超高濃度レアアース泥の成因：その起源・元素濃集機構・堆積環境の解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16J07136
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 大田 隼一郎 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球内部物質循環研究分野, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• キーワード: 海底鉱物資源 / レアアース / 深海底堆積物 / 生物源アパタイト / 顕微鏡

研究実績の概要

超高濃度レアアース泥には、生物の骨格を構成するリン酸カルシウム（アパタイト）の細かい破片が大量に含まれており、それらが海底で多量のレアアースを濃集することで極めて高いレアアース濃度をもつ海底堆積物となっている。こうしたアパタイト粒子はもともとの生物骨格の原型をとどめないほど細かく断片化しているため、それらからもともとの生物の特徴を推定することは容易ではない。そこで本研究課題では、アパタイト粒子の中でも比較的原型をとどめている「歯」を超高濃度レアアース泥から400個以上取り出し、その形状に基づいて分類を行うことで、こうした生物の特徴の推定を試みた。その結果、超高濃度レアアース泥には新生代の特定の時代に出現する形状の歯が多く含まれていることがわかった。したがって、この時代にこうした歯をもっていた生物が生息していた地域をさらに推定できれば、超高濃度レアアース泥の分布域の予測を行うことが可能となる。
また、アパタイトのレアアース濃集機構を明らかにするために、高分解能な顕微鏡を用いたナノスケールの構造解析および元素組成分析を行った。構造解析の結果、超高濃度レアアース泥に含まれているアパタイト粒子は極めて小さなナノサイズのアパタイト結晶の集合体であり、脊椎動物の生体の骨組織と類似していることが確認された。さらに、ナノスケールの元素組成分析を行ったところ、レアアースが強く検出される部分では、ナノサイズアパタイト結晶の間を埋めている有機物量が少なく、多孔質で表面積の非常に大きな構造となっていることがわかった。アパタイトは物質としてもともとレアアースを取り込みやすい性質をもつが、超高濃度レアアース泥中では生物源アパタイトが多孔質で表面積の大きな形状となっているために、極めて効率よくレアアースを取り込んでいると考えられる。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究課題第1年度目に実施を予定していた主要な課題の一つであった生物源アパタイト供給生物の特徴推定については、アパタイトが超高濃度レアアース泥中で高度に断片化していることから研究当初より困難さが予測されていた。しかし、それに対して「歯」に着目することで、研究実績の概要にて述べたような成果を得た。魚の歯の鑑定・分類手法は1980年代以降の実施例のほとんどない、現在ではほとんど失われた技術であるが、過去の資料を整理しつつ個人的な鑑定技量を高めることによって、アパタイトの形状に関する系統的な分析が可能となった。次年度以降にこうした系統的な分析を行ってデータを蓄積することで、アパタイト供給生物の特徴を絞り込むことができる可能性がある。
また、もう一つの主要な課題として生物源アパタイトの原子スケール分析・解析を予定していたが、それに先立ってナノスケールの構造解析・化学組成分析を行うことによって、生物源アパタイトのナノスケールの多孔質構造がレアアース濃集に強く寄与している可能性を掴んだ。このように、生物源アパタイトのレアアース濃集現象のスケールを、マイクロスケールからナノスケールへ段階的に小さくすることによって、その現象の全体像をよりよく理解することができた。このことは、次年度以降に行う原子スケール分析のための分析対象選定・結果の解釈において極めて重要となる。
以上のように、本研究課題は解決すべき要素の困難さに応じて適切な変更を加えながら着実に成果を得ているため、順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

本研究課題第2年度目には、超高濃度レアアース泥がどのような環境で生成したのかを明らかにするための研究を開始する。超高濃度レアアース泥の堆積年代推定は、過去の海洋環境の視点からその生成について議論するために必須である。年代推定については、第1年度目に行ってきた魚の歯の鑑定・分類が年代推定にも有効であるため、アパタイト供給生物の特徴推定と並行して、魚の歯による年代推定にも同時に行っていく。さらに、これに当初から予定されているOs同位体比を用いた年代推定を組み合わせれば、確度の高い堆積年代推定が可能となる。なお、当初予定していたSr同位体比を用いた年代推定については、分析に用いる「大きな歯」を確保することが必須となるが、そうした歯が見つかることは確実でないため、研究を進めていくうえでそうした歯を発見し次第分析に供する。
粒度分析は、強い海流による堆積物の粒度選別が超高濃度レアアース泥の生成に寄与しているかどうかを調べるための重要な分析である。粒度分析については、まず鉱物種を限定せず堆積物全体の粒度分析を行っていく。これまでの複数の調査航海で採取された堆積物試料の化学組成分析によって、南鳥島周辺に分布する高濃度なレアアース泥は、高濃度層の厚さやレアアース濃度に大きなばらつきがあることがわかってきており、局地的な海流の強弱がこうした分布の偏りを生じさせている可能性がある。堆積物全体の粒度分析は分析試料数を稼ぐことができるため、これを複数の地点から採取された堆積物コアに対して行い、南鳥島周辺海域で起こった高濃度なレアアース泥の生成と海流の関連性の全体像を把握する。また、必要に応じて生物源アパタイトなどの個別の鉱物に対する粒度分析を行う。
なお、第2年度目においても生物源アパタイトのナノスケール分析を行って原子スケール分析のための分析対象を選定し、完了次第原子スケール分析を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Technical University of Denmark(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Technical University of Denmark
• [雑誌論文] Geological factors responsible for REY-rich mud in the western North Pacific Ocean: Implications from mineralogy and grain size distributions (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohta, J., Yasukawa, K., Machida, S., Fujinaga, K., Nakamura, K., Takaya, Y., Iijima, K., Suzuki, K. & Kato, Y
  • 雑誌名: Geochemical Journal 巻: 50 ページ: 591-603
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0435
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery of extremely REY-rich mud in the western North Pacific Ocean (2016)
  • 著者名/発表者名: Iijima, K., Yasukawa, K., Fujinaga, K., Nakamura, K., Machida, S., Takaya, Y., Ohta, J., Haraguchi, S., Nishio, Y., Usui, Y., Nozaki, T., Yamazaki, T., Ichiyama, Y., Ijiri, A., Inagaki, F., Machiyama, H., Suzuki, K., Kato, Y. & KR13-02 Cruise members
  • 雑誌名: Geochemical Journal 巻: 50 ページ: 557-573
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0431
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Geochemistry of REY-rich mud in the Japanese Exclusive Economic Zone around Minamitorishima Island (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujinaga, K., Yasukawa, K., Nakamura, K., Machida, S., Takaya, Y., Ohta, J., Araki, S., Liu, H., Usami, R., Maki, R., Haraguchi, S., Nishio, Y., Usui, Y., Nozaki, T., Yamazaki, T., Ichiyama, Y., Ijiri, A., Inagaki, F., Machiyama, H., Iijima, K., Suzuki, K., Kato, Y. & KR13-02, MR13-E02 Leg 2 & KR14-02 Cruise members
  • 雑誌名: Geochemical Journal 巻: 50 ページ: 575-590
  • DOI: 10.2343/geochemj.2.0432
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 南鳥島周辺の遠洋性赤色粘土より測定した白亜紀最後期からの風成塵粒子サイズ変動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 臼井洋一，大田隼一郎，飯島耕一，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地質学会第123年学術大会
  • 発表場所: 日本大学文理学部キャンパス（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2016-09-12
• [学会発表] 海の鉱物資源の全容解明へ向けた新しい試み (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤泰浩，岩森光，中村謙太郎，尾上哲治，野崎達生，藤永公一郎，町田嗣樹，高谷雄太郎，安川和孝，大田隼一郎
  • 学会等名: 日本地質学会第123年学術大会
  • 発表場所: 日本大学文理学部キャンパス（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2016-09-11
• [学会発表] 南鳥島EEZ南部における超高濃度レアアース泥の地球化学的特徴および分布状況 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤永公一郎，安川和孝，中村謙太郎，髙谷雄太郎，大田隼一郎，大矢和孝，町田嗣樹，野崎達生，飯島耕一，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地質学会第123年学術大会
  • 発表場所: 日本大学文理学部キャンパス（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2016-09-11
• [学会発表] 南鳥島EEZ南東部全域に分布するマンガンノジュール ～YK16-01航海速報～ (2016)
  • 著者名/発表者名: 町田嗣樹，飯島耕一，下村遼，安川和孝，藤永公一郎，野崎達生，金子純二，大田隼一郎，山本浩文，高谷雄太郎，石井輝秋，佐藤太一，中村謙太郎，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地質学会第123年学術大会
  • 発表場所: 日本大学文理学部キャンパス（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2016-09-11
• [学会発表] REY-rich mud: A perspective on science and engineering of the new REY resource (2016)
  • 著者名/発表者名: Kato, Y., Fujinaga, K., Yasukawa, K., Ohta, J., Takaya, Y., Nozaki, T., Machida, S., Nakamura, K. and Iwamori, H.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Geochemical features and distribution of the extremely REY-rich mud in the Minamitorishima EEZ (2016)
  • 著者名/発表者名: Fujinaga, K., Yasukawa, K., Ohta, J., Nakamura, K., Takaya, Y., Nozaki, T., Machida, S., Iijima, K. and Kato, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] The origin of seafloor surface sediment in the western North Pacific Ocean (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, E., Yasukawa, K., Nakamura, K., Miyazaki, T., Ohta, J., Fujinaga, K., Iwamori, H. and Kato, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Chemostratigraphic correlation of deep-sea sediments in the western North Pacific Ocean and its implication for the origin of the extremely REY-rich mud (2016)
  • 著者名/発表者名: Mimura, K., Nakamura, K., Yasukawa, K., Ohta, J., Fujinaga, K., Machida, S. and Kato, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] A distribution of Cretaceous to Paleogene deep-water agglutinated foraminifers in the western North Pacific Ocean (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohta, J., Nakamura, K., Yasukawa, K., Fujinaga, K., Iijima, K., Iwamori, H. and Kato, Y.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Pacifico Yokohama（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-06-27
  • 国際学会
• [学会発表] 北西太平洋の遠洋性堆積物中の白亜紀／古第三紀境界層付近における deep-water agglutinated foraminifers (2016)
  • 著者名/発表者名: 大田隼一郎，中村謙太郎，安川和孝，藤永公一郎，飯島耕一，岩森光，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] 南鳥島周辺EEZ内におけるレアアース泥研究の最新成果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤泰浩，藤永公一郎，中村謙太郎，安川和孝，大田隼一郎，高谷雄太郎，飯島耕一，町田嗣樹，野崎達生，木村純一，鈴木勝彦，岩森光
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] 南鳥島南方海域における超高濃度レアアース泥の分布状況 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤永公一郎，安川和孝，町田嗣樹，野崎達生，高谷雄太郎，大田隼一郎，大矢和孝，新熊大生，西尾嘉朗，正木裕香，臼井洋一，原口悟，飯島耕一，天川裕史，鈴木勝彦，中村謙太郎，加藤泰浩，MR15-E02 Leg.2 乗船者一同
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] 南鳥島EEZ内の深海堆積物を構成する地球化学的独立成分 (2016)
  • 著者名/発表者名: 安川和孝，中村謙太郎，藤永公一郎，大田隼一郎，岩森光，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] 全岩化学組成及び同位体比に基づく南鳥島周辺EEZ内深海堆積物の起源の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中えりか，安川和孝，中村謙太郎，宮崎隆，大田隼一郎，藤永公一郎，岩森光，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25
• [学会発表] 全岩化学組成に基づく北西太平洋の深海堆積物層序：レアアース泥起源への示唆 (2016)
  • 著者名/発表者名: 見邨和英，中村謙太郎，安川和孝，大田隼一郎，藤永公一郎，町田嗣樹，加藤泰浩
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2016年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ（千葉県千葉市）
  • 年月日: 2016-05-25