Elucidating the linkage between changes of marine ecosystems and deposition of deep sea mud highly enriched in rare earth elements

• Project/Area Number: 21K20354
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: Chiba Institute of Technology
• Principal Investigator: Mimura Kazuhide 千葉工業大学, 次世代海洋資源研究センター, 主任研究員 (10909435)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 海底鉱物資源 / レアアース泥 / 微化石 / 機械学習 / 画像認識 / イクチオリス / オスミウム同位体比層序 / 深層学習

Outline of Research at the Start

本研究は，新規海底鉱物資源として注目される「レアアース泥（レアアース元素を豊富に含む深海堆積物）」が，いつ・どこで・どのように形成されたのかを解明することによって，将来重点的に資源探査を行うべき海域を明らかにすることを目的とする．
このために，海洋中の極微量元素であるオスミウムの同位体比を測定することによって高品位な資源が堆積した年代を精緻に決定する．さらに，機械学習によって大量の魚類の歯や鱗の微化石を観察することで，レアアース泥の品位に大きく影響する魚類の生産性が，時代を通じてどのように変遷したかを明らかにする．

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to elucidate the linkage between deposition of deep-sea mud highly enriched in rare earth elements, termed as REE-rich mud, and changes of marine ecosystems. In this study, deep-learning based system to detect microfossil fish teeth and denticles, called “ichthyoliths” from microscopic images, was constructed. Using the system, ichthyoliths were observed from deep-sea sediments obtained at various areas of the Pacific Ocean. Based on the observation, it was suggested that redeposition of older sediments affected the occurrence of mud high grade REE-rich mud.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

イクチオリスを用いた海洋生態系変遷史の解読は近年大きな注目を集めているが，熟練の技術を持つ観察者が時間をかけて実施する必要があることから十分な観察が進んでいなかった．本研究で確立した観察技術により，網羅的なイクチオリス観察が可能になり，今後層序学や古環境学の議論を大きくアップデートすることが期待される．さらに，この技術はあらゆる微化石や粒子鉱物の観察に適用可能であることから，学術的・社会的意義の大きい成果であるといえる．

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウッズホール海洋研究所(米国)
• [Journal Article] The age and origin of the Ruwai polymetallic skarn deposit, Indonesia: evidence of Cretaceous mineralization in the Central Borneo metallogenic belt (2023)
  • Author(s): Cendi, D. P. D., Agangi, A., Idrus, A., Chelle-Michou, C., Lai, C., Ishida, M., Guillong, M., Gonzales-Alvarez, I., Takahashi, R., Yano, M., Mimura, K., Ohta, J., Kato, Y., Simbolon, D. R., Xia, X.
  • Journal Title: Economic Geology Volume: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Automated Detection of Hydrothermal Emission Signatures From Multibeam Echo Sounder Images Using Deep Learning (2023)
  • Author(s): Mimura Kazuhide、Nakamura Kentaro、Takao Kazuhiro、Yasukawa Kazutaka、Kato Yasuhiro
  • Journal Title: IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing Volume: 16 Pages: 2703-2710
  • DOI: 10.1109/jstars.2023.3247467
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rare‐Earth Elements in Deep‐Sea Sediments in the South Pacific Gyre: Source Materials and Resource Potentials (2023)
  • Author(s): Tanaka Erika、Mimura Kazuhide、Nakamura Kentaro、Ohta Junichiro、Yasukawa Kazutaka、Kato Yasuhiro
  • Journal Title: Geochemistry, Geophysics, Geosystems Volume: 24 Issue: 3
  • DOI: 10.1029/2022gc010681
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Datasets for training and validating a deep learning-based system to detect microfossil fish teeth from slide images (2023)
  • Author(s): Mimura Kazuhide、Nakamura Kentaro
  • Journal Title: Data in Brief Volume: 47 Pages: 108940-108940
  • DOI: 10.1016/j.dib.2023.108940
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Automated detection of microfossil fish teeth from slide images using combined deep learning models (2022)
  • Author(s): Mimura Kazuhide、Minabe Shugo、Nakamura Kentaro、Yasukawa Kazutaka、Ohta Junichiro、Kato Yasuhiro
  • Journal Title: Applied Computing and Geosciences Volume: 16 Pages: 100092-100092
  • DOI: 10.1016/j.acags.2022.100092
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Paleogene Seawater Os Isotope Record of the Indian Ocean: Implications for the chemical weathering feedback against Eocene Hyperthermal Events (2022)
  • Author(s): Kuwahara, Y., Yasukawa, K., Ohta, J., Yano, M., Mimura, K., Tanaka E., Fujinaga, K., Nakamura, K., Kato, Y.
  • Organizer: 12th International Conference on Climatic and Biotic Events of the Paleogene
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geochemistry and morphology of Fe-Mn micro nodules in REY-rich mud: Implications for the formation process of highly promising deep-sea REY resource (2022)
  • Author(s): Yasukawa, K., Kino, S., Ohta, J., Azami, K, Tanaka, E., Mimura, K., Fujinaga, K., Nakamura, K. and Kato
  • Organizer: 3rd Edition of World Congress on Geology & Earth Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 太平洋の遠洋性粘土に見られる地球化学的バリエーションとそのグローバル物質循環における重要性 (2022)
  • Author(s): 見邨和英、中村謙太郎、安川和孝、町田嗣樹、大田隼一郎、藤永公一郎、加藤泰浩
  • Organizer: 日本地球化学会第69回年会
  • Invited
• [Presentation] 深層学習を用いたMulti-Beam Echo Sounder (MBES) 画像からの海底熱水活動シグナルの自動検出 (2022)
  • Author(s): 見邨和英、中村謙太郎、高尾和宏、安川和孝、加藤泰浩
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
• [Presentation] 南鳥島マンガンノジュールのOs同位体層序年代決定とμXRF元素マッピングによる成長ハイエイタスの実態解明 (2022)
  • Author(s): 青柳颯汰、大田隼一郎、矢野萌生、見邨和英、浅見慶志朗、野崎達生、中村謙太郎、安川和孝、町田嗣樹、加藤泰浩
  • Organizer: 日本地質学会第129年学術大会
• [Presentation] 深層学習に基づく画像検出システムを用いた南鳥島レアアース泥のイクチオリス層序年代決定 (2022)
  • Author(s): 北澤尭大、見邨和英、安川和孝、大田隼一郎、藤永公一郎、中村謙太郎、加藤泰浩
  • Organizer: 日本地質学会第129年学術大会
• [Presentation] インド洋の炭酸塩堆積物より復元した古第三紀の海水Os同位体比記録：始新世「超温暖化」イベントにおける化学風化フィードバックへの示唆 (2022)
  • Author(s): 桑原佑典、安川和孝、大田隼一郎、矢野萌生、見邨和英、田中えりか、藤永公一郎、中村謙太郎、加藤泰浩
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
  • Invited
• [Presentation] 深層学習に基づくイクチオリス画像検出システムを用いた南鳥島レアアース泥の堆積年代決定 (2022)
  • Author(s): 北澤尭大、見邨和英、安川和孝、大田隼一郎、藤永公一郎、中村謙太郎、加藤泰浩
  • Organizer: JpGU Meeting 2022
• [Presentation] Stratigraphic variations in geochemistry and morphology of Fe-Mn micronodules: Implications for the formation process of extremely REY-rich mud in the western North Pacific Ocean. (2021)
  • Author(s): Yasukawa, K., Kino, S., Ohta, J., Azami, K., Tanaka, E., Mimura, K., Fujinaga, K., Nakamura, K. and Kato, Y.
  • Organizer: Goldschmidt Virtual 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 深層学習によるイクチオリス微化石自動検出技術の検討：レアアース泥の堆積年代制約に向けて (2021)
  • Author(s): 見邨和英，三鍋秀悟，中村謙太郎，大田隼一郎，安川和孝，藤永公一郎，高尾和宏，加藤泰浩
  • Organizer: 日本地質学会第128年学術大会
• [Presentation] イクチオリス生層序と堆積物の全岩コバルト濃度を制約としたモンテカルロ法に基づく遠洋性粘土の堆積年代決定 (2021)
  • Author(s): 見邨和英，中村謙太郎，安川和孝，大田隼一郎，藤永公一郎，臼井洋一，加藤泰浩
  • Organizer: JpGU Meeting 2021
• [Presentation] 南鳥島レアアース泥に含まれるマイクロマンガンノジュールの地球化学的特徴とレアメタル資源ポテンシャル (2021)
  • Author(s): 安川和孝，木野聡志，浅見慶志朗，田中えりか，見邨和英，大田隼一郎，藤永公一郎，中村謙太郎，加藤泰浩
  • Organizer: 日本地質学会第128年学術大会
• [Presentation] 海洋の Nd 質量収支計算を用いた超高濃度レアアース泥の生成条件の制約 (2021)
  • Author(s): 安川和孝，平松彩人，河原畑智朱，見邨和英，田中えりか，大田隼一郎，藤永公一郎，中村謙太郎，加藤泰浩
  • Organizer: 第37回希土類討論会
• [Remarks] yolov7-slideObservation
  • URL: https://github.com/KazuhideMimura/yolov7-slideObservation
• [Remarks] yolov5-ichthyolith
  • URL: https://github.com/KazuhideMimura/yolov5-ichthyolith
• [Remarks] AI を活用した海底熱水鉱床の探査
  • URL: https://orceng-cit.jp/project/detail/30
• [Remarks] 深層学習を用いた魚類の歯化石「イクチオリス」の自動検出
  • URL: https://orceng-cit.jp/project/detail/16
• [Remarks] ai_ichthyolith
  • URL: https://github.com/KazuhideMimura/ai_ichthyolith
• [Remarks] eNetV2_for_ai_ichthyolith
  • URL: https://github.com/KazuhideMimura/eNetV2_for_ai_ichthyolith
• [Remarks] Datasets for ichthyolith detection
  • URL: https://data.mendeley.com/datasets/zdpz6m9gzf/1