的にも壊れやすくなります。つまり風化は、物理と化学が相互作用しながら岩石を地表環境に適した状態へ変えていく仕組みだと理解するとよいでしょう。
コメント