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== 分類 == |
== 分類 == |
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鉱床とは有用元素が濃集して工業的に採掘・使用可能となったものであるため、有用元素の濃集過程を検討して分類している。鉱床の種類は大まかに3種類に分類される。 |
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鉱物の鉱床には色々な分類法がある。 |
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*火成鉱床は[[マグマ]]が地下でゆっくり冷却固化する際に各元素が分離・濃集してできた鉱床を指す。 |
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*[[熱水鉱床]]は高温マグマから絞り出された高温の水 または高温のマグマの近傍に存在して熱せられた地下水が、マグマや近傍の岩石の成分を溶解して運搬し、特定個所で晶出させたことに由来する。最近話題になっている[[海嶺]]近くの海底での熱水活動（ブラックスモーク）による鉱床生成もこのタイプに含まれる。 |
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*堆積鉱床は、地上の岩石が[[風化]]して風や水（河川）により運ばれ特定個所で堆積したもの。ボーキサイトの様にアルミニウム以外の成分が溶け出してアルミニウムだけが残った鉱物（残留鉱床）も含まれる。[[石炭]]や[[石油]]のような化石燃料鉱床も堆積作用の結果である。 |
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===火成鉱床=== |
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[[File:Granito.jpg|thumb|right|220px|有色鉱物が少ない[[花崗岩]]]] |
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[[File:GabbroRockCreek1.jpg|thumb|right|220px|[[斑れい岩]]有色鉱物を多く含み黒っぽく見える火成岩]] |
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火成鉱床は地下深くで液体のマグマがゆっくり冷却固化する際に、凝固温度や比重の異なる各種鉱物がマグマ中で順次晶出・分離しマグマ中を沈降/浮上しながら各成分が濃集したもの。上記の理由により、火成鉱床は[[深成岩]]中に限られる。すなわち火山の噴出物などは急冷されるため有用成分の濃集は起こりえないことから、一般には鉱石にはならない。火成鉱床の元となる火成岩については、その成分や外見の違いによって分類がなされている。外見の違いは[[石英]]や[[長石]]のような鉄やマグネシウムを含まない無色鉱物と、これらの金属を多く含む[[かんらん石]]や[[輝石]]の存在比率に影響される。そのため火成岩は一般的に岩石中の有色鉱物の体積によって分類され、有色鉱物の占める堆積が全体の20%以下のものを[[花崗岩]]、20から40%に相当するものを[[閃緑岩]]、40から70%のものを[[斑れい岩]]、70%以上のものを[[橄欖岩]]と呼ぶ。鉱物学ではマグネシウムや鉄を多く含む有色鉱物をマフィック(mafic)鉱物、含まない無色鉱物をフェルシック(felsic)鉱物と呼び、花崗岩をフェルシック火成岩、斑れい岩をマフィック火成岩と称する<ref>『地球鉱物資源入門』 28頁</ref> |
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。これらの岩石種と、採取される有用元素の間には明確な相関関係がある。 |
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*マフィック火成岩（斑れい岩）ないし超マフィック火成岩（橄欖岩）に関連する鉱床 |
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**ニッケル、クロム、白金族、鉄 |
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*フェルシック火成岩（花崗岩）から中間火成岩（閃緑岩）に関連する鉱床 |
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**チタン |
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*フェルシック火成岩（花崗岩）のうち、特にナトリウムやカリウム成分の富んだ岩石に関連する鉱床 |
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**[[希土類]]元素 |
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これらの火成岩や鉱床の種類は、母体となったマグマの性質に大きく依存している。現在 花崗岩質のマグマは、日本を含む島弧などの[[沈み込み帯]]や大陸内部で生成されることが多いが、マフィックないし超マフィック火成岩はその成分が[[マントル]]の成分に比較的近く、中央[[海嶺]]や[[ホットスポット]]などの火山島に多く見られる。しかし[[先カンブリア時代]]においてはマフィックなマグマが大陸地殻へ貫入してできた鉱床が見られる。 |
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* [[正マグマ鉱床]] |
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* [[ペグマタイト鉱床]] |
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火成鉱床の代表的な金属鉱床として下記3種類があげられる<ref>『岩石と地下資源』 158頁</ref> |
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* [[気成鉱床]] |
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*ニッケル・クロム鉱床 |
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*[[ペグマタイト]]鉱床 |
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** [[海底熱水鉱床]] |
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*カーボナタイト鉱床 |
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* [[斑岩銅鉱床]] |
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====火成鉱床の例==== |
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* [[接触交代鉱床]]（[[スカルン鉱床]]） |
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ニッケルやクロムの大きな鉱床は、マフィック性のマグマの塊が地下でゆっくり冷却されたものが多い。最も大規模なクロム鉱床である[[南アフリカ]]の「ブッシュフェルト鉱山」は、約19億年前に当時の陸地の地殻の中に東西520km南北270km最大厚さ7600mという巨大なマフィックマグマが貫入した結果できたもの。巨大なマグマの塊がゆっくり冷えながら固化してゆく際に、融点が高く（即ち他より早く固化する）比重の重い鉄やクロムを含む成分が下に沈み、残った軽い成分が上部に分化して行った様子がわかる。岩相を下から順に説明する。 |
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* [[層状含銅硫化鉄鉱床]]（キースラガー） |
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*急冷層 |
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* [[浅砂鉱床]] |
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*若干のクロム鉄鉱の層 |
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*鉄やマグネシウムを多く含み融点が高く比重の重いかんらん岩類の厚い層（約1500m） |
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*クロム鉄鉱を主とする鉱床 |
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*斑れい岩の厚い（約1000m）層 |
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*[[磁鉄鉱]]の濃集部 |
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*斑れい岩層 |
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*鉄やマグネシウム類が少ない閃緑岩層（約1900m）<ref>『地球鉱物資源入門』 32頁</ref> |
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また特殊な例として、[[カナダ]]の[[サドベリー隕石孔|サドベリー鉱山]]がある。この鉱山にはマフィック性マグマに起因するニッケルの大鉱床があるが、その成因として 直径約4kmの隕石が落下した衝撃が引き金となって地下深所からマグマが移動してきたと推定されている<ref>『地球鉱物資源入門』 38頁</ref> |
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。 |
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ペグマタイトは深成岩のなかでも特に結晶のサイズが大きいもので、花崗岩ペグマタイトからは純度の高い[[石英]]（水晶）や[[長石]]などが採れ、光学レンズの材料に使用されている。またペグマタイトにはマグマの冷却固化の際に最後に残った水などの揮発成分を含む微量成分が濃集される事があり、「フッ素」「ベリリウム」「タングステン」「スズ」「[[モリブデン]]」「リチウム」「[[ニオブ]]」「[[タンタル]]」「[[希土類]]」などの鉱床として利用されている。<ref>『地球鉱物資源入門』 46頁</ref> |
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カーボナタイト鉱床は、方解石やドロマイトという炭酸塩類を主成分とする特殊なマグマに由来する鉱床で、希土類、ニオブ、銅などの鉱床となっている<ref>『地球鉱物資源入門』 47頁</ref>。カーボナタイトのマグマに由来する火山は現在非常に珍しく、活火山としては東アフリカの[[オルドイニョ・レンガイ]]山が唯一である。 |
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===熱水鉱床=== |
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熱水鉱床は、マグマ中から分離した水 またはマグマ近傍に存在してマグマに熱せられた地下水が、周囲の岩石の成分を溶かして移動し、特定個所で沈殿したもの。普通100℃以上の高温の地下水を指す。熱水の由来がマグマであるため広義の火成鉱床に含まれるとも考えられるが、通常は別のタイプの鉱床として取り扱われる<ref>『地球鉱物資源入門』 27頁</ref>。熱水鉱床にはその産出状況から、「鉱脈型鉱床」「塊状熱水鉱床」「[[スカルン]]鉱床」「斑岩銅鉱床」に分類される。 |
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[[File:Naturkundemuseum Berlin - Gediegen Gold in Quarz, Eagles Nest Mine, Placer County, Kalifornien, USA.jpg|thumb|right|220px|アメリカ、カリフォルニア州で産出した自然金]] |
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1960年代以後の高温高圧における実験で、マグマが高温高圧条件にあるときはマグマはかなりの量の水（10-15%）を溶解させうることが判明した<ref>『地球鉱物資源入門』 51頁</ref>。実際のマグマ中の水はそれよりももっと少ないと見積もられているが、[[火山ガス]]の主成分が水であることからわかるように、マグマは実際にかなりの量の水分を含んでいる。マグマが地下15km以上の深所にあるとき水はマグマ中に溶解しているが、マグマが上昇するにつれて圧力と温度が下がって溶解度が減少し、水が分離される。また上昇してきたマグマは地下数kmほどの深さで地下水と接触してこれを加熱し、熱水を生成させる。これらの高温（100℃から550℃）の水は各種物質に対する溶解度が高く、多くの有用成分を溶解している。熱水が冷却されると溶解度が低下し有用成分を沈殿させて鉱床を形成する。鉱床形成に関与した熱水を'''鉱液'''と呼ぶ。鉱液の起源はマグマからの分離水やマグマに加熱された地下水など多様である。 |
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====鉱脈型鉱床==== |
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鉱脈型鉱床は、熱水（鉱液）が地下の割れ目や断層に沿って流れる過程で成分を沈殿させたもので、名前の通り鉱脈として産出する。その多くは深さ2000mから4000mほどで形成された。鉱脈型鉱床の例としては、かつてスズ・銅・亜鉛・タングステンを大量に産出した[[兵庫県]]の[[明延鉱山]]や、現在も金を産出している[[鹿児島県]]の[[菱刈鉱山]]などがある。産出する元素と鉱液の温度には下記の相関関係がある。 |
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*300-550℃ スズ、タングステン、モリブデン鉱床 |
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*200-350℃ 銅、鉛、亜鉛鉱床 |
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*100-250℃ 金、銀鉱床<ref>『地球鉱物資源入門』 71頁</ref> |
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鉱脈型鉱床の代表例であった明延鉱山では延長数百m以上の大きな鉱脈が50本存在したが、この鉱山では上記の温度勾配による鉱種の規則的変化が確認された。すなわちいずれの鉱脈においても鉱脈の下部から上部へ、または鉱液の供給元であった断層に近い所から遠い所に向けて、スズ-タングステン-銅-亜鉛-鉛-金-銀の順に主鉱種が変化していることが認められた。<ref>『地球鉱物資源入門』 73頁</ref> |
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====塊状熱水鉱床==== |
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[[File:Brothers blacksmoker hires.jpg|thumb|right|220px|海底での熱水噴出（ブラックスモーク）、塊状熱水鉱床とキースラーガー生成の原因]] |
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塊状熱水鉱床は、熱水が海中に噴出して急冷されてできたもので、[[秋田県]]北部の[[花岡鉱山]]などがある。秋田県北部には銅、鉛、亜鉛などの鉱石が濃集した品位の高い[[黒鉱]]が産出していたが、鉱床の生成原因は1960年代まで明らかではなかった。その後の研究で海底で堆積したことが判明し、ほぼ同じ頃に[[紅海]]の底で鉄や亜鉛を高濃度に含んだ泥が海底から採取され、海底成因説を決定づけた<ref>『地球鉱物資源入門』 75頁</ref>。現在では紅海と同様の[[プレートテクトニクス|プレート発散型境界]]の近くで、右写真の様なチムニーの映像が確認されており、塊状熱水鉱床の生成の場面を見せてくれる。黒鉱はチムニーが崩壊して堆積した後、早期に他の火山岩により埋められて固定化されたもので、黒鉱の産地では黄銅鉱が主体の黄鉱も産出した。日本の黒鉱の鉱山は2011年現在すべて閉山している。 |
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塊状熱水鉱床が地下で変成作用を受けた鉱床を'''キースラーガー'''と呼ぶ。海洋プレートが[[海溝]]で島弧や大陸の下に沈み込む際に、鉱床がプレートと一緒に大陸下に引きずり込まれて高温高圧を受けた後、大陸に底付けされて大陸地殻に取り込まれ、その後地表まで移動したもの（[[付加体]]参照）。変成作用中に鉱石の再濃集が行われて、大規模な鉱床となる。[[愛媛県]]の[[別子銅山]]や[[茨城県]]の[[日立鉱山]]が代表例。 |
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====スカルン鉱床==== |
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マグマから分離した鉱液は通常多量のケイ酸成分を含んでいるが、これが石灰岩と接触すると下記のように反応して珪灰石が生成する。 |
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CaCO<sub>3</sub> + SiO<sub>2</sub> = CaSiO<sub>3</sub> + CO<sub>2</sub> |
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母体となる岩石が大きく変化する中で、鉱液に含まれていた有用成分や石灰岩中の他の微量成分も反応し、濃集・固定化が生起して各種の金属鉱床が形成される。このようにマグマと石灰岩が接触した場所で形成される特徴的な熱水鉱床を[[スカルン]]鉱床と呼ぶ。鉱液が高温の時にはタングステン、モリブデン、スズ、鉄の鉱床が形成され、中低温の時には銅、亜鉛、鉛の鉱床が形成される<ref>『地球鉱物資源入門』 84頁</ref>。日本の代表例としては鉄と銅を産出して日本の近代化に貢献した[[岩手県]]の[[釜石鉱山]]や、奈良の[[東大寺]]の大仏作成にかかわったといわれる[[山口県]]の[[長登銅山]]がある。 |
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====斑岩銅鉱床==== |
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[[File:Chuquicamata-002.jpg|thumb|right|220px|南アメリカ、[[アンデス山脈]]にある世界最大の斑岩銅鉱山の[[チュキカマタ]]]] |
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花崗岩ないし石英閃緑岩というフェルシックな深成岩に由来し、その上部（すなわち元の岩石より浅いところ）に形成された鉱床。地下深所の直径10km以上の巨大な深成岩[[バソリス]]の上部にあたかも本体から絞り出されたような形で形成された直径数百から数千mの花崗斑岩や石英斑岩の岩体全部が鉱床となっている。岩体中の鉱石は鉱脈を形成せず、比較的均一に存在するため露天掘りによる機械的な採掘が容易で、銅品位は低いが（0.5から1%）現在の銅鉱山の主流となっている。このタイプの鉱床は[[アンデス山脈]]、[[ロッキー山脈]]、[[フィリピン]]、[[ボルネオ島]]などの環太平洋に偏在し、形成された年代は五億年前以後と比較的新しい事が特徴<ref>『岩石と地下資源』 162頁</ref>。バソリスがゆっくり冷却する際に分離した熱水がバソリス上部に濃集し、バソリスの一部が凸型に盛り上がって比較的短時間に冷却し鉱石化したと考えられている。同様な起源によって形成された[[モリブデン]]鉱山も存在する。 |
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===堆積鉱床=== |
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地上の岩石は空気（酸素）と反応したり、成分の一部が雨水に溶出したり、あるいは昼夜や季節の温度差による熱膨張の違いによる鉱物粒子の分離などにより変化してゆく。これらは[[風化]]と呼ばれる現象だが、風化によって岩石の一部は[[粘土]]化し、大きな岩石は細分化される。風化された岩石は風や河川によって運ばれるが、その途中で比重や溶解性の違いにより各々の鉱石が特定の個所に集中して堆積し鉱床を形成する。最もわかりやすい例として砂金の鉱床がある。金を含んだ岩石が風化し、雨水に流され河川に運ばれて流れのゆるくなった特定個所に集中的に堆積したものである。現在採掘されているウラン鉱石も砂金と同様の過程で河川や湖沼に堆積したもので、原生代や中生代に形成された<ref>『岩石と地下資源』 163頁</ref>。 |
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雨水による風化で他の成分が溶出して、あとに残った成分が有用である場合も堆積鉱床に分類される。アルミニウムの鉱石であるボーキサイトは、ケイ酸成分やカリウムなどを含んだ元の岩石（例えば[[長石]]の一般式は(Na,K,Ca,Ba)(Si,Al)<sub>4</sub>O<sub>8</sub>）から、他の成分が水に溶解した結果Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>が濃集した物で、産地は雨水による風化力の強い[[熱帯雨林]]地域に多い。 |
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[[File:Konkrecje manganowe.jpg|thumb|right|220px|太平洋底から採取されたマンガン団塊]]水に溶解した成分が海底に堆積した鉱床の代表として、19億年前以前の[[大陸棚]]に形成された[[縞状鉄鉱床]]と、マンガンの鉱床がある。マンガンについては現在も深海で形成されつつある[[マンガン団塊]]が将来の資源として注目されている。 |
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縞状鉄鉱床の詳細な解説は[[縞状鉄鉱床|その項目]]に譲るが、25億年前まで無酸素状態であった地球で海水に大量に溶解していた鉄成分が、[[ストロマトライト]]が光合成で作り出した酸素によって酸化されて不溶化し海底に沈殿・堆積したもの。鉱床の延長が数100キロを超えるものが多く、現在採掘されている大規模鉱山はほとんどこのタイプである<ref>『最新 地球史がよくわかる本』 176頁</ref>。大気中に酸素が充満した19億年前以後は、鉄成分が大量に海中に溶解できなくなったため、[[スノーボールアース]]という例外を除けば縞状鉄鉱床は形成されていない<ref>『最新 地球史がよくわかる本』 208頁</ref>。 |
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[[ウクライナ]]の「ニコポル鉱山」や[[南アフリカ]]の「カラハリ・マンガン鉱床」などのマンガンの大規模な鉱床は大陸周辺の浅い海に堆積したものが多く、陸地の岩石が浸食されてマンガンが流出し海に供給されて堆積したと考えられている。過去日本で採掘されていた比較的小規模なマンガン鉱山は、海底熱水活動に由来するマンガンが海水中を移動し少し離れた海底に堆積した鉱床が主体で、[[チャート (岩石)|チャート]]などの堆積岩を伴って産出した。なお海底へのマンガンの堆積には酸素の存在が不可欠であり、酸素が少なかった22億年前以前の地層からは堆積性のマンガン鉱床は見つかっていない<ref>『凍った地球』 135頁</ref>。このように金属の堆積鉱床の生成においては、生物の影響が考えられる場合がある。 |
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マンガン団塊は世界の海洋底のところどころに見られる直径1cmから20cmの黒色団塊状の鉱石で、地域的には太平洋および北極圏に多く存在している。団塊の成長速度は百万年で平均10mm程度と分析されている。主成分のマンガンと鉄のほかに、ニッケル・鉛・コバルト・[[モリブデン]]等の重金属を含んでいるが、成分比率は場所によって異なる。マンガンは地上に大きな鉱山があるが、地上の鉱山資源が極めて限られ地域的にも偏在しているニッケルやコバルトの鉱床として将来性が注目されている。マンガン団塊の成因として海底熱水活動により海水中に供給されたマンガンに起因しているとされているが詳細は十分解明されていない<ref>『地球鉱物資源入門』 124頁</ref>。 |
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{| class="wikitable" border="1" cellpadding="2" |
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|+'''太平洋のマンガン団塊の代表的化学組成'''<ref>『地球鉱物資源入門』125頁</ref> |
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!化学成分 |
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!中央太平洋海山 |
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!南部 |
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!中央 |
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!北部 |
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!マンガン |
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|13.96% |
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|16.61% |
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|15.71% |
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|16.98% |
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|- |
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!鉄 |
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|13.10% |
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|13.92%% |
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|9.06% |
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|10.95% |
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|- |
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!ニッケル |
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|0.393% |
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|0.433% |
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|0.956% |
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|0.463% |
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|- |
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!コバルト |
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|1.127% |
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|0.595%% |
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|0.213% |
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|0.195% |
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|- |
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!銅 |
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|0.061%% |
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|0.185% |
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|0.711% |
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|0.348% |
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|- |
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!鉛 |
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|0.174% |
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|0.073% |
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|0.049% |
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|0.106% |
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|- |
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!モリブデン |
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|0.042% |
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|0.035% |
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|0.041% |
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|0.029% |
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|- |
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!水深 |
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|1757m |
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|3539m |
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|5049m |
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|5048m |
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|} |
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生物起源の堆積鉱床として[[燐鉱石]]の鉱床があげられる。生物の遺体が堆積してできた燐鉱石が主体であるが、[[グアノ]]と呼ぶ海鳥の糞や死体が堆積した鉱床も存在した。グアノは現在ほとんど枯渇している。 |
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===化石燃料鉱床=== |
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[[石炭]]・[[石油]]の起源については各々の項目に詳しく記載されているので、ここでは鉱床の形成条件について記述する（石炭や石油は鉱石ではないが非常に重要な地下資源なので、鉱床学の一分野として取り扱われる。）。石炭の鉱床を[[炭田]] 石炭の鉱山を[[炭鉱]]と呼び、石油の鉱床を[[油田]] 石油をくみ上げる施設を[[油井]]と称する。 |
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[[ファイル:Coal mine Wyoming.jpg|thumb|200px|大規模な炭鉱における露天掘り、アメリカ ワイオミング炭鉱]]石炭は植物の遺体が分解せずに地中に埋まって長い年月の間に熱や圧力を受けて変質したものである。このため鉱床（炭田）を形成する条件として下記のものがあげられる。 |
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*大量の植物が繁茂すること。石炭は植物が進化し地上に大規模な森林が形成されるようになった[[石炭紀]]（3億6700万年前から2億8900万年前）以後の地層に存在する。 |
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*植物の遺体が完全に腐敗する前に地中に埋まること。現在の湿地帯の様な地表の酸素の乏しい条件が求められる。 |
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*大規模な炭田が出来るためには長期間安定して植物が繁茂し続けること。すなわち地殻変動の少ない場所が望ましく、日本のような地殻変動の激しい地域では大規模な鉱床はできにくい。 |
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石炭資源の特徴として他の資源に比べて地域的な偏りが少ない点があげられる。オーストラリアや南アフリカなどの人口の少ない国の大規模[[炭鉱]]以外に 人口が多く産業活動の活発なアメリカ、中国、旧ソ連、インド、ドイツ、イギリスなどにも大きな炭田が存在する。昭和30年代まで日本にはたくさんの炭鉱が稼働していたが、複雑な地層に起因する困難な作業条件による高コストが、露天掘りで大量に採掘される安価な輸入炭に対抗できず、[[釧路コールマイン]]1か所を残して他はすべて商業的な採掘を終えた。 |
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[[File:Oil platform in the North Sea.jpg|thumb|200px|[[北海油田]]の掘削櫓]]石油はその起源について諸説あるが、今のところケロジェン(kerogen)を中間体とする「生物由来説」が主流となっている。石油が他の鉱物と際立って異なる点は'''液体'''であること。このため地下でも隙間のある地層中では容易に移動できる。石油は周囲の岩石より比重が軽いので移動は主に上方に向かうが上部に液体を通さない緻密な層（帽岩）がある場合はその場所に滞留する。典型的な油田の構造は緻密な地層と隙間の多い地層がゆるやかに上下に波打って互層している場所で、隙間の多い地層（貯留岩）の最上部の凸部分に石油がたまっている構造である。地形としては平野、海岸、[[大陸棚]]に多く存在している。油田が海底にある場合右写真のような海上の掘削櫓が使用される。石油の素となった生物は石炭のように地上の植物に限定されないため、陸上植物発生前の[[オルドビス紀]]（5億0900万年前から4億4600万年前）の地層からも産出する。しかし主な[[油田]]は[[新生代]]第三紀（世界の油田の50から60%）と[[中生代]]（同30から40%）の地層中に存在する<ref>『地球鉱物資源入門』 133頁</ref>。石油資源は地域的な偏在が激しく、[[ペルシア湾]]周辺、旧[[ソ連]]および[[メキシコ湾]]周辺に巨大な油田が存在し、この3か所だけで世界の可採埋蔵量の半分以上を占める。石油資源がこの地域に集中して形成された原因は現在明らかではない<ref>『岩石と地下資源』 164頁</ref>。 |
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== 脚注 == |
== 脚注 == |
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2021年2月25日 (木) 03:52時点における版
鉱床（こうしょう、deposit、ore deposit[1]、mineral deposit[1]）とは、資源として利用できる元素や石油・天然ガスなどが濃縮している場所で、採掘して採算が取れるものを指す[2]。
分類
鉱床とは有用元素が濃集して工業的に採掘・使用可能となったものであるため、有用元素の濃集過程を検討して分類している。鉱床の種類は大まかに3種類に分類される。
- 火成鉱床はマグマが地下でゆっくり冷却固化する際に各元素が分離・濃集してできた鉱床を指す。
- 熱水鉱床は高温マグマから絞り出された高温の水 または高温のマグマの近傍に存在して熱せられた地下水が、マグマや近傍の岩石の成分を溶解して運搬し、特定個所で晶出させたことに由来する。最近話題になっている海嶺近くの海底での熱水活動（ブラックスモーク）による鉱床生成もこのタイプに含まれる。
- 堆積鉱床は、地上の岩石が風化して風や水（河川）により運ばれ特定個所で堆積したもの。ボーキサイトの様にアルミニウム以外の成分が溶け出してアルミニウムだけが残った鉱物（残留鉱床）も含まれる。石炭や石油のような化石燃料鉱床も堆積作用の結果である。
火成鉱床
火成鉱床は地下深くで液体のマグマがゆっくり冷却固化する際に、凝固温度や比重の異なる各種鉱物がマグマ中で順次晶出・分離しマグマ中を沈降/浮上しながら各成分が濃集したもの。上記の理由により、火成鉱床は深成岩中に限られる。すなわち火山の噴出物などは急冷されるため有用成分の濃集は起こりえないことから、一般には鉱石にはならない。火成鉱床の元となる火成岩については、その成分や外見の違いによって分類がなされている。外見の違いは石英や長石のような鉄やマグネシウムを含まない無色鉱物と、これらの金属を多く含むかんらん石や輝石の存在比率に影響される。そのため火成岩は一般的に岩石中の有色鉱物の体積によって分類され、有色鉱物の占める堆積が全体の20%以下のものを花崗岩、20から40%に相当するものを閃緑岩、40から70%のものを斑れい岩、70%以上のものを橄欖岩と呼ぶ。鉱物学ではマグネシウムや鉄を多く含む有色鉱物をマフィック(mafic)鉱物、含まない無色鉱物をフェルシック(felsic)鉱物と呼び、花崗岩をフェルシック火成岩、斑れい岩をマフィック火成岩と称する[3] 。これらの岩石種と、採取される有用元素の間には明確な相関関係がある。
- マフィック火成岩（斑れい岩）ないし超マフィック火成岩（橄欖岩）に関連する鉱床
- ニッケル、クロム、白金族、鉄
- フェルシック火成岩（花崗岩）から中間火成岩（閃緑岩）に関連する鉱床
- チタン
- フェルシック火成岩（花崗岩）のうち、特にナトリウムやカリウム成分の富んだ岩石に関連する鉱床
- 希土類元素
これらの火成岩や鉱床の種類は、母体となったマグマの性質に大きく依存している。現在 花崗岩質のマグマは、日本を含む島弧などの沈み込み帯や大陸内部で生成されることが多いが、マフィックないし超マフィック火成岩はその成分がマントルの成分に比較的近く、中央海嶺やホットスポットなどの火山島に多く見られる。しかし先カンブリア時代においてはマフィックなマグマが大陸地殻へ貫入してできた鉱床が見られる。
火成鉱床の代表的な金属鉱床として下記3種類があげられる[4]
- ニッケル・クロム鉱床
- ペグマタイト鉱床
- カーボナタイト鉱床
火成鉱床の例
ニッケルやクロムの大きな鉱床は、マフィック性のマグマの塊が地下でゆっくり冷却されたものが多い。最も大規模なクロム鉱床である南アフリカの「ブッシュフェルト鉱山」は、約19億年前に当時の陸地の地殻の中に東西520km南北270km最大厚さ7600mという巨大なマフィックマグマが貫入した結果できたもの。巨大なマグマの塊がゆっくり冷えながら固化してゆく際に、融点が高く（即ち他より早く固化する）比重の重い鉄やクロムを含む成分が下に沈み、残った軽い成分が上部に分化して行った様子がわかる。岩相を下から順に説明する。
- 急冷層
- 若干のクロム鉄鉱の層
- 鉄やマグネシウムを多く含み融点が高く比重の重いかんらん岩類の厚い層（約1500m）
- クロム鉄鉱を主とする鉱床
- 斑れい岩の厚い（約1000m）層
- 磁鉄鉱の濃集部
- 斑れい岩層
- 鉄やマグネシウム類が少ない閃緑岩層（約1900m）[5]
また特殊な例として、カナダのサドベリー鉱山がある。この鉱山にはマフィック性マグマに起因するニッケルの大鉱床があるが、その成因として 直径約4kmの隕石が落下した衝撃が引き金となって地下深所からマグマが移動してきたと推定されている[6] 。
ペグマタイトは深成岩のなかでも特に結晶のサイズが大きいもので、花崗岩ペグマタイトからは純度の高い石英（水晶）や長石などが採れ、光学レンズの材料に使用されている。またペグマタイトにはマグマの冷却固化の際に最後に残った水などの揮発成分を含む微量成分が濃集される事があり、「フッ素」「ベリリウム」「タングステン」「スズ」「モリブデン」「リチウム」「ニオブ」「タンタル」「希土類」などの鉱床として利用されている。[7]
カーボナタイト鉱床は、方解石やドロマイトという炭酸塩類を主成分とする特殊なマグマに由来する鉱床で、希土類、ニオブ、銅などの鉱床となっている[8]。カーボナタイトのマグマに由来する火山は現在非常に珍しく、活火山としては東アフリカのオルドイニョ・レンガイ山が唯一である。
熱水鉱床
熱水鉱床は、マグマ中から分離した水 またはマグマ近傍に存在してマグマに熱せられた地下水が、周囲の岩石の成分を溶かして移動し、特定個所で沈殿したもの。普通100℃以上の高温の地下水を指す。熱水の由来がマグマであるため広義の火成鉱床に含まれるとも考えられるが、通常は別のタイプの鉱床として取り扱われる[9]。熱水鉱床にはその産出状況から、「鉱脈型鉱床」「塊状熱水鉱床」「スカルン鉱床」「斑岩銅鉱床」に分類される。
1960年代以後の高温高圧における実験で、マグマが高温高圧条件にあるときはマグマはかなりの量の水（10-15%）を溶解させうることが判明した[10]。実際のマグマ中の水はそれよりももっと少ないと見積もられているが、火山ガスの主成分が水であることからわかるように、マグマは実際にかなりの量の水分を含んでいる。マグマが地下15km以上の深所にあるとき水はマグマ中に溶解しているが、マグマが上昇するにつれて圧力と温度が下がって溶解度が減少し、水が分離される。また上昇してきたマグマは地下数kmほどの深さで地下水と接触してこれを加熱し、熱水を生成させる。これらの高温（100℃から550℃）の水は各種物質に対する溶解度が高く、多くの有用成分を溶解している。熱水が冷却されると溶解度が低下し有用成分を沈殿させて鉱床を形成する。鉱床形成に関与した熱水を鉱液と呼ぶ。鉱液の起源はマグマからの分離水やマグマに加熱された地下水など多様である。
鉱脈型鉱床
鉱脈型鉱床は、熱水（鉱液）が地下の割れ目や断層に沿って流れる過程で成分を沈殿させたもので、名前の通り鉱脈として産出する。その多くは深さ2000mから4000mほどで形成された。鉱脈型鉱床の例としては、かつてスズ・銅・亜鉛・タングステンを大量に産出した兵庫県の明延鉱山や、現在も金を産出している鹿児島県の菱刈鉱山などがある。産出する元素と鉱液の温度には下記の相関関係がある。
- 300-550℃ スズ、タングステン、モリブデン鉱床
- 200-350℃ 銅、鉛、亜鉛鉱床
- 100-250℃ 金、銀鉱床[11]
鉱脈型鉱床の代表例であった明延鉱山では延長数百m以上の大きな鉱脈が50本存在したが、この鉱山では上記の温度勾配による鉱種の規則的変化が確認された。すなわちいずれの鉱脈においても鉱脈の下部から上部へ、または鉱液の供給元であった断層に近い所から遠い所に向けて、スズ-タングステン-銅-亜鉛-鉛-金-銀の順に主鉱種が変化していることが認められた。[12]
塊状熱水鉱床
塊状熱水鉱床は、熱水が海中に噴出して急冷されてできたもので、秋田県北部の花岡鉱山などがある。秋田県北部には銅、鉛、亜鉛などの鉱石が濃集した品位の高い黒鉱が産出していたが、鉱床の生成原因は1960年代まで明らかではなかった。その後の研究で海底で堆積したことが判明し、ほぼ同じ頃に紅海の底で鉄や亜鉛を高濃度に含んだ泥が海底から採取され、海底成因説を決定づけた[13]。現在では紅海と同様のプレート発散型境界の近くで、右写真の様なチムニーの映像が確認されており、塊状熱水鉱床の生成の場面を見せてくれる。黒鉱はチムニーが崩壊して堆積した後、早期に他の火山岩により埋められて固定化されたもので、黒鉱の産地では黄銅鉱が主体の黄鉱も産出した。日本の黒鉱の鉱山は2011年現在すべて閉山している。
塊状熱水鉱床が地下で変成作用を受けた鉱床をキースラーガーと呼ぶ。海洋プレートが海溝で島弧や大陸の下に沈み込む際に、鉱床がプレートと一緒に大陸下に引きずり込まれて高温高圧を受けた後、大陸に底付けされて大陸地殻に取り込まれ、その後地表まで移動したもの（付加体参照）。変成作用中に鉱石の再濃集が行われて、大規模な鉱床となる。愛媛県の別子銅山や茨城県の日立鉱山が代表例。
スカルン鉱床
マグマから分離した鉱液は通常多量のケイ酸成分を含んでいるが、これが石灰岩と接触すると下記のように反応して珪灰石が生成する。
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2
母体となる岩石が大きく変化する中で、鉱液に含まれていた有用成分や石灰岩中の他の微量成分も反応し、濃集・固定化が生起して各種の金属鉱床が形成される。このようにマグマと石灰岩が接触した場所で形成される特徴的な熱水鉱床をスカルン鉱床と呼ぶ。鉱液が高温の時にはタングステン、モリブデン、スズ、鉄の鉱床が形成され、中低温の時には銅、亜鉛、鉛の鉱床が形成される[14]。日本の代表例としては鉄と銅を産出して日本の近代化に貢献した岩手県の釜石鉱山や、奈良の東大寺の大仏作成にかかわったといわれる山口県の長登銅山がある。
斑岩銅鉱床
花崗岩ないし石英閃緑岩というフェルシックな深成岩に由来し、その上部（すなわち元の岩石より浅いところ）に形成された鉱床。地下深所の直径10km以上の巨大な深成岩バソリスの上部にあたかも本体から絞り出されたような形で形成された直径数百から数千mの花崗斑岩や石英斑岩の岩体全部が鉱床となっている。岩体中の鉱石は鉱脈を形成せず、比較的均一に存在するため露天掘りによる機械的な採掘が容易で、銅品位は低いが（0.5から1%）現在の銅鉱山の主流となっている。このタイプの鉱床はアンデス山脈、ロッキー山脈、フィリピン、ボルネオ島などの環太平洋に偏在し、形成された年代は五億年前以後と比較的新しい事が特徴[15]。バソリスがゆっくり冷却する際に分離した熱水がバソリス上部に濃集し、バソリスの一部が凸型に盛り上がって比較的短時間に冷却し鉱石化したと考えられている。同様な起源によって形成されたモリブデン鉱山も存在する。
堆積鉱床
地上の岩石は空気（酸素）と反応したり、成分の一部が雨水に溶出したり、あるいは昼夜や季節の温度差による熱膨張の違いによる鉱物粒子の分離などにより変化してゆく。これらは風化と呼ばれる現象だが、風化によって岩石の一部は粘土化し、大きな岩石は細分化される。風化された岩石は風や河川によって運ばれるが、その途中で比重や溶解性の違いにより各々の鉱石が特定の個所に集中して堆積し鉱床を形成する。最もわかりやすい例として砂金の鉱床がある。金を含んだ岩石が風化し、雨水に流され河川に運ばれて流れのゆるくなった特定個所に集中的に堆積したものである。現在採掘されているウラン鉱石も砂金と同様の過程で河川や湖沼に堆積したもので、原生代や中生代に形成された[16]。
雨水による風化で他の成分が溶出して、あとに残った成分が有用である場合も堆積鉱床に分類される。アルミニウムの鉱石であるボーキサイトは、ケイ酸成分やカリウムなどを含んだ元の岩石（例えば長石の一般式は(Na,K,Ca,Ba)(Si,Al)4O8）から、他の成分が水に溶解した結果Al2O3が濃集した物で、産地は雨水による風化力の強い熱帯雨林地域に多い。
水に溶解した成分が海底に堆積した鉱床の代表として、19億年前以前の大陸棚に形成された縞状鉄鉱床と、マンガンの鉱床がある。マンガンについては現在も深海で形成されつつあるマンガン団塊が将来の資源として注目されている。
縞状鉄鉱床の詳細な解説はその項目に譲るが、25億年前まで無酸素状態であった地球で海水に大量に溶解していた鉄成分が、ストロマトライトが光合成で作り出した酸素によって酸化されて不溶化し海底に沈殿・堆積したもの。鉱床の延長が数100キロを超えるものが多く、現在採掘されている大規模鉱山はほとんどこのタイプである[17]。大気中に酸素が充満した19億年前以後は、鉄成分が大量に海中に溶解できなくなったため、スノーボールアースという例外を除けば縞状鉄鉱床は形成されていない[18]。
ウクライナの「ニコポル鉱山」や南アフリカの「カラハリ・マンガン鉱床」などのマンガンの大規模な鉱床は大陸周辺の浅い海に堆積したものが多く、陸地の岩石が浸食されてマンガンが流出し海に供給されて堆積したと考えられている。過去日本で採掘されていた比較的小規模なマンガン鉱山は、海底熱水活動に由来するマンガンが海水中を移動し少し離れた海底に堆積した鉱床が主体で、チャートなどの堆積岩を伴って産出した。なお海底へのマンガンの堆積には酸素の存在が不可欠であり、酸素が少なかった22億年前以前の地層からは堆積性のマンガン鉱床は見つかっていない[19]。このように金属の堆積鉱床の生成においては、生物の影響が考えられる場合がある。
マンガン団塊は世界の海洋底のところどころに見られる直径1cmから20cmの黒色団塊状の鉱石で、地域的には太平洋および北極圏に多く存在している。団塊の成長速度は百万年で平均10mm程度と分析されている。主成分のマンガンと鉄のほかに、ニッケル・鉛・コバルト・モリブデン等の重金属を含んでいるが、成分比率は場所によって異なる。マンガンは地上に大きな鉱山があるが、地上の鉱山資源が極めて限られ地域的にも偏在しているニッケルやコバルトの鉱床として将来性が注目されている。マンガン団塊の成因として海底熱水活動により海水中に供給されたマンガンに起因しているとされているが詳細は十分解明されていない[20]。
| 化学成分 | 中央太平洋海山 | 南部 | 中央 | 北部 |
|---|---|---|---|---|
| マンガン | 13.96% | 16.61% | 15.71% | 16.98% |
| 鉄 | 13.10% | 13.92%% | 9.06% | 10.95% |
| ニッケル | 0.393% | 0.433% | 0.956% | 0.463% |
| コバルト | 1.127% | 0.595%% | 0.213% | 0.195% |
| 銅 | 0.061%% | 0.185% | 0.711% | 0.348% |
| 鉛 | 0.174% | 0.073% | 0.049% | 0.106% |
| モリブデン | 0.042% | 0.035% | 0.041% | 0.029% |
| 水深 | 1757m | 3539m | 5049m | 5048m |
生物起源の堆積鉱床として燐鉱石の鉱床があげられる。生物の遺体が堆積してできた燐鉱石が主体であるが、グアノと呼ぶ海鳥の糞や死体が堆積した鉱床も存在した。グアノは現在ほとんど枯渇している。
化石燃料鉱床
石炭・石油の起源については各々の項目に詳しく記載されているので、ここでは鉱床の形成条件について記述する（石炭や石油は鉱石ではないが非常に重要な地下資源なので、鉱床学の一分野として取り扱われる。）。石炭の鉱床を炭田 石炭の鉱山を炭鉱と呼び、石油の鉱床を油田 石油をくみ上げる施設を油井と称する。
石炭は植物の遺体が分解せずに地中に埋まって長い年月の間に熱や圧力を受けて変質したものである。このため鉱床（炭田）を形成する条件として下記のものがあげられる。
- 大量の植物が繁茂すること。石炭は植物が進化し地上に大規模な森林が形成されるようになった石炭紀（3億6700万年前から2億8900万年前）以後の地層に存在する。
- 植物の遺体が完全に腐敗する前に地中に埋まること。現在の湿地帯の様な地表の酸素の乏しい条件が求められる。
- 大規模な炭田が出来るためには長期間安定して植物が繁茂し続けること。すなわち地殻変動の少ない場所が望ましく、日本のような地殻変動の激しい地域では大規模な鉱床はできにくい。
石炭資源の特徴として他の資源に比べて地域的な偏りが少ない点があげられる。オーストラリアや南アフリカなどの人口の少ない国の大規模炭鉱以外に 人口が多く産業活動の活発なアメリカ、中国、旧ソ連、インド、ドイツ、イギリスなどにも大きな炭田が存在する。昭和30年代まで日本にはたくさんの炭鉱が稼働していたが、複雑な地層に起因する困難な作業条件による高コストが、露天掘りで大量に採掘される安価な輸入炭に対抗できず、釧路コールマイン1か所を残して他はすべて商業的な採掘を終えた。
石油はその起源について諸説あるが、今のところケロジェン(kerogen)を中間体とする「生物由来説」が主流となっている。石油が他の鉱物と際立って異なる点は液体であること。このため地下でも隙間のある地層中では容易に移動できる。石油は周囲の岩石より比重が軽いので移動は主に上方に向かうが上部に液体を通さない緻密な層（帽岩）がある場合はその場所に滞留する。典型的な油田の構造は緻密な地層と隙間の多い地層がゆるやかに上下に波打って互層している場所で、隙間の多い地層（貯留岩）の最上部の凸部分に石油がたまっている構造である。地形としては平野、海岸、大陸棚に多く存在している。油田が海底にある場合右写真のような海上の掘削櫓が使用される。石油の素となった生物は石炭のように地上の植物に限定されないため、陸上植物発生前のオルドビス紀（5億0900万年前から4億4600万年前）の地層からも産出する。しかし主な油田は新生代第三紀（世界の油田の50から60%）と中生代（同30から40%）の地層中に存在する[22]。石油資源は地域的な偏在が激しく、ペルシア湾周辺、旧ソ連およびメキシコ湾周辺に巨大な油田が存在し、この3か所だけで世界の可採埋蔵量の半分以上を占める。石油資源がこの地域に集中して形成された原因は現在明らかではない[23]。
脚注
- ^ a b 文部省編 『学術用語集 地学編』 日本学術振興会、1984年、ISBN 4-8181-8401-2。（オンライン学術用語集）
- ^ 大辞泉 鉱床
- ^ 『地球鉱物資源入門』 28頁
- ^ 『岩石と地下資源』 158頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 32頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 38頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 46頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 47頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 27頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 51頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 71頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 73頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 75頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 84頁
- ^ 『岩石と地下資源』 162頁
- ^ 『岩石と地下資源』 163頁
- ^ 『最新 地球史がよくわかる本』 176頁
- ^ 『最新 地球史がよくわかる本』 208頁
- ^ 『凍った地球』 135頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 124頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』125頁
- ^ 『地球鉱物資源入門』 133頁
- ^ 『岩石と地下資源』 164頁
関連項目
参考文献
![[icon]](/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:Wiki_letter_w_cropped.svg){kind=small} | この節の加筆が望まれています。 |
外部リンク
- 鉱床と鉱山（Ore Deposits & Mines）（地球資源論研究室）
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