ETH地球化学・岩石学研究所の教授であるクリストフ・ハインリッヒ氏は、まず最初に一つのことを強調したいと考えている。「資源の利用可能性に最終的な限界があると論じるのは、少なくとも金属に関しては、単純に誤りだ。」銅、金、亜鉛といった原材料の採掘が難しくなっていることは認めつつも、物理的な意味で、これらの金属が近いうちに不足することはないと述べている。
ハインリッヒ氏の主な懸念は希少性ではなく、資源採掘が環境に与える影響である。「金属は節約して使い、可能な限りリサイクルするのが理にかなっている。しかしそれは、金属が枯渇しつつあるからではない。本当の問題は、岩石からの金属の抽出にエネルギーがかかり、環境に影響を与えることにある。したがって、金属が自然に蓄積した場所を見つけなければならない。」ハインリッヒ氏は、長期的な資源供給の制約要因は、地質学的な鉱床を特定する我々の能力だと主張する。また、資源を社会的に責任ある形で採掘する方法を見いだすことや、環境に配慮した鉱石の処理方法を開発することの難しさも強調している。ハインリッヒ氏はこれらの課題は解決可能だと確信しており、そのため「資源の呪い」という言葉はまったく好まない。「それは不必要に否定的だ」と同氏は言う。「鉱物資源は必要不可欠であり、多くの国にとって価値ある資産だ」と同氏は主張する。「問題は天然資源ではなく、人々の行動にある。事実として、今日における最大の環境問題と言えるもの、すなわち地球の気候を壊滅的に変化させることなく持続可能なエネルギー変換を実現するためには、希少元素や特殊素材が必要なのだ。」
深さ4キロメートルから採れる金属
ハインリッヒ氏は自説の根拠を持っている。研究において長年、金属鉱床の地質を研究してきた同氏は、平均的には地殻中にごくまばらにしか分布していないこれらの元素が、なぜ特定の場所に集積するのかという問いに、今なお興味を抱いている。同氏は金属濃集の地質学的過程を調べている。この知識が、金属の偏在を理解し、新たな鉱床を探すために必要だからだ。この問題が重要なのは、地表近くで実用可能な量の金属を含む鉱床の大部分が、すでに発見され、急速に採掘し尽くされつつあるという事実にある。しかし、数キロメートル下には、豊富な金属を含む鉱床が十分に存在すると科学者たちが合理的に期待できる場所がまだ多く残っている。問題は、これらが地表に露出した鉱床よりもはるかに見つけにくいことだ。
ハインリッヒ氏は、地下鉱山からの鉱石採掘への移行が進むと予測しており、これは生態学的観点からも理にかなっていると主張する。露天掘りによる大規模な鉱石採掘は、広大な土地を占有し、膨大なエネルギーを消費する。なぜなら、地面に垂直な穴を単純に掘ることはできないからだ。より深い鉱床に到達するには、まず鉱石帯の周囲から、利用できない大量の岩石を取り除かなければならない。金属が濃集した帯の形状によっては、そのため地下で鉱石を採掘する方が、経済的かつエネルギー効率的になる。技術的な観点からは、これはすでに実現可能であり、実際、最も深い鉱山は地表から4キロメートル下まで達している。
深部に隠れた新たな鉱床を発見するには、そもそもそうした帯がどのように形成されるのかをよりよく理解する必要があり、そこでハインリッヒ氏の研究が役立つ。同氏の研究は二つの主要なアプローチを中心としている。一つ目は、既存の鉱床の地質学的特性の把握であり、金属の分布の幾何学的形状に関する知見をもたらす手法である。これは、マグマ活動など大規模な鉱床形成過程がいつ活発だったかを示す、過去の地質学的出来事の正確な年代測定と組み合わせて行われる。ハインリッヒ氏の研究の二つ目の焦点は、金属を集積させる物理的・化学的過程を検討することである。
ハインリッヒ氏は特に、アンデス山脈で見られるような火山の下で形成される鉱床に関心を寄せている。これらの火山は、海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込む沈み込み帯の近くに位置している。沈み込み帯の上方の地殻内にはマグマ体が形成され、マグマが上昇するにつれて、高温で塩分濃度の高い流体、すなわち金属と硫黄も豊富に含む溶液を放出する。これらの流体が、金属をマグマから周囲の岩石へと運ぶ。しかし、この移動だけでは十分ではない。鉱床が形成されるためには、限られた岩石の体積内で金属を鉱石鉱物として沈殿させる、第二の化学過程が必要となる。
ここ数年、ハインリッヒ氏と彼のグループは、鉱床周辺の岩石に含まれる鉱物中の微小な流体包有物を調べてきた。これらの包有物は、研究者が鉱物の形成条件と、その沈殿に寄与した化学的性質を特定する助けとなる。こうした化学過程の調査に加え、研究者たちは亀裂の入った岩石を通る流体の物理的移動についても詳しく検討している。その結果、金属の集中的な集積の鍵となる、相反する二つの力が存在することが示されている。すなわち、マグマ体からの高温の流体と、地表から岩石中に浸透する冷たい地下水である。これら二つの流体環境の境界面が、金属が濃縮された形で沈殿する帯を定義する。
これらの過程を定量的に理解するため、ハインリッヒ氏のグループは、地表水の大規模な循環とマグマからの流体の放出をシミュレートする数値モデルを開発した。「現時点では、条件を一般化された形で描写するために用いている汎用的なモデルです」とハインリッヒ氏は述べる。「しかし今後は、特定の状況をモデル化できるよう、実際の条件にもっと合わせてモデルを調整したいと考えています。」
それでも、彼らがこれまでに開発した大まかなモデルでさえ、鉱石形成にとって決定的な帯が2〜5キロメートルの深度範囲に限られることを裏付けている。そのため専門家には、こうした深度にまだ発見されていない鉱床が多数存在すると考える十分な理由がある。「地質学者として、我々には重要な問いがあります」とハインリッヒ氏は言う。「地表にはとうに消え去った流体過程の痕跡がほとんど残っていないなかで、地下に採掘可能な鉱床があるかどうかをどう判定できるのか。」
東ヨーロッパの事例
ハインリッヒ氏は、同氏のチームの科学的研究を、欧州の「Horizon 2020」プロジェクトの一環として応用する予定である。このプロジェクトには、ジュネーブ、フランス、イングランド、ドイツの研究者も参加している。プロジェクトの目的は、ルーマニアからトルコに至る東ヨーロッパにおいて鉱床がどのように形成されたかについて、より明確な理解を得ることである。「コンピュータモデルが地質学的・地球物理学的探査の従来の手法に取って代わることができないのは明らかですが」とハインリッヒ氏は説明する。「しかし、鉱石形成に関する新たな知見をもたらし、深く埋もれた鉱床をより効率的に特定する助けにはなります。」研究者がこのプロジェクトに東ヨーロッパを選んだのには、十分な理由がある。最も新しい主要な造山運動の時期、すなわちちょうどアルプスが形成された時期に、この地域はテーチス海の北岸に位置していた。プレートの運動により、アンデスに似たマグマ活動を伴う沈み込み帯が形成された。これにより、銅、鉛、亜鉛、金、銀などの重要な金属が、他の多くのレアメタルとともに集積した鉱床の形成の舞台が整った。
ETHの研究者が開発した科学は、海底における鉱床形成の調査にも用いることができる。ニュージーランド沖で最近発見された金属鉱床も、その火山性の周辺環境に起因するが、現在の位置には全く異なる過程によってたどり着いた。ハインリッヒ氏のチームによる計算は、マグマに由来する金属を豊富に含む流体は重すぎて海底まで上昇できないため、海底下に蓄積する傾向があることを示唆している。
塩分を含む海水が重要な役割を果たす。海底のマグマ活動が収まった後、金属を豊富に含む溶液を海底まで洗い流し、特に銅と金に富む熱水噴出孔（ブラックスモーカーとして知られる）を形成するのだ。「我々のモデルのおかげで、これらの現象を形作る要因についてより詳細な理解が得られました。これは将来、未開発資源の探査に大きく貢献しうるものです」とハインリッヒ氏はまとめる。
本記事は ETH Zurichとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Felix Würsten は ETH Zurich の広報チームで編集者として勤務しています。
画像：アフガニスタンの男性が、山中のエメラルド鉱山の鉱夫たちに物資を運んでいる。REUTERS/Ahmad Masood。
