科学　ダイヤモンドはどうやってできたか　小３質問

Question

小学３年生息子の質問です。
科学にお詳しい方、宜しくお願い致します。

数日前に
ダイヤモンドはマグマに溶けないの？
（http://oshiete.goo.ne.jp/qa/8889629.html）
をご質問させて頂きました。

燃焼と融解がちがう事に気がついたり、
面白い動画を教えて頂き喜んでいたのですが…、

マグマに溶ける溶けない以前に、
ダイヤモンドが、いつどのようにできたががちゃんと知りたいと言います。

本人は、
【はじめは】
地球ができる時に、小惑星がぶつかる圧力でダイヤモンドとかその他の鉱石ができて、
どろどろのスープみたいなマグマの中に浮かんでた。
しばらくして中心から遠い地球の表面は固まりだしたんだけど、マグマはパワーがあって、
表面の隙間から噴火をしてて、それでマグマといっしょに吹き上がって地上に出てきたダイヤモンドや地面でそのままマグマと固まって埋もれてしまっていたダイヤモンドとかを、いまみんなは見つけて使っている。
と、思っていました。

【マグマに溶けないの？の質問の後】
マグマの中にダイヤが固体で浮かんでいるのはおかしい。
ほかの宝石もみんな液体でどろどろしてる。それがマグマで、噴火した時に液体から固体に変
わったって事かな？
マグマは、地球ができる時の圧力でできたいろんな物質が、固体じゃなくて液体で溶けてる物。
だから冷やされれば固体になる。
だから、地面の上にあったり、他のものといっしょに固まっているものを掘ったりして人間は使っている。
…という事は…
今噴火してる火山のマグマからダイヤモンドが取れないのは、
今の地球には酸素があって、燃えてしまうから。
と、考えた様です。

【しばらくして…】
なんだか違うのかな…
もしかしたら、
マグマっていうのは、周期表にでてる全部のいろな元素がつまってるものの事で、
それが液体でどろどろしている？？
だからまだダイヤモンドとかルビーとかはマグマのなかにはなくって、
材料の元素だけあるだけ？？？
それが、噴火で圧力がかかった時にくっついてダイヤモンドとか黒鉛とかルビーとかになって、
地球の表面にでてきて、酸素がなかった頃の地球では燃えないから、
固体のダイヤモンドのままで、燃えないで済んだのを見つけて今の人間がつかってる…
…ってことかなぁ？？

何だか…わけわからんくなった・・・。

そもそもさぁ～
なんでマグマって熱いわけ？
地球ができた時は酸素がなかったんでしょ。
って事は、燃えてて熱いんじゃないんだよね。
今だってマグマには酸素はないんじゃない？
太陽みたいに　核融合してるってこと？

熱くなるのは、燃焼と核融合の他にもあるってこと？？？？

疑問噴出の様です。

何卒よろしくお願い致します。

CC_T · Accepted Answer

あぁ、以前ご質問の息子さんでしたか。今度は地球に興味持ってるんですね。

No.2補）
> 『マントルからマグマへ流れる時の圧力や温度でダイヤモンドができ、
確かマントルの中で材料の炭素が多い部分で結晶化がおきるものとされていたかと。
物質によって結晶化する条件（温度＆圧力）が異なるので、炭素を含む岩から炭素が溶けだして丁度ダイヤモンドの結晶化にいい条件の所で集まりながら結晶化した物。不純物を含むこともあり、場合によっては黄・ピンク・青といった色味がかったダイヤモンドができることもあります。ピンクや青は希少価値が高いですね。

> それが太古の地球で噴火し、地球表面や表層に押し上げられたダイヤモンドを、
> 私たちが発見して利用している。
地殻変動によっ地下で地面が割れ、そこにマグマ流れ込んで一気に上昇して来る時に巻き込まれて地表近くまで出てきた跡が、ダイヤモンド鉱床となってます。これがゆっくり上がってくると途中の圧力変化で変質してダイヤモンドではない、わりとありふれた石になってしまうそうですが。

> でも、今から噴火するマグマの中のダイヤモンドは、今の地球には
> 酸素があるから燃えてしまうので、新しい噴火でダイヤモンドを人間が手にすることはない。
マグマの流れが地表まで到達しなければ、酸素に触れることも無いので燃える事はないと思います。地下１kmよりちょっと浅い所で止まってくれれば、希望が持てそうですね。そんな大規模な地殻変動があったら相当大きな地震が起きるでしょうけど。
なお、ロシアには数千万年前に巨大隕石がぶつかった時のショックで地表近くまで噴き出してきたとみられるダイヤモンド鉱山があるそうです。掘って売ったら流通量が増えて希少価値が下がっちゃうから掘らずにそのままにしてあるそうです。
他にも、地球以外の惑星や衛星にもダイヤモンドが大量に眠っているという説がありますね。

おまけ）
NHKサイトへのリンクを付けておきます。
http://www2.nhk.or.jp/school/movie/clip.cgi?das_id=D0005400922_00000&p=box
ダイヤモンドに酸素を吹きつけながら加熱すると燃えます。もちろんダイヤの構成物質は炭素ですから、
二酸化炭素になって跡形もなく消え失せます。
以前、関西の深夜人気ＴＶ番組で「ダイヤモンドで松茸を焼いて食べる」というのもありましたね。

CC_T · Answer

>上記のどちらかの本を購入れば
>息子の知りたい数値が載っていますでしょうか。

どちらも見たことが無いです(^^;
近隣の（できれば大きめの）図書館に出かけて、司書の方に「レファレンス（図書案内）をしてもらうのが一番いいです。
「こんな事を調べたいのですが」って相談したら、載っている本を紹介して貰えます。残念ながら図鑑類は館外の持ち出しができない事も多いのですが。
いろいろ子供向けの本も紹介してくれるので、興味が増して大変な事になるかもしれませんが(^^;

たとえその図書館に無くても、他館にあれば数日で取り寄せて貰えますし、学校の図書館でも「図書館の先生」がいる所なら図書館同士のネットワークに加盟している事もあり、書名が分かっていれば他館から取り寄せて貰えることもあります。

レファレンスデータベースの参考リンクを付けておきます。

参考URL：http://crd.ndl.go.jp/reference/

ORUKA1951 · Answer

No.6です。
　少し説明不足でした。
　マントルとは軽い地殻の下にある鉄などを主体とする塑性をもつ物質です。マントル対流によって地殻はマントルに取り込まれます。また地殻構成地質は水を含んでいますからマントルの熱で容易に溶けてしまいます。また、それは軽いためにマントル内を上昇していき、さらには地殻の割れ目にもぐりこみマグマとなります。そのマグマが冷えて岩石となる。
　それが適当な時間をかけて冷却されると過剰に炭素を含んでいた場合に炭素が結晶します。--早すぎると結晶が小さいし、遅すぎるとグラファイトになる。
　地球深部でゆっくり固まると深成岩、上昇して早く固まると火山岩
　⇒火成岩 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB%E6%88%90%E5%B2%A9#.E6.88.90.E5.88.86.E3.81.AB.E3.82.88.E3.82.8B.E5.88.86.E9.A1.9E )

花崗岩はマントルが時間をかけてゆっくり固まったために結晶が大きい。同じ組成で早く固まると流紋岩になる。ダイヤモンドの母岩であるキンバリー岩が早く固まると"かんらん岩"になる。

ORUKA1951 · Answer

No.4です。
　なら、砂糖をお湯に溶けるだけ溶かしてそれを冷ますと砂糖の結晶が表れます。
・・・ダイヤモンドも同様で炭素を含む岩石が溶けて冷やされたとき解けきれなくなった炭素が結晶になる。
　ミョウバンの結晶づくりでも・・
　それだけでよいのじゃないかと。

また、温度による相変化は試験管と硫黄を買ってきて実験するとよいかも・・。

マントルには炭素はほとんどありません。マントルではなくマグマ( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%B0%E3%83%9 )です。
　マグマは水を含んだ地殻の岩石が熱によって溶けてできる( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9E%E3%82%B0%E3%83%9E%E6%BA%9C%E3%82%8A#.E4.BD.8D.E7.BD.AE ) 
　地殻の岩石のうちで炭素を多く含む地層がマグマになった
　炭素は先カンブリア期の藍色細菌などの光合成生物によって濃縮されたのかもしれない
　せっかく結晶化しても徐々に温度が下がれば黒鉛（グラファイト）になる。
　地殻の岩石が溶けるためには温度が必要
　その温度は地球内部からもたらされた
　熱源は崩壊熱( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E6%80%A7%E5%B4%A9%E5%A3%8A#.E5.B4.A9.E5.A3.8A.E7.86.B1 )と地球創生時の運動エネルギーが熱エネルギー変わったもの
　熱崩壊は重原子核がより安定な形に変わる時に余剰なものが放出--質量が減少する。E=mc²
　
　私が小さいころ母に質問をぶつけたら、直接は答えず可能な事は徹底的にさせられました。豆腐がなぜ固まるかと聞いたら豆腐作り、米について聞いたらたらいで田んぼを作らされた、食品がどこでできるか聞いたら一年間買ってきたものの原産地表示をすべて集めて整理させられた、温度を聞いたら温度計を買ってきた・・・。とうとう音を上げて、小6のクリスマスには顕微鏡、小6では岩波の科学の事典( https://www.google.com/search?hl=ja&q=%E5%B2%A9%E6%B3%A2%20%E7%A7%91%E5%AD%A6%E3%81%AE%E4%BA%8B%E5%85%B8&gws_rd=ssl&tbm=isch )を・・。そして「子供の科学」・・・それに載っている実験や工作はすべて試してきた。中学時代は自宅は化学実験室に、高校時代は電子工作にもはまった。無線機もテレビも作りましたね。
　
　大事な事は、疑問を持ったらそれを説明する推論を行い、実験や観察で実証すること---それが科学(science) を狭義な意味での科学( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A7%91%E5%AD%A6%E7%9A%84%E6%96%B9%E6%B3%95 )なのです。知識を得たことで満足して疑問や興味を失ってしまわないように注意してくださいね。
　あなたがお母さんなら失敗はないと思いますが・・・(^^)

ORUKA1951 · Answer

「物質と元素」「同素体」などの化学の基礎、マグマやマントルという地学の基礎、温度や圧力という物理の基礎を身につけていない段階で説明するのは困難（教えるほうも聞くほうも）ですし、分かった積もりになるのが一番怖いです。
　よって、小学生向けに説明するなら
1) ダイヤモンドは地殻変動でマグマ内でできる。
　(必要な基礎知識)
　　マグマは水を含む地殻の岩石が高温で融解した物でマントルとは組成が異なる。マントルとは直接関係ない。
　　その地殻の岩石は炭素を多く含む堆積岩--石炭のうち無煙炭,グラファイトを含むとベスト。決して隕石ではない!!。キンバーライトと呼ばれる鉱石に含まれる。
　　⇒キンバーライト - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AD%E3%83%B3%E3%83%90%E3%83%BC%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%88 )

2) 炭素は様々な構造をとるがそれは温度・圧力の環境により、どの構造かが決まる。
　　硫黄の同素体の実験をすることで学ぶ★
　高温・低圧ではグラファイトが安定。高圧だとダイヤモンド構造
　ゆっくり上昇すると圧力低下でグラファイトに戻るので急冷される必要がある。
　　溶かした硫黄を急冷するとゴム状硫黄になり、それを放置すると斜方硫黄になる。
　　高温で安定な単斜硫黄を放置すると斜方硫黄になる。
　　　理科での定番実験なので経験あるかと・・
　　⇒硫黄 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A1%AB%E9%BB%84#.E5.90.8C.E7.B4.A0.E4.BD.93 )
　炭素が結晶になるのは、いわゆる再結晶と同じ仕組み。溶融していた炭素が結晶をつくる。

3) 地球内部は高温である。
　原因は崩壊熱と圧力。崩壊熱とはウランなどの自然崩壊することによる発熱と、生成時の衝突エネルギーが残っている。物理（エネルギー保存則と原子核崩壊）
　・・・風船を膨らませると暖かくなる。
　・・・注射器をふさいでぎゅっと押し付けると熱くなる。
　　これも中学校で実験して学ぶ。
4) 造山運動によって地殻は地殻の底のほうに移動する。(造山運動)

概略だけですが、すべてを説明するためには知識ではなく、きちんと理解していかなければなりません。理科--科学ほほは知識ではありません。不思議なことをどう説明すればよいかと言う手続き・手法なのです。これらについてよく知っていれば知識として与える事はできると思いますが、それは科学ではなく歴史の年号や漢字を覚えるのと同じ知識でしかありません。
　大事な事は、それを理解するためには理科をきちんと順序だてて学んでいく必要があるのです。不思議は不思議として心に持ち続けることこそ大事なのですよ。上っ面の知識だけを与えて納得してしまえば、不思議を"ひも解こう"という意欲を失わせてしまいます。
　それは中学・高校と学んでいくときっと分かるよ・・・でよいのじゃないかと。

理数系を得意なまま成長してほしければ、知識を与えるのではなく。どう考えればよいかを教えてください。

kamobedanjoh · Answer

科学に関心の深いお子さん、素晴らしいですね。
温度と圧力についてもご理解なさっているでしょうか？
全ての物質は、温度と圧力によって存在の形態（相）を変化させますね。
ダイヤモンドは炭素の結晶と言うことも、ご理解の様子。とても小学生とは思えません。
マグマについての理解はイマイチでしょうか。マグマとは、高温で溶け出した岩石や金属の集まりです。必ずしも圧力を必要としません。
地中深くにはマントルという岩石があります。マントルはとても高温高圧でありながら、マグマのような溶けた状態ではありません。温度と圧力の状態で、元素の結晶構造が変化するため、堅さも変化するのです。結晶構造などと言う言葉、理解が難しいでしょうか？　その辺は何とか上手く説明して上げて下さい。
雪も結晶構造を持っています。根雪の深い部分ではザラ目状で、固まってしまっていますが、新雪はふかふかと柔らかいですね。この辺りが結晶構造の変化です。
ダイアモンドの成因は、マントルが地中の何らかの圧力の急激な変化で地表付近まで沸き上がり、温度と圧力の変化で丁度ダイアモンド状態の炭素の結晶が出來上がるのです。マグマの中では、圧力の不足で却って出来にくいのです。
その辺の所、上手に説明して上げて下さい。今すぐには理解できなくても、「結晶構造」という言葉を知って貰うだけで十分です。理解が進むためには、関連する物理の諸現象を総合的に理解する必要があり、そのためには時間も必要ですから。
地球内部に核融合はありませんし、高温高圧下の炭素の集まりを燃やし切るほどの酸素も存在しません。
「結晶構造」の他に、「熱力学」という言葉も知って貰えれば好都合です。
いずれ学業が進めば、避けて通れない言葉であり理論ですから、ママには分からないけど、僕が理解できるようになったらママにも教えてね、とお答えして置いて十分です。ママから教わるより、その方がお子さんの励みにも成ります。

CC_T · Answer

地球は昔、ドロドロの熱い球でした。今でもマグマが熱いのは、冷えていないから。
お鍋を加熱して火から降ろし、新聞紙や毛布で包んで余熱調理なんてのがありますが、あんな感じ。
周囲を既に冷えた地面と空気が覆っているから、宇宙に熱が逃げて行きにくい。布団にくるまっているような状態なんですね。

短期的にはマントルなどの動きによる摩擦での発熱もありますが、結局は数十億年かけて冷えていくものと見られています。太陽が膨張して飲み込まれるのが早いか、地球の内部の熱が冷めるのが早いかってところですね。

先に摩擦と書きましたように、酸化とは無関係に熱は生じます。基本的に圧力がかかれば、それだけでも熱が出ます。

さて、ダイヤモンドは地下140km付近で（もちろん上に100km以上の厚みで地殻が乗ってるんですから高圧です）、温度は1000度くらいの条件のところで出来るとされています。1000度ってのはこの深度としてはちょっと温度が低めのところに相当します。
酸素が無ければ燃える事はありませんが、温度が高くても低くても結晶構造が変わり、価値のない石墨（鉛筆の芯みたいな物）などになっちゃいます。
日本のように火山も多く、地下のマントルが活発なところでは温度が高いので、ダイヤモンドは算出しません（小麦粉並みに小さい粒なら見つかっている）。

マントルの底あたりまでは、基本的に個体が多いとされています。でも圧力が高いので、粘土のような感じで変形しいながら動いています。ダイヤモンドは粘土みたいになった石の中で出来、そのまま流されていっていつしか地表近くまで運ばれてきたもの。今世界に出回っている物は恐竜達がいた時代よりもっと前、10億年以上昔に出来た物ばかりで、「新しいダイヤ」はまだ地面の底で流され中。10億年後には会えるかな？

マントルから更に深くなっていくと圧力も温度も上がって元素のスープ状態になってきます。鉄主体で個体に近い内核の周りをドロドロの金属系の外核が覆っていて、その外にマントルがある感じだろうと言われていますが、誰も見に行けないから、地震の波の分析など間接的な事柄を証拠としてそうじゃないかなーって言われてるわけですが。

最近は人工的に高温高圧条件を再現してダイヤモンドを作る技術が発達してきています。
今では「遺骨」から炭素を取り出して合成ダイヤモンドに加工してくれるところもありますね。

sick99 · Answer

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%A4%E3%83%A2%E3%83%B3%E3%83%89

http://www.geocities.co.jp/PowderRoom-Rose/5063/jewellery/diamond/diamond2.htm

科学 ダイヤモンドはどうやってできたか 小３質問

あぁ、以前ご質問の息子さんでしたか。

>上記のどちらかの本を購入れば

No.6です。

No.4です。

この回答への補足

科学に関心の深いお子さん、素晴らしいですね。

地球は昔、ドロドロの熱い球でした。

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