「新エネルギーの金」を指すレアアース資源が、地底から新たな「宝の地図」を入手しつつある。ケンブリッジ大学地球科学部による新たな世界的研究で、レアアース元素を豊富に含む特殊な二酸化炭素富化火成岩が、地球上で最も古く最も厚い大陸の「根」である厚いリソスフェアと密接に関連していることが判明し、新たなレアアース鉱床の探索に重要な手がかりを提供している。
この研究はケンブリッジ大学地球科学部が主導し、研究チームは世界中の異常に二酸化炭素を多く含む火成岩の分布を地図にまとめた。このタイプの火成岩は、レアアース元素の主な供給源であると考えられています。分析の結果、これらの岩石は地球の岩石圏の最も厚く最も古い部分の端に集中していることが示され、深部の地質構造とレアアースの濃縮との間に系統的な関連性があることが示唆された。
研究者らは、リソスフェアの最も厚い領域がレアアース濃縮の「温床」になっていると指摘した。ここのマントル岩石は、高圧、低温の条件下では非常に限られた程度の部分溶融しか受けられず、少量のマグマしか生成しない。これらの小体積のマグマは、リソスフェアの底に長期間容易に「閉じ込められ」、数百万年の進化の間にレアアースを含むさまざまな金属元素を濃縮し続け、最終的には開発価値のある鉱床を形成します。
ケンブリッジ大学地球科学部の論文の筆頭著者であるエミリー・ボウマン博士は、この研究は「これらの種類の岩石とそれに由来するレアアース鉱床がどこで発生する可能性が高いかについて、ある程度の予測力を与えてくれている」と述べた。彼女と彼女のチームは、世界中の約 9,000 個の火成岩サンプルに関する化学データを編集しました。そのすべては、高レベルの溶存二酸化炭素という共通の特徴を共有しており、これがレアアース元素の濃縮に重要な役割を果たすと考えられています。
長い間、この特殊なタイプの火成岩は地質学界ではやや「周縁」にありました。それらには多くの名前と奇妙な鉱物組成があります。名前の多くは 19 世紀から 20 世紀初頭にまで遡ることができ、多くの場合、最初に発見された地域に関連しています。地質学者の中には、これらの岩石の名詞体系はほとんど新しい言語を構成する可能性があると冗談を言う人もいます。混乱を招く分類と複雑な科学的問題のため、多くの研究者はこれまでこの手法を避けてきました。
今回の研究チームの画期的な成果は、この複雑な岩石化学情報と地球の内部構造の地震画像データを組み合わせることでした。研究に参加した地球物理学者のセルゲイ・レベデフ氏とスイユアン・スイ氏は、海底地形の輪郭を示すソナーと同様に、地震波を使用して地球の内部構造を「透視」した。このタイプの「プロファイルイメージング」を通じて、研究者らはリソスフェアの厚さの空間的変化を明確に観察し、リソスフェアの厚さがレアアース関連岩石の分布の制御において「ガイド」の役割を果たしていることをさらに確認した。
その結果、レアアースの濃縮を促進する好ましい化学条件を持つ岩石は、主に最古で最も厚い岩石圏領域の急峻な端、つまり古代の大きな陸塊の「根」の端付近に集中していることが示された。このことは、将来的に探査作業を地球規模で展開する際に、この厚いリソスフェア境界帯を重点エリアとして捉えることで、新たなレアアース鉱床の発見効率が大幅に向上することが期待されることを意味します。
レアアース元素は、スマートフォン、電気自動車、風力タービンなどの多くの現代技術における重要な材料の 1 つです。各国が主要鉱物の現地供給の安全性に引き続き注意を払う中、レアアース鉱床の地質学的プロセスと空間分布パターンをより正確に理解することが、資源地質学と戦略的研究における重要なフロンティアとなっている。この研究は、地球の深部構造から出発することで、この分野に新しいアイデアを提供します。
鉱化作用のメカニズムに関して、研究チームが提案したモデルでは、厚いリソスフェアがマントル岩石を高圧かつ比較的低温の状態に長期間保ち、大規模な融解を抑制し、局所的に少量のマグマが生成されるだけだと考えている。これらの二酸化炭素に富んだ小さなマグマカプセルはリソスフェアの底に残り、冷えて固まって異常に二酸化炭素に富む火成岩を形成します。その後、その後の地殻変動や熱現象の作用により、これらの岩石は再び部分的に溶け、レアアース元素がさらに濃縮され、最終的には工業的価値のあるレアアース鉱床に発展しました。
この論文の責任著者でケンブリッジ大学地球科学部教授のサリー・ギブソン氏は現在、100万ポンド相当の関連研究プロジェクトを主導している。これまでの研究は通常、個々の鉱床や局地的な地域に焦点を当てていたが、この研究では地球規模でレアアース関連の岩石を体系的に調査し、視野を地球深部まで広げた、と彼女は述べた。この「点から面へ、浅いところから深いところへ」の変化が、普遍的な法則を発見する鍵となります。
今回発表された成果は、2億年後（2億年）後に形成されたレアアース関連の岩石や鉱床、つまり地球の古代大陸塊の主要な分裂段階の後に形成された鉱化系に焦点を当てたものである。研究チームは次のステップで、2億年以上前の古代の岩石を含む、より長い地質史に時間範囲を拡大する予定だ。世界中の多くの重要なレアアース鉱山がこれらの古代の地層に分布しています。しかし、造山や亀裂などの激しい地殻変動の影響を受けて、古代の岩石は複雑な変化を起こすことが多く、その詳細な解釈がさらに困難になります。
ギブソン氏は、この種の岩石と厚いリソスフェアとの間に系統的な分布関係があることが予備的に確認されたと指摘した。次の段階では、この規則をより長い地質時代に外挿して、さまざまな地殻構造の背景やさまざまな地質時代における適用可能性をテストします。この作業はより困難ではあるが、将来のレアアースやその他の重要な鉱物の探査予測における「重要なリンク」になることが期待されている。