近い将来の資源を理解するために、地質学者は遠い過去の火山を理解する必要がある。グリーンランドなどの場所にある古代のマグマ溜まりを調査することは、現代のグリーン技術を支える希少金属の新たな供給源をもたらす可能性がある。
多くの希少金属（例えば ネオジム、ニオブ、ジスプロシウム）は、風力タービンや電気自動車の製造に欠かせないが、化石化した火山から採掘されている。
火山は、地球の深部から物質を地表へともたらす自然の仕組みである。マントル内部の溶融過程――超高温の核と薄い外側の地殻の間にある地球の内部の部分――によってマグマが生成され、それが数百キロメートルも上昇し、最終的に火山として地表に噴出する。
地球の地殻は、半剛性のプレートから成り、それらが移動し衝突して山脈を形成したり、沈み込み帯と呼ばれる地域で互いの下に沈み込んだりする。火山によって地表にもたらされる物質の量は、沈み込むプレートを介してマントルに戻る同程度の量の物質によって釣り合いが取られている。
これは、我々が「元素循環」と呼ぶものを示している。深部の物質は火山を通じて地表に上昇し、その後、沈み込みを通じて再びマントルへ戻る。地球科学における大きな問いの一つは、沈み込んだ物質がその後どうなるのか、そしてマントル内にどれくらいの期間とどまるのかということである。
化石化した火山
我々の最近の研究では、南グリーンランドの古代の火山群を調査した。約13億年前、グリーンランドは、現代の東アフリカに似た深い地溝帯を伴う火山の多い地形であった。大規模な火山が噴火し、ナイル川に似た大河川システムが、これらの火山からの鉱物を広大な地域に運んだ。
グリーンランドの河川と火山は今では長い年月をかけて侵食されているが、堆積物は今でも見つけることができ、またこれらの古代の火山の下で機能していた火山の「配管系」は、噴出したマグマの試料を保存している。
我々は、元素循環がグリーンランドのこれらの古代の火山における重要金属の濃度とどのように関係しているのかを理解したいと考えた。価値のある元素そのものを研究することは有用であるが、それに関連する他の元素を研究することで、地球の元素循環についてより多くを学べる場合もある。
硫黄の指紋分析
本研究では、硫黄元素を用いた。硫黄には4つの安定な形態（同位体と呼ばれる）がある。それぞれわずかに異なる質量を持つ。これは重要である。自然の過程は、軽い同位体を重い同位体から選択的に分離することができるからだ。M&M'sの袋からお菓子をつまむときに赤いものを好み茶色のものを残すのと同じように、地質学的過程によって、異なる物質中における各元素の相対的な存在比に変化が生じる。
岩石中の同位体の量を測定することで、それらを形成した過程について知ることができる。硫黄の同位体は特に有用である。なぜなら、地球表面における生物学的・地球化学的過程（低温下）は、硫黄の特徴を変化させることに非常に効率的である一方、マグマ過程（高温下）では、軽い硫黄と重い硫黄の間にあまり大きな違いを生じさせないからである。
したがって、マグマ岩における硫黄の特徴の変動により、マントル源に含まれる再循環された地殻物質の痕跡を特定することができる。地質学的時間のさまざまな時期に活動していた火山を選ぶことで、マントルの組成と硫黄循環が地球の歴史を通じてどのように変化してきたかを再構築する。
地質学者は長年にわたり、生命が出現し、次第に複雑化するにつれて、過去45億年の間に地球の表面が大きく変化してきたことを知っている。硫黄循環に対する生命の影響の増大は、地球表面の堆積物における硫黄同位体比を劇的に変化させてきたが、この痕跡はこれまでマントルの岩石では記録されていない。
我々の研究は、地球のマントルの硫黄の特徴が、地球表面における硫黄の変化とおおむね一致する形で変化したことを初めて示している。地表の硫黄の特徴に対する生物学的・大気的影響は、地球の内部まで伝達されてきたようである。
これは、地球の表面とマントルが強く結びついており、一方が他方の変化に応答していることを意味する。ただし、この再循環の時間スケールは依然として不明である。我々のデータは、かつて地球の表面にあった硫黄が、プレート運動を通じてマントルに戻り、その後――13億年前――グリーンランドの火山で再び地表に戻ってきたことを示している。それはまるで地質学的な「デジャヴ」のようである。デジャヴ。
一回の循環か、それとも多数回か？
地質学的時間の中で、硫黄は地球の地殻とマントルの間で何回再循環してきたのか。現時点ではこの答えはわかっていないが、我々の研究は、地球を地表の硫黄とマントルが密接に結びついた、地球規模の元素コンベアベルトとして描き出している。
この研究には多くの示唆がある。地質学における主要な問いの一つは、希少金属鉱床がどのように形成されるか、特に、ハイテク金属の形成である。これはグリーンエネルギー革命に不可欠である。硫黄から得られた知見は、他の同位体に関する我々の研究と一致しているようである。例えば、世界最大級のタンタル鉱床の一つ（電子機器に使用され、グリーンランドの古代の火山の一つにも集中している）は、地殻の再循環を示唆する同位体の指紋を持っている。
これらの地球規模の循環によって、元素が地表からマントルへ、そして再び地表へと何度も運ばれ、そのたびに実質的に濃縮されてきた可能性がある。我々が硫黄で記録した地球規模の循環は、現代技術に不可欠な金属鉱床を生成するための本質的な前段階であったかもしれない。数十億年前に起きたプレートテクトニクスとマグマ過程を理解することで、将来の鉱物資源を特定し理解する方法についての洞察が得られる。
