鉱床学

鉱床学(こうしょうがく、: economic geology)は、鉱床がどのようにして形成されたかを解明し[1]、人類にとって有用な資源を得る方法を検討する学問。

資源工学の一部でも鉱床学を扱っている。

概要

有用な元素が人類が使用可能な化合物として濃集している岩石を鉱石といい、鉱石が経済的に採掘できる程度の十分な量の集合体を鉱床という[2]。各元素の地殻中の存在量と、重要な鉱石を下表にまとめた。鉱床学ではこれらの鉱石の生成や集中の経緯について検討を行う。各元素の鉱床の規模はその存在量に依存している場合が多く、存在量の多い鉄の主要鉱床である縞状鉄鉱床は長さ数百から数千キロのものがあり[3]露天掘りで大量に採掘しているが、金の鉱山は幅数m長さ数百m程度の鉱脈に沿って掘り進むような規模である。

有用元素が鉱物中に含まれていても工業的に分離・抽出できない場合は鉱石にならない。例えばアルミニウムは下表にあるように地殻中では非常に一般的な元素で、花崗岩中の長石や粘土鉱物カオリナイトにも大量に含まれているが、これらの鉱物からアルミニウムを工業的に単離する技術は確立していないため鉱石に相当せず、ボーキサイトのみが鉱石とされる。

地殻中の主な元素存在比率と主要鉱石鉱物[4]
順位 元素 存在量(質量比) 主要鉱石鉱物など
1 酸素 46.60% 大気中
2 珪素 27.72% ガラス工業用としては石英を主成分とする珪砂(堆積鉱床)
3 アルミニウム 8.13% 堆積鉱床のボーキサイト
4 5.00% 赤鉄鉱(堆積鉱床の縞状鉄鉱床)、磁鉄鉱(スカルン鉱床)
5 カルシウム 3.63% 堆積性の方解石
6 ナトリウム 2.83% 海水から抽出される食塩または岩塩
7 カリウム 2.59% 岩塩成分の「シルビン(KCl)」
8 マグネシウム 2.09% 堆積性のマグネサイトやドロマイト
9 チタン 4400ppm 火成鉱床中のチタン鉄鉱
10 水素 1400ppm 電気分解による
11 1050ppm 燐鉱石
12 マンガン 950ppm 堆積鉱床や熱水鉱床中の軟マンガン鉱
13 フッ素 625ppm 火成鉱床中の蛍石
14 バリウム 425ppm 堆積性や熱水鉱床中の重晶石
15 ストロンチウム 375ppm 堆積性の「天青石」
16 硫黄 260ppm 過去は火山で採掘されていたが、現在は石油の脱硫工程で回収
17 炭素 200ppm 石炭または石油
18 ジルコニウム 165ppm 砂鉱ジルコン
19 バナジウム 135ppm
20 塩素 130ppm 海水中の食塩
21 クロム 100ppm 火成鉱床中のクロム鉄鉱
22 ルビジウム 90ppm
23 ニッケル 75ppm 火成鉱床「針ニッケル鉱」
24 亜鉛 70ppm 熱水鉱床中の閃亜鉛鉱
25 セリウム 60ppm 火成鉱床の「モナズ石」
26 55ppm 熱水鉱床や斑岩銅鉱床中の黄銅鉱
27 イットリウム 33ppm 火成鉱床の「ガドリナイト」
28 ランタン 30ppm 火成鉱床の「モナズ石」
29 ニオブ 28ppm 火成鉱床の「コロンブ石」や「フェルグソン石」
30 コバルト 25ppm スカルン鉱床の「砒コバルト鉱」
- ウラン 1.8ppm 堆積鉱床などの「閃ウラン鉱」
- 0.07ppm 水鉱床の「輝銀鉱」など
- 白金 0.01ppm 砂金と同様な砂鉱または火成鉱床、いずれも鉱物としては自然白金
- 0.004ppm 熱水鉱床中の自然金や堆積性の砂金

金属資源利用の歴史

人類が初めて金属を利用したのは、紀元前4000年頃のメソポタミア北部アナトリア高原で自然銅が道具に加工された。その後銅の鉱石からの精錬も行われるようになった。銅に続いてが銅との合金青銅を作るために使用された[5]。青銅は銅より硬くて強いため武器や道具や容器に一般的に使用されるようになった(青銅器時代)。その後砂金から金製品が作られるようになり、古代エジプトでは大量の金製の装飾品が作られた。鉄の使用は紀元前1400年頃から始まったが、当時まだ鉄鉱石から鉄を精錬する技術はなく組成分析から鉄を主成分とする隕石(隕鉄)を精錬したものと推定されている[6]。鉄器は武器や工具として青銅よりも優秀であるため青銅に代わって金属の主流となり、精錬法も確立・改良された。中世以後の研究に伴い多くの金属元素が発見され19世紀末にはほとんどの金属元素が発見されたが、一部の金属を除き使用されることがなかった。実際に多様な元素が工業的に使用されるようになったのは20世紀からである。現在希少元素として重要視されている元素の探求も鉱床学の分野である。

また古くから使用されてきた金属でも 資源の枯渇や精鉱・精錬技術の進歩により旧来とは異なったタイプの鉱床が開発されるようになった。例えば日本はかつて銅の大産出国であったが、その鉱床はいずれも熱水に由来する「スカルン鉱床」(釜石鉱山や長登銅山)、キースラーガー(別子銅山日立鉱山)である。これらの鉱山は銅の含有率(銅品位)が高い鉱石が集中する鉱脈を有し、掘削はその鉱脈に沿って坑道を掘る形で行われた。これらの日本の銅鉱山は現在資源が枯渇しすべての鉱山は閉山された。現在諸外国で採掘されている主要な銅鉱石は火成作用による斑岩銅鉱床で、銅品位は0.5%から1%と低品位であったため1900年代初期には鉱床とみなされていなかった。しかし高品位鉱山の枯渇と精鉱技術の進歩により鉱床として有用となった。これは直径1000-2000m、厚さ400-1000mという巨大な花崗斑岩全体がほぼ均一な銅鉱床であり、大型機械で露天掘りして採掘している。[7]

鉱床の種類

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。

  • 火成鉱床は地下のマグマが冷却固化する際に各元素が分離・濃集したものを指す。
  • 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た水が、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沈降したもの。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

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。クロムやニッケルの主な鉱山はいずれも火成鉱床である。

熱水鉱床

鉱脈型鉱床

塊状熱水鉱床

キースラーガー

スカルン鉱床

斑岩銅鉱床

堆積鉱床

化石燃料鉱床

関連項目

脚注

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  1. ^ 『地球鉱物資源入門』 17頁
  2. ^ 『岩石と地下資源』 156頁
  3. ^ 『地球鉱物資源入門』 113頁
  4. ^ 『地球鉱物資源入門』2-8頁、13頁より
  5. ^ 『岩石と地下資源』 156頁
  6. ^ 『地球鉱物資源入門』 9頁
  7. ^ 『地球鉱物資源入門』 14頁

参考文献

  • 飯山敏道『地球鉱物資源入門』東京大学出版会、1998年。ISBN 4-13-060723-5
  • 川上紳一、東條文治『最新地球史がよくわかる本 : 「生命の星」誕生から未来まで』秀和システム〈図解入門〉、2006年。ISBN 4-7980-1260-2
  • 岡村聡ほか『新版地学教育講座④ : 岩石と地下資源』東海大学出版会〈新版地学教育講座〉、1995年。ISBN 4-486-01304-2

外部リンク