金川ニッケル-銅-白金族元素鉱床深部硫化物累積体の発見とその意義

背景紹介

ニッケル（Ni）、銅（Cu）、および白金族元素（PGE）は、地球上の重要な金属資源であり、工業、電子、新エネルギーなどの分野で広く使用されています。世界のニッケルの約56％、銅の3％、および白金族元素の96％以上が、マグマ型ニッケル-銅-白金族元素硫化物鉱床から産出されています。これらの鉱床は通常、コマチアイト、玄武岩、および苦鉄質-超苦鉄質マグマ活動に関連しています。しかし、これらの鉱床が世界中に広く分布しているにもかかわらず、その形成メカニズムには未解明の部分が多く、特に金属がマグマシステムでどのように濃集し、高品位の鉱床を形成するかについては謎が残されています。

金川鉱床は中国北西部に位置し、世界最大の単一マグマ型ニッケル-銅-白金族元素硫化物鉱床の一つです。その体積は比較的小さい（約1立方キロメートル）ですが、ニッケルと銅の埋蔵量はそれぞれ約625万トンと400万トンに達します。金川鉱床の形成メカニズムは長年にわたり学術界で議論の的となっており、特に金属がこれほど小さなマグマチャネルでどのように高度に濃集したかについては未解決の問題です。この問題を解決するため、研究者たちはニッケルと銅の同位体という新しい地球化学的手法を用いて、金川鉱床の形成過程とその深部に存在する可能性のある隠れた鉱体を明らかにしようとしています。

論文の出所

この論文は、Yun Zhao、Shui-Jiong Wang、Chunji Xue、およびMatthew J. Brzozowskiによって共同執筆され、中国地質大学（北京）や中国地質大学（西安）などの機関に所属しています。論文は2024年10月15日に『Geology』誌にオンライン掲載され、タイトルは『Hidden deep sulfide cumulates beneath the Jinchuan Ni–Cu–platinum-group element deposit (China) inferred from Ni–Cu isotopes』です。この研究は、中国国家自然科学基金など複数のプロジェクトから資金提供を受けています。

研究のプロセスと結果

1. サンプルの採取と分類

研究者たちは金川鉱床からさまざまなタイプの硫化物鉱石サンプルを採取し、その構造的特徴に基づいて以下の3つのカテゴリーに分類しました： - 浸染状硫化物鉱石：硫化物が珪酸塩鉱物の間に粒状で分布し、硫化物含有量は30％未満。 - 網状硫化物鉱石：硫化物が相互に接続した網状構造を形成し、硫化物含有量は30％から50％。 - 塊状硫化物鉱石：硫化物が不規則な脈状で存在し、硫化物含有量は50％以上。

これらのサンプルは、風化や熱水変成の影響をほとんど受けておらず、同位体データの信頼性が保証されています。

2. ニッケルと銅の同位体分析

研究者たちは採取したサンプルに対してニッケルと銅の同位体分析を行いました。ニッケル同位体分析には多収集型誘導結合プラズマ質量分析（MC-ICP-MS）技術が用いられ、銅同位体分析は既存の黄銅鉱データに基づいて行われました。分析結果は以下の通りです： - 浸染状および網状硫化物鉱石のδ⁶⁰/⁵⁸Ni値はそれぞれ+0.27‰および+0.22‰で、塊状硫化物鉱石のδ⁶⁰/⁵⁸Ni値（-0.27‰）よりも顕著に高くなっています。 - 浸染状および網状硫化物鉱石のδ⁶⁵Cu値はそれぞれ+0.36‰および+0.22‰で、塊状硫化物鉱石のδ⁶⁵Cu値（-0.44‰）よりも顕著に高くなっています。

3. 同位体と元素含有量の相関

研究によると、ニッケルと銅の同位体値は、全岩の白金族元素、硫黄、ニッケル、および銅含有量と負の相関を示し、Pd/Ir比とは正の相関を示しました。この結果は、ニッケルと銅の同位体の濃集が硫化物メルトの分別過程と密接に関連していることを示しています。

4. 深部硫化物分離イベントの推測

レイリー分別モデルを用いて、研究者たちは硫化物メルトが珪酸塩マグマから分離する過程をシミュレーションしました。その結果、金川鉱床のニッケルと銅の同位体特性は、深部マグマ溜まりでの初期硫化物分離イベントによって説明できることが示されました。具体的には、マグマは深部マグマ溜まりで初期の硫化物メルト分離を起こし、その結果、残留マグマ中に重いニッケルと銅の同位体が濃集しました。その後、これらのマグマは浅部マグマチャネルで再び硫化物メルトの分離と分別を起こし、現在探査されている硫化物鉱石を形成しました。

研究の結論と意義

研究は以下の主要な結論を導き出しました： 1. 深部硫化物分離イベント：金川鉱床のニッケルと銅の同位体特性は、深部マグマ溜まりでの初期硫化物メルト分離を示しており、残留マグマ中に重いニッケルと銅の同位体が濃集したことを示しています。 2. 浅部硫化物分別：マグマは浅部マグマチャネルで再び硫化物メルトの分離と分別を起こし、現在探査されている硫化物鉱石を形成しました。 3. 隠れた鉱体の探査可能性：研究は、金川鉱床の深部には軽いニッケルと銅の同位体特性を持つ隠れた鉱体が存在する可能性があると推測しており、これが将来の探査の重要なターゲットとなることを示しています。

この研究は、金川鉱床の形成メカニズムを明らかにしただけでなく、世界中の他のマグマ型ニッケル-銅-白金族元素硫化物鉱床の探査に新しい視点を提供しています。ニッケルと銅の同位体分析を通じて、研究者たちは硫化物メルトの挙動をより効果的に追跡し、鉱床探査に科学的根拠を提供することができます。

研究のハイライト

1. 同位体地球化学的手法の応用：この研究は、ニッケルと銅の同位体を初めて体系的に金川鉱床の研究に適用し、その独特な同位体特性と地質学的意義を明らかにしました。
2. 深部硫化物分離イベントの発見：研究は、金川鉱床が深部硫化物分離イベントを経験した可能性を初めて提唱し、マグマ型硫化物鉱床の形成メカニズムを理解するための新しい視点を提供しました。
3. 探査の可能性：研究は、金川鉱床の深部に隠れた鉱体が存在する可能性を示し、将来の探査作業に重要な方向性を提供しました。

その他の価値ある情報

研究では、金川鉱床の形成がマントルプルーム-リフト交差点でのマグマ活動に関連している可能性も指摘されています。このような環境は、大量の金属含有マグマを生成し、明確なマグマチャネルを提供するため、大規模な金属濃集に有利です。この発見は金川鉱床に限定されず、世界中の類似鉱床の研究にも参考となる可能性があります。

この研究は、革新的な同位体地球化学的手法を通じて金川鉱床の形成メカニズムを解明し、将来の探査作業に科学的根拠を提供しました。その研究成果は、学術的に重要な価値を持つだけでなく、広範な応用の可能性も秘めています。