クラーク数（クラークすう、英: Clarke number）とは地球上の地表付近に存在する元素の割合を質量パーセント濃度で表したものである[1]。一番多いのは酸素で、ケイ素、アルミニウム、鉄の順に続く。「クラーク数」ということばは人によって意味が違い、紛らわしいため使われなくなった。似たようなことばとして「地殻中の元素の存在度」がある。
概要
アメリカ合衆国の地球化学者フランク・ウィグルスワース・クラーク（Frank Wigglesworth Clarke、1847年 - 1931年）らは地殻中の元素の存在度(元素の割合)を推定するにあたり、
- 『地殻』("The Earth's crust"。ここでは地球表層部の意味)は地表部付近からおおよそ海水面下10マイル(16km)までと推定する
- 岩石圏（"lithospehere"="rocky crust"。質量パーセントで93.06%を占める）、水圏（同じく6.91%）、気圏（同じく0.03%）の3つの値を合計する
- 岩石圏での物質の割合は95%の火成岩、4%の頁岩、0.75%の砂岩、0.25%の石灰岩より成ると仮定する
という手法を用いた[2]。1889年[3]から何度か数値を改訂しており、クラークらによる最新版(1924年版)では火成岩の平均組成(元素の割合)は5,159個の試料の分析値の平均から推定している[2][4]。のちにソ連の地球化学者アレクサンドル・フェルスマンはクラークの業績をたたえて、元素の存在度(割合)のことを「クラーク」と呼ぶことを提案した[5]。日本でも少なくとも1931年までには「クラーク数」という用語が使われだした(例.[6])。いっぽうアメリカ地質調査所(USGS)では、フェルスマンの呼称提案を紹介した報告書[7]内ですら"clarke"のようなエポニムは使っておらず、"relative abundance (of the elements)"という言い方をしている。
日本語での用語は「クラーク『数』」であって、「クラーク『定数』」という用語はない([1]にない)。数値は推定条件によってまちまちなので、定数ではない。クラークが推定した値とも限らない。 日本で1938年から1990年代まで「クラーク数」と称してよく使われた数値(理科年表[8], 使用例:[9],[10],[11])も岩石圏16km+水圏+気圏の合算値である。しかしその値はクラークのいずれの版の数値[3][12][13][14][15][16]とも異なり、フェルスマン[7]とも異なる。この数値は木村健二郎によるもの[17][8]で、のちにアメリカ地質調査所が編纂した主要推定値一覧[18]には掲載されておらず日本独特の数値である。
理科年表は1925年発行の第1冊[19]からクラーク1922年版[15]の元素存在度数値を掲載しているがこの時点では「クラーク数」の呼称はしていない。1936年発行の第13冊[20]で(G.ベルク)の数値(の多少訂正版)に差し換えた時点で初めて「クラーク数表」という副題が付いたので、結果的に「クラーク数表」にクラーク自身の数値が掲載されたことは一度もない。
元々のフェルスマンの用語「クラーク」は単に「元素の相対存在度」という意味であって、対象物は規定していなかった。一個の岩石内の成分についてでもよいし地殻全体の成分についてでもよい。着目量は質量比でも原子個数比でもよい[7]。そのためもあって「クラーク数」という用語は話者によって定義がまちまちになりうる。例:
- 単なる「元素の相対存在度」と同義語として、任意の対象物に使う
- 地殻中の元素の存在度と同義語とみなす
このことから混乱が生じたため1980年代以降は避けられている[1]。また「地殻」を地表下10マイルで近似する科学的意義が薄れ、この手法で得た数値も使われなくなった[11]。
具体例
上位2つの元素である酸素とケイ素は主にケイ酸塩として岩石中に大量に存在する。第3位のアルミニウムはイオン化傾向が大きいため、天然では単体では存在せず、長石などのケイ酸塩、酸化物、粘土鉱物などの化合物として存在している。第4位の鉄は地表付近にも2価および3価の原子価の状態で輝石などのケイ酸塩および磁鉄鉱のような酸化物などとして多く存在しているが、多くは金属または硫化物などとして地球中心部の核に存在している。
また地殻ではカルシウムおよびマグネシウムのようなアルカリ土類金属は主に長石および輝石として、ナトリウムおよびカリウムのようなアルカリ金属は主に長石として存在するが、地球全体の質量の約67%を占めるマントルは主にかんらん岩の組成から成ると推定されるため、マグネシウムが多くなる。このためCIコンドライトの分析結果に基いて推定された、地殻深部、マントル、核まで含めた地球全体に存在する元素の割合を重量パーセントで表すと、鉄が34.63%と第1位となり、これに酸素（29.50%）、ケイ素（15.20%）、マグネシウム（12.70%）と続く（B. Mason (1966) [要文献特定詳細情報]による）。
ちなみにクラーク数順序の暗記法として「おっしゃられて貸そうかマ」：O（お）、Si、Al（しゃられ）、Fe（て）、Ca（か）、Na（そう：ソーダ）、K（か）、Mg（マ）で8番目まで覚えることができる。ついでに「提供は日立」：H（ひ）た、Ti（ち）で10番まで語呂合わせできる。
| 順位 | 元素 | [要出典] |
|---|---|---|
| 1 | 酸素 | 49.5 |
| 2 | ケイ素 | 25.8 |
| 3 | アルミニウム | 7.56 |
| 4 | 鉄 | 4.70 |
| 5 | カルシウム | 3.39 |
| 6 | ナトリウム | 2.63 |
| 7 | カリウム | 2.40 |
| 8 | マグネシウム | 1.93 |
| 9 | 水素 | 0.83 |
| 10 | チタン | 0.46 |
| 11 | 塩素 | 0.19 |
| 12 | マンガン | 0.09 |
| 13 | リン | 0.08 |
| 14 | 炭素 | 0.08 |
| 15 | 硫黄 | 0.06 |
| 16 | 窒素 | 0.03 |
| 17 | フッ素 | 0.03 |
| 18 | ルビジウム | 0.03 |
| 19 | バリウム | 0.023 |
| 20 | ジルコニウム | 0.02 |
| 21 | クロム | 0.02 |
| 22 | ストロンチウム | 0.02 |
| 23 | バナジウム | 0.015 |
| 24 | ニッケル | 0.01 |
| 25 | 銅 | 0.01 |
脚注
- ^ a b c 「クラーク数」『岩波理化学辞典』（第3版増補版）岩波書店、東京、1982年。
- ^ a b Clarke, Frank Wiggleworths; Washington, Henry Stephens (1924). “The composition of the Earth's crust” (PDF). Professional Paper (United States Geological Survey) 127. doi:10.3133/pp127 2020年3月19日閲覧。. ("The data of geochemistry 5th edition"と同年発行だが、こちらのほうが内容が新しい)
- ^ a b Clarke, Frank Wiggleworths (1889-10-26). “The relative abundance of the chemical elements” (PDF). Bulletin of the Philosophical Society of Washington (en:Philosophical Society of Washington) 11: 131–142. 1892 2020年3月28日閲覧。. (火成岩分析サンプル数880個。塩素と臭素は合算値)
- ^ B.メイスン 著、松井義人・一国雅巳 訳『一般地球化学』岩波書店、1970年。
- ^ 『ソビエト大百科事典』（第3版、1969-1978、ロシア語）、「Кларки」（クラーク数）の項。
- ^ 木村健二郎「東洋産含稀元素鑛石の化學的研究(其十七) 本邦産諸鑛物中のゲルマニウム及びガリウムの檢出(豫報)」『日本化學會誌』第52巻、日本化學會、1931年、55-62頁、doi:10.1246/nikkashi1921.52.55、2020年3月21日閲覧。
- ^ a b c Wells, Roger Clark (1937). “Analyses of rocks and minerals from the laboratory of the United States Geological Survey, 1914-36” (PDF). Bulletin (United States Geological Survey) 878: 4. doi:10.3133/b878 2020年3月21日閲覧。.にて引用。(原著 Ферсман, А.Е. (1933). Geochemistry. Том 1. Leningrad)
- ^ a b c 東京天文台, ed (1938). “地殻ヲナス元素ノ割合(クラーク数表)”. 理科年表 (東京帝国大学) 第15冊 (1938): E46. doi:10.11501/1223113 2020年3月22日閲覧. "「クラーク」(F.W.)及ビ「ワシントン」(H.S.)ノ計算(1922年)ヲ基トシ、ベルグ(G.)(1934)及ビ木村健二郎教授(1938)其他ガ多少訂正シタモノデ..." 昭和13年
- ^ 伊藤尚「稀有金屬の現况 (I)」『日本金屬學會誌』第6巻、日本金屬學會、1942年、A443-A446、doi:10.2320/jinstmet1937.6.12_A443、2020年3月21日閲覧。 (数表出典不記載)
- ^ 「クラーク数」『化学大辞典』 3巻（縮刷版第32刷）、共立出版、東京、1989年8月15日（原著1960年9月30日）。ISBN (4-320-04017-1)。
- ^ a b 海老原充「クラーク数 : 消えゆく数値?(どうやってそれを求めたの 1)」『化学と教育』第46巻第7号、日本化学会、1998年、428-431頁、doi:10.20665/kakyoshi.46.7_428。 (数表出典不記載)
- ^ Clarke, Frank Wiggleworths (1908). “The data of geochemistry” (PDF). Bulletin (United States Geological Survey) 330. doi:10.3133/b330 2020年3月19日閲覧。.
- ^ Clarke, Frank Wiggleworths (1911). “The data of geochemistry” (PDF). Bulletin (United States Geological Survey) 491. doi:10.3133/b491 2020年3月19日閲覧。.
- ^ Clarke, Frank Wiggleworths (1916). “The data of geochemistry” (PDF). Bulletin (United States Geological Survey) 616. doi:10.3133/b616 2020年3月19日閲覧。.
- ^ a b Clarke, Frank Wiggleworths; Washington, Henry Stephens (1922-05-01). “The Average Chemical Composition of Igneous Rocks” (PDF). PNAS (National Academy of Sciences) 8(5): 108-115. doi:10.1073/pnas.8.5.108 2020年3月22日閲覧。.
- ^ Clarke, Frank Wiggleworths (1924). “The data of geochemistry” (PDF). Bulletin (United States Geological Survey) 770. doi:10.3133/b770 2020年3月19日閲覧。.
- ^ 木村健二郎 (1939). “本邦温泉ノ微量成分ニ就テ”. 日本温泉気候学会雑誌 (日本温泉気候学会) 5: 1-11. doi:10.11390/onki1935.5.1 2020年3月21日閲覧。.
- ^ Fleischer, Michael (1953). “Recent estimates of the abundances of the elements in the earth's crust” (PDF). Circular (United States Geological Survey) 285. doi:10.3133/cir285 2020年3月21日閲覧。. Table 2.
- ^ 東京天文台, ed (1925). “地殻ヲナス元素ノ割合”. 理科年表 (東京帝国大学) 第1冊 (1925): 259. doi:10.11501/977669 2020年3月22日閲覧. "「クラーク」(F.W.)及ビ「ワシントン」(H.S.)ノ計算(1922年)ニヨル。" 大正14年
- ^ 東京天文台, ed (1936). “地殻ヲナス元素ノ割合(クラーク数表)”. 理科年表 (東京帝国大学) 第13冊 (1936): 316. doi:10.11501/1223097 2020年3月22日閲覧. "「クラーク」(F.W.)及ビ「ワシントン」(H.S.)ノ計算(1922年)ヲ基トシ、ベルグ(G.)(1934)及ビ其他ノ人々ガ多少訂正シタモノデ..." 昭和11年
関連項目
参考文献
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