熱水日文の成因と鉱物資源形成プロセス

熱水と鉱物資源の生成

熱水鉱床の形成メカニズム

 

熱水鉱床は地下深部に存在するマグマによって加熱された高温の水が岩石の割れ目を上昇する過程で形成されます。この熱水には、数パーセント程度の水分を含むマグマが固まる際にマグマから分離したマグマ水と、地表の水が地下に浸透してマグマの熱で温められた天水の2種類があります。熱水の温度は150～350℃程度のものが多く、深熱水性鉱床では300～600℃に達することもあります。

 

この高温の熱水は物質を溶解する能力が非常に高く、通過する岩石から金・銀・銅・鉛・亜鉛などの金属元素を溶かし込みながら上昇します。そして温度や圧力の低下により、溶解していた鉱物が岩石の裂罅に結晶化して鉱脈を形成するのです。日本では約2000万年前以降に活発化した火山活動により、北海道北東部と南西部、本州日本海側、伊豆半島、九州の一部で熱水変質作用を受けた岩石が広く分布しています。

 

熱水鉱床に含まれる主要鉱物の種類

熱水鉱脈を構成する鉱物は多岐にわたりますが、最も一般的なのは石英です。石英を主体とする鉱脈は特に「石英脈」と呼ばれ、その中に有用な金属鉱物が含まれています。

 

金属鉱物の代表例：

• 金鉱物：自然金（Au）、エレクトラム（金銀合金）などが熱水から直接沈殿します
• 銀鉱物：自然銀（Ag）、輝銀鉱（Ag₂S）、濃紅銀鉱などが産出します
• 銅鉱物：黄銅鉱（CuFeS₂）、輝銅鉱（Cu₂S）、斑銅鉱などが主要な銅の供給源です
• 鉛・亜鉛鉱物：方鉛鉱（PbS）、閃亜鉛鉱（ZnS）が代表的な鉱石鉱物です
• その他：黄鉄鉱（FeS₂）は金の微細粒を含むことが多く、硫化鉱物として広く分布します

これらの鉱物は単独ではなく、複数の鉱物が組み合わさって鉱脈を形成することが一般的です。例えば、金鉱床では石英脈中に自然金や黄鉄鉱が点在し、銅鉱床では黄銅鉱が石英と共に鉱脈を構成します。

 

倉敷市立自然史博物館の熱水変質作用の解説（熱水鉱床の成因と鉱物生成について詳しく説明）

熱水による日本の代表的鉱山

日本には世界的に有名な熱水鉱床が数多く存在し、かつては重要な金属資源の供給源でした。

 

鹿児島県菱刈鉱山（金鉱床）：
菱刈鉱山は世界屈指の高品位金鉱床として知られ、現在も稼働している日本で数少ない金属鉱山です。浅熱水性金鉱床に分類され、50～200℃程度の比較的低温の熱水によって形成されました。石英脈中に高濃度の金が含まれており、1トンあたり数十グラムという驚異的な品位を誇ります。この鉱山では温泉も湧出しており、熱水活動が比較的最近まで続いていたことを示しています。

 

栃木県足尾銅山（銅鉱床）：
足尾銅山は1500年代に発見され、江戸時代には年間1,200トンもの銅を産出した日本を代表する銅山でした。1880年代には有望鉱脈を次々に発見し、20世紀初頭には日本の銅生産量の4分の1を担うまでに成長しました。黄銅鉱を主体とする熱水鉱脈から銅が採掘され、日本の近代産業の発展に大きく貢献しました。

 

これらの鉱山は熱水が岩石の割れ目を通過する際に金属元素が沈殿して形成された典型的な熱水鉱脈鉱床です。

 

熱水変質による岩石の変化

熱水と接触した岩石は熱水変質作用を受けて、その性質や色が大きく変化します。これは熱水鉱床を探査する際の重要な指標となります。

 

色による変質の識別：
🟢 緑色系変質岩：緑泥石が多量に生成すると岩石全体が緑色～淡緑色を呈します。これは比較的中性に近い熱水環境で形成されます。

 

⚪ 白色系変質岩：白雲母やカオリンなどの粘土鉱物が生成すると岩石は白色化します。長石が分解して無くなり、石基も淡色で軟化するのが特徴です。酸性の熱水変質作用を受けた証拠です。

 

🟡 淡黄色系変質岩：強い熱水変質を受けるとパイロフィライトなどが生成し、全体が淡黄緑色に変化します。このような岩石は「ろう石」と呼ばれ、10円硬貨で傷がつくほど軟化します。

 

⚫ 灰色系変質岩：微細な黄鉄鉱が無数に生成すると岩石全体が灰色に見えます。硫黄分に富む熱水環境の指標です。

 

🟤 褐色系変質岩：水酸化鉄が生成すると褐色を呈します。

 

熱水変質作用によって長石が白雲母や粘土鉱物に変化する化学反応式は次のように表されます：3KAlSi₃O₈（カリ長石）＋ 2H⁺ → KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂（白雲母）＋ 6SiO₂（石英）＋ 2K⁺。このようにカリウムイオンが熱水中に溶け出し、ケイ酸分と含水鉱物が生成します。

 

熱水日文の海底熱水鉱床

日本周辺の海底には陸上とは異なるタイプの熱水鉱床が存在します。海底熱水鉱床は海底火山近くで海水が地下に浸透してマグマに熱せられ、250～300℃の高温熱水として海底から噴出する際に形成されます。

 

日本近海の海底熱水鉱床の特徴：
🌊 分布域：日本周辺には約15～20個程度の海底熱水鉱床が存在するといわれており、伊豆小笠原海域と沖縄海域に集中しています。水深約1,600メートルの深海底に広がっています。

 

💰 含有金属：銅、鉛、亜鉛などのベースメタル、金、銀などの貴金属、さらにゲルマニウムやカドミウムなどのレアメタルが含まれています。電気自動車などに必要な重要鉱物資源として注目されています。

 

🔥 生成メカニズム：高温熱水が海底から噴出すると周囲の0℃に近い海水と接触して急冷され、溶解していた金属成分が沈殿します。噴出孔の周囲には「チムニー」と呼ばれる煙突状の構造物が形成され、その周辺に金属鉱物が堆積して鉱床を形成します。これは「ブラックスモーカー」として知られる現象です。

 

海底熱水鉱床は日本の将来の鉱物資源として期待されており、現在も調査と開発技術の研究が進められています。海底下への低温海水の流入が抑制され、熱水の温度が上昇して沸騰することによって海底下に鉱体が形成されるメカニズムも解明されつつあります。

 

経済産業省資源エネルギー庁の海底熱水鉱床解説（日本近海の鉱床分布と資源ポテンシャルについて）

熱水鉱床の探査技術と識別方法

熱水鉱床を発見するには専門的な探査技術が必要です。現代の鉱床探査では複数の手法を組み合わせて効率的に有望地域を絞り込んでいきます。

 

陸上鉱床の探査手順：
📋 第一期探査（広域調査）：
地質調査では熱水変質帯の分布を把握します。物理探査では電気探査や磁気探査により地下の異常域を特定します。地化学探査では土壌中の金属元素濃度を分析し、金や銅などの異常値を示す地域を絞り込みます。短尺ボーリングで浅部の地質を確認します。

 

🔍 第二期探査（精密調査）：
有望地域に対して長尺ボーリングを実施し、深部の鉱体の存在を直接確認します。採取したコア試料を詳細に分析して金属含有量や鉱物組成を明らかにします。

 

野外での識別方法：
変質鉱物は野外でも指先の感触である程度識別可能です。セリサイトは指でこねるとさらさらした感じになり、最終的に絹糸状光沢が残ります。スメクタイトは指に粘り着く独特の感触があり、水に付けるとすぐ崩れます。カオリナイトはさらさらしていますが光沢は出ません。緑泥石は濃いめの緑色を帯びています。

 

現在では携帯型変質鉱物同定装置（POSAM）という機械も開発されており、鉱物の分光スペクトル特性を利用して10秒以下で40種類の粘土鉱物、炭酸塩鉱物、硫酸塩鉱物を同定できます。

 

海底鉱床の探査手法：
海底熱水鉱床の探査では地形測量で鉱床に伴う特異な微地形（マウンドやチムニー）を抽出し、水質・水温調査で高温・高電気伝導度の熱水の湧出を検出します。ビデオや写真による地質調査でマウンドやチムニーを直接発見し、サンプリングや試錐で有用元素の含有量を分析します。

 

熱水鉱床の探査では変質帯の分布図を作成することが最も重要で、野外で露頭を観察しながら強変質・中変質・弱変質といった区分を行い、自分の目と感覚を信じて変質分布図を作成することが成功への第一歩となります。

 

 

日本近海に大鉱床が眠る ―海底熱水鉱床をめぐる資源争奪戦― (tanQブックス 8)