溶液の化学組成の分析の結果より、どの実験においてもSiとMgは時間とともに直線的に増加しており、かんらん石の溶解は調和溶解を示した(図1)。このことはかんらん石の結晶構造から説明することができる。かんらん石はシリカ四面体が独立している鉱物である。このためかんらん石のMg-Oの結合が切断されれば、Si-O結合の切断を必要とせずにシリカ四面体はそのまま溶液中に溶け出すことができる(Schott and Bemer,1983)。次に結晶方位による溶解速度を比較してみると、極く初期の溶解では(010)での溶解が最も速く、(100)での溶解が最も遅い。前者の溶解速度は後者の約4倍であった。実験開始から100時間を超えると、(010)と(001)の溶解速度はほぼ等しくなり(100)の溶解速度の約2倍であった。溶解速度の温度依存性を調べるため、横軸に絶対温度の逆数、縦軸にSiの溶解速度定数の対数をとると直線の関係が示され(図2)、これより活性化エネルギーを求めると40.5±1.5kJ/molであった。また溶解速度のpH依存性を調べるため同様にアレニウスプロットをとると、直線の関係が示され対数スケールでの水素イオン濃度の溶解速度に対する依存性は0.57乗(a_H+^0.57)であった。

図1.かんらん石の(001)から溶解したSiとMgの量の時間変化(pH4.5,80℃)

図2.かんらん石の溶解速度定数の温度依存性(pH4.5):K＝SiO₂mol/cm²・s

　次に実験終了後の表面を電子顕微鏡で観察したところ、どの表面にも直径200-400nmの大きさをした球状の茶褐色の変質鉱物が生成されており、化学組成とその色からこの生成物はiddingsiteであると推定される。溶液中のSiとMgが時間とともに直線的に増加していることからもわかるように、この生成物は溶解速度に影響を与えていない。また鉱物の表面にはエッチピットが形成されているが、エッチピットが形成されているところにはこの2次鉱物は生成されておらず、転位が存在するところでの溶解は2次鉱物の沈殿より速いことがわかる。(100)の表面ではこの面と垂直方向に走る転位に沿って溶解が進んでおりピラミッドを逆さにしたような階段状のエッチピットが観察される。この逆ピラミッド型をしたエッチピットの大きさは20m×40m、深さ20mであった。エッチピットの数から推定される転位密度は2-3×10⁵/cm²であった。また(010)の表面でも[100]と平行に走る転位に沿って溶解が進んでおり、細長い短冊上のエッチピットが観察された。同様に推定される転位密度は(100)とほぼ同じ2-3×10⁵/cm²であった。そして(001)の表面はほとんどが2次鉱物に覆われているが、ところどころに角張った層状の形態をした組織がみられる。この部分の観察により(001)の溶解では(001)に沿って溶解が進行している。

　以上の結果よりかんらん石の初期の溶解においては、転位と平行な面での溶解のほうが転位と垂直な面での溶解よりも速く、転位の走っている方向が結晶面の溶解速度の違いを生じさせている。しかし(100)においてエッチピットによる溶解した部分の体積を考慮した場合と考慮しなかった場合の面と垂直方向の溶解速度を求めてみると、両者には大きな差はなく転位自体はかんらん石の溶解速度に大きな影響を与えていないと考えられる。また(100)においては2種類の転位(alleye of dislocation と free dislocation)が見られたが、それぞれの転位における単位面積あたりに溶解した量はほぼ等しく、転位の種類は溶解速度にあまり影響を与えていない。

　溶液の化学組成の結果によると、輝石の溶解は極く初期の溶解を除くと調和溶解を示す。輝石の初期の溶解においては、相対的にCaとMgはSiより多く、さらにCaはMgよりも多く溶液中に溶け出している(図3)。このことは原子間の結合エネルギーの点から説明することができる。まずSi-O結合は非常に強いのでSiの溶解速度は一番遅い。また一般に透輝石(diopside)においてCaは選択的にM2サイトを占め、MgはM1サイトとM2サイトの残りを占める。この2つのサイトは構造的に違っておりM2サイトのほうがM1サイトよりも歪みが大きく結合エネルギーが小さいと考えられる。そのためM2サイトに入っているイオンのほうが溶脱しやすく、CaはMgよりも相対的に多く溶液中に溶け出すと言える(Schott and Berner,1985)。次に結晶方位による溶解速度を比較してみると、(001)の溶解速度が最も速く、(010)の溶解速度がもっとも遅い。前者の溶解速度は後者の約2倍であった。

図3.輝石の(010)の溶解における溶脱イオンの割合の時間変化(pH3.5,80℃)

　実験終了後の表面を電子顕微鏡で観察したところ、(001)において小さなエッチピットが見られただけで、微細組織による溶解の跡はほとんどみられなかった。(100)には離溶組織に由来するMgに富んでいると思われるラメラがみられ、このラメラの部分は周囲よりも高くなって残っており溶解が遅いと思われる。このことから、輝石はMgの量によって溶解速度が異なることが予想される。

　以上の結果から考えて、結晶方位による溶解速度の違いは輝石の結晶構造によって説明することができる。輝石においてはシリカ四面体のチェインの方向はc軸と平行な方向である。ゆえにチェインと垂直な面である(001)では、Siを溶液中に切り離すのにSi-O結合の切断は1つで済む。これに対してチェインと平行な面である(100)と(010)では、Siを溶液中に切り離すのにSi-O結合の切断が1つまたは2つ必要であり、それだけ溶解しにくくなる。これらのことより輝石の溶解においては、シリカ四面体のチェインに垂直な方向が溶解速度が速く、結晶構造が溶解速度に密接に関係していることがわかった。

　溶液の化学組成の結果によると、長石の溶解において陽イオン(Ca and Na イオン)はSiやAlよりも速く溶解している。このことはCa-OやNa-Oの結合エネルギーがSi-OやAl-Oよりも小さいことを示している。またAlの方がSiよりも速く溶解している事から、Al-OはSi-Oよりも結合エネルギーが小さいと考えられる(Casey et al.,1988)。また結晶方位による溶解速度を比較してみると、(100)の溶解速度が(010)と(001)の溶解速度よりも速く前者の溶解速度は後者の約2倍であった。

　実験終了後の表面を電子顕微鏡で観察したところ、(100)においては2つの方向に伸びたエッチピットが、(010)と(001)には1つの方向に伸びたエッチピットがみられた。(010)と平行な方向にみられるエッチピットはこの長石に発達している(010)と平行なへき開によるものであり、もう一つの(001)と平行な方向にみられるエッチピットも、別な微細組織(例えば双晶など)と関連があると思われる。長石の溶解においては、へき開が溶解に大きな役割を果たしている。

　かんらん石と同様にして求められた各鉱物の溶解速度定数、活性化エネルギー、水素イオン濃度の溶解速度に対する反応の次数を表1に示す。この溶解速度の違いは各鉱物の結晶構造の違いによって説明することができる。かんらん石はネソ珪酸塩に属し、シリカ四面体が独立しているため溶解においてSi-O結合を切断する必要がない。輝石はイノ珪酸塩に属し、溶解において1つあるいは2つのSi-O結合を切断する必要がある。また長石はテクト珪酸塩に属するので、溶解において最大4つのSi-O結合を切断する必要がある。珪酸塩鉱物においては一般的にSi-Oが最も強い結合であるため、このSi-O結合を切り離す個数によって溶解速度に大きな差が生じるものと考えられる。また活性化エネルギーがかんらん石、輝石、長石とシリカ四面体の重合が増すにつれて大きくなることについても、溶解速度定数と同様にSi-O結合を切り離す個数によってこの差が生じていると考えられる。

表1. かんらん石・輝石・長石の溶解速度定数と活性化エネルギーおよび水素イオン濃度の溶解速度における反応次数。溶解速度定数はpH5.0,25℃に換算した溶解速度定数R＝SiO₂mol/cm²・sの対数をとって示してある。

　鉱物の溶解において、かんらん石や長石のようにシリカ四面体の重合度が各結晶面においてより等方的に近い時には転位やへき開などの微細構造が溶解速度に影響を与え、そして輝石のようにシリカ四面体の重合度が各結晶面において異なるときにはその重合度が小さいほど溶解速度が速くなる。このことから、結晶構造におけるSiO₄四面体の重合度の異方性が顕著であるときは、溶解速度は結晶構造によって最も影響を受け、四面体の重合度の異方性が等方的に近くなると結晶の微細組織の異方性の影響を強く受けると結論される。