日本版ERWに向けた未利用鉱物資源のCO2削減ポテンシャルの解明

• Project/Area Number: 24K17130
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 17030:Human geosciences-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 菊池 亮佑 北海道大学, 工学研究院, 助教 (50832854)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2026: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 風化促進 / 鉱物資源 / 火山ガラス / CO2 / 地球工学 / 脱炭素 / X線回折 / カーボンニュートラル / 火山岩

Outline of Research at the Start

二酸化炭素ガスのネガティブエミッション技術の開発が加熱している中、自然に起こる岩石の風化・溶解反応を人為的に促進することでCO2吸収・固定化する風化促進（ERW）の実用化が検討されている。岩石の地産地消が鍵となるERWを日本で成立させるため、国内に存在する様々な岩石のCO2削減ポテンシャルを個別に評価する方法論の確立と、火山灰を始めとする易溶解性成分を多く含む未利用鉱物資源の利用可能性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、火山灰などの未利用鉱物資源を対象に、農地や酸性鉱山廃水中に散布した際の二酸化炭素削減ポテンシャルについて検討を行っている。特に、ポテンシャル算出の際の不確定要素となりうる非晶質成分である火山ガラスを含めたキャラクタリゼーションの手法について最近の技術を取り入れつつ比較検討した。
2024年度は、国内の主要な火山灰試料（桜島、阿蘇山、新燃岳、支笏、二上山の計5種）を収集し、その鉱物組成・化学組成・粒度分布などの一次データの取得を行った。また、鉱物組成の定量は、大きく2種類の方法を用いて実施し、手法間の比較を行った。まず、粉末X線回折パターンをリートベルト法によって解析する手法で、試料中の非晶質成分（火山ガラス）を定量するために内標準物質（α-Al2O3）を一定量添加した状態で測定・解析を行った。一方、火山灰粒子を着色した樹脂中に包埋した上で、断面を研磨した薄片試料を作製し、これを偏光顕微鏡およびスライドスキャナーによって観察した。従来の手法では、偏光顕微鏡での観察像を基に、ポイントカウティングと呼ばれる視野内の各鉱物の割合を手作業で集計していく方法を取るが、本研究では円偏光下での観察像をスライドスキャナーでPC上に取り込み、干渉色の色調に閾値を設けて輪郭抽出することで、より迅速な鉱物定量を試みた。
分析した5試料のうち、火山ガラス成分が少ない試料（桜島と新燃岳の２試料）と多い試料（阿蘇、支笏、二上山の3試料）に大きく分けられた。とりわけ、支笏および二上山の試料に含まれる火山ガラス粒子はバブルウォール状や空隙の多い構造をしており、他の3試料と比べて、高い比表面積を示した。各試料に含まれる火山ガラスの成分をSEM-EDSで分析すると、阿蘇・支笏・二上山の試料は比較的KとNaに富み、Ca, Mgはあまり含まれないことから、炭酸塩の形成につながる陽イオン量は限られると想定される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請時の計画に則して、1年目には代表的試料の収集および粉末X線回折による定量を実施、概ね完了している。また、当初2年目後期から行う予定であった画像解析による鉱物定量化の試みを、前倒しで一部実施している。特に、想定以上に進展した点は、岩石薄片の観察によってガラス成分を推定する部分で、これは研究室に新たに導入されたスライドスキャナー（Zeiss製 Axioscan 7）の利用による作業効率の向上が大きく寄与している。画像解析によるガラス成分・鉱物組成の定量に関しては、試料間で適用のしやすさが異なり、鉄酸化物と思われる細かな二次鉱物を多く含む阿蘇の火山灰試料では別の評価方法で二次鉱物の定量化を行って、データを補完する必要があると考えられる。
一方、比較的新鮮な火山灰試料については種々の分析が進展したものの、これらの試料中にはアロフェンなどのガラス以外の非晶質成分があまり多くなく、より風化した火山灰あるいは火山灰土壌の試料も追加で検討すべきだと考えている。これについては、日本に広く分布する火山灰土壌である黒ボク土の試料を1，2点追加で収集して、分析することで対応を行う予定である。
上記を正味で考慮し、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

細かな鉄酸化物の凝集体を含む阿蘇の試料のように、火山灰試料の中には、細かな二次鉱物を含むために光学顕微鏡での観察像では定量化がやや難しい鉱物も含まれる。そこで、電子顕微鏡（SEMやEPMA）での観察像と元素マッピングおよび鉱物の輪郭を抽出する内製プログラムを掛け合わせた新開発の鉱物定量方法による定量化を行う。得られた結果を、2024年度に実施したリートベルト解析やスライドスキャナーによる解析結果と比較検討する。また、2024年度は比較的新鮮な火山灰の標準試料を用いたが、2025年度は北海道内の火山灰土壌（黒ボク土）を評価対象に加える。そのため、試料採取のための野外調査（北海道内の2か所で実施予定）および鉱物学的・地球化学的キャラクタリゼーションを実施する。火山灰の風化・土壌化に伴って生じる二次鉱物や有機物成分を定量化の項目に加える。これらの火山灰および火山灰土壌の各試料について、鉱物組成、各鉱物の化学組成、粒径・比表面積といった一次データに基づき、海水や農地地下水、賛成鉱山廃水との相互作用によって溶出しうる陽イオン量や二酸化炭素削減ポテンシャルなどを算出する。また別途、地球化学計算コードで推定した各試料からの溶出可能な陽イオンの量を評価するために、模擬地下水・模擬鉱山廃水を用いたバッチ試験を行い、実際の溶出量との整合性の確認を行う。また、バッチ試験中に、新鮮な火山ガラスなどの粒子表面に生じることが想定される二次鉱物の産状を確認し、反応速度に及ぼす影響を検証する。