最近、打ち合わせの時に鉱物資源としての“シラス”が意外と通じず、時には魚のシラスと勘違いされることもあり、全国的には知名度があまりないことがわかりました。
シラスは、九州南部に分布する鉱物資源でみなさんも中学の地理でシラス台地として習ったことがあるかと思います。私は、宮崎で27年間暮らしていましたので、てっきり一般的に通用するものと思っていましたが、ご存じがない方が結構見受けられましたので、今回はシラスとシリカについて解説することにしました。
ちなみに、筆者は静岡市出身なので、幼少の頃からシラスは食べてきていて、特に生シラスなんかは大好物で、両方のシラスに大変馴染みがあります。
みなさんは、“シラス”と聞いてどちらのシラスを連想しますか?
シラス
シラスとは、漢字で白砂、白州とも表記され、日本の九州南部一帯に厚い地層として分布する細粒の軽石や火山灰です1)。
新生代新第三紀鮮新世から第四紀更新世にかけての火山活動による噴出物ですが、地質学においてはこのうち特に入戸火砕流による堆積物を指し、狭義では、約3万年前に姶良カルデラから噴出した入戸火砕流堆積物の非溶結部を指します。入戸火砕流堆積物の総量は約200km3と言われ、鹿児島県本土の約6割を覆っています。
シラスは透水性が良いためサツマイモの栽培に適していて、トップは鹿児島県の21万tで、全国のシェアの30%となっています2)。
透水性の良い理由として、噴火後の時間が短い上に堆積が厚く粘土化の進行が進んでいない。石英を主体とした風化に強い粒子で構成されているということが主な原因です。
透水性の良い理由として、噴火後の時間が短い上に堆積が厚く粘土化の進行が進んでいない。石英を主体とした風化に強い粒子で構成されているということが主な原因です。
シラス台地
シラスは、鹿児島湾北部を中心に薩摩・大隅両半島を広く覆うほか、北は熊本県人吉盆地、東は都城市・宮崎市方面にまで達しています(Fig1)。その面積は鹿児島で3,427km2、宮崎県で1,285km2を有し、それぞれ県本土面積の約50%、16%を占めます。
更に、シラスは分布面積が広いだけではなく、厚いところで比高100m以上に達する平坦な台地を形成しています。大隅半島中央部に位置し平坦面約80km2の笠野原台地や、鹿児島空港のある十三塚原台地は有名で、これらは鹿児島県や宮崎県では”○○原”(ハル、ハイ、バルと発音)と呼ばれています。シラスは、火砕流堆積物で構成される台地や丘陵には,新期の火山灰層等に覆われて主として非溶結部で構成されるいわゆる”シラス台地”と、非溶結部を欠く溶結凝灰岩台地に区分されます。更にシラス台地には単一の火砕流で形成されているものと、複数の火砕流で形成されているものとあり、後者の場合は降下軽石や古期火山灰・砕屑性の堆積層を狭在することが多いことが確認されています。
Fig1.南九州におけるシラスの分布3)
シラスは、自然の状態で20-25パーセントの水分を含み、水分量が増えると著しく強度が低下します。更に、比重が低いことと分散性が高いことから水に流されやすく、樹木などが剥がされて地層が露出すると急速に侵食される傾向があり、急傾斜の深い谷を形成するようなガリ侵食を受けやすく、更には地下水流に侵食されて地下空洞を形成することがあり、これが崩落するとシラスドリーネと呼ばれる穴や窪地が形成されます。このためシラスからなる急傾斜地は大雨などによってしばしば崩壊し土石流を引き起こしていて、古くから甚大な被害を出していてシラス災害とも呼ばれていました。
このため1952年(昭和27年)比較的早い時期に特殊土壌地帯災害防除及び振興臨時措置法の対象となり、斜面の崩壊防止対策が進められるようになり現在に至っています。
Photo1.シラス層4)
シラスの構造と化学組成
シラスは、結晶質、火山ガラス質、軽石質、粘土質で構成されていて、火山ガラス質にはシリカや酸化アルミニウムなどで構成されていて、斜長石や石英なども含まれます。
50-58パーセントの空隙を含んだ構造をしていて、有機物はほとんど含まれていません。更に、比重は1.3程度と軽く、粒子内部にも多数の微小な気泡が含まれており、粒子比重も2.30-2.50と軽く、引っ張り強度は小さく、複雑な粒子形状を呈しているためインターロッキング効果による特殊な剪断特性を示します。白色を呈するものが多いが、灰白色、黄褐色、灰黒色、淡紫色、淡紅色のものも見られ、金属不純物(酸化物)によるものです。
Table1. シラスの一般的な化学組成5)
シラスの一般的な化学組成は、シリカ(SiO2)が7割程度で次に、アルミニウム、鉄(2価)の酸化物、後は数%で鉄(3価)、Ca、Mg、Na、Kの酸化物が含有されています。興味深いところは、2価の鉄の含有量が圧倒的に多く、還元状態で形成されたものと考えられます。
シラスの利用
素材としての利用
自然状態のシラスを埋立に使ったものとしては、城山団地造成で出たシラスを水搬工法で与次郎に運んだ例が有名です。しかし、シラスは普通砂よりも液状化しやすいという実験結果があります。
また、昭和30年代には軽量コンクリートの細骨材として使われたこともありました。ただ、強度的に問題があり、その後のコンクリート高強度化により使用されなくなっていきました。
また、かつてはブラウン管の研磨材として使われたり、今でも細かい粒子のものは研磨剤やクレンザーとして使ったり、軽石をジーンズのストーンウォッシュに使ったりしています。
Photo2.ストーンウオッシュ加工とジーンズ6)、7
工業材料としての利用
かつてシラスは、様々な密度・粒径・鉱物特性が入り交じった状態で存在しているため工業資源として利用しづらいものでした。しかし、最近では工業資源として利用しづらかったシラスを、エアテーブルを用いた乾式比重選別によって、結晶質、火山ガラス質、軽石質、粘土質の4つの成分に高精度で分離することができることが報告されています。
分類による高付加価値化
Fig2にエアテーブルによる比重識別法の概要を示します。
エアテーブルとは気流分級法の一種で、多孔版の下から気流を通し、上面に原料が供給されるとき次のプロセスで1mm以上の結晶質の粗砂、1mm以下の結晶質の細砂、軽石、火山ガラス質の細粒と風化物の微粉に分けることができます。
1mm以上の結晶質の粗砂
1mm以上の結晶質の粗砂は、鋸刃状の部分に引掛かかります。このとき多孔版は回転振動しているため粗砂は多孔版の上の方に移動することで回収されます。
1mm以下の結晶質の細砂
1mm以下の結晶質の細砂は、孔から落ちることで回収されます。
軽石
軽石は、振動と多孔版の孔から噴出する気流による浮力により、多孔版より転げ落ちることで下方で回収されます。
火山ガラス質の細粒と風化物の微粉
火山ガラス質の細粒と風化物の微粉は、上昇気流により舞い上がるため、サイクロンや集塵機を用いることで分離・回収できます。
Fig2.シラスのエアテーブルを用いた乾式比重選別法の概要8)
この方法を用いることで結晶質はレディーミクストコンクリート(JIS A5308)用の細骨材として、軽石質は構造用軽量コンクリート骨材(JIS A5002)として、粘土質は陶器の原料として、火山ガラス質はさらに細かく粉砕することにより超高強度コンクリート用混和材として利用できるようになり、4成分への分離および火山ガラス質の微粉末化によって、シラスは物理的・化学的特性に応じた適材適所での高度利用が可能となっています。