物質・材料研究機構(NIMS)の門馬綱一研究員と産業技術総合研究所(産総研)の池田拓史主任研究員は、千葉県立中央博物館、東北大学、アマチュア研究家の西久保勝己氏、本間千舟氏、結晶形態研究者の高田雅介氏らと共同で、千葉県内で採取した鉱物が、新鉱物であることを突き止め、「千葉石」と命名したことを発表した。2月16日に英国の科学誌「Nature Communications」(電子版)に掲載された。

千葉石は、ケイ素原子と酸素原子から構成された「かご」状の結晶構造を持ち、その内部にはメタンなどの分子が閉じ込められている。この構造は、同じくかご状の構造を持つ天然ガスハイドレート中の水分子を、ケイ素と酸素で置き換えた構造に相当し、主成分にメタンを含む鉱物としては世界で2例目の発見となる。

メタンハイドレートは、水分子から構成されるかご状の骨格構造の隙間にメタン分子が取り込まれた物質で、日本周辺の海底下に大量に存在することから、エネルギー資源として注目されている。メタン分子のほかに、エタンやプロパンなどのガス分子が含まれることもあり、これらは天然ガスハイドレートと総称される。かごの直径は1nm程度で、大きなガス分子は大きなかごにしか入ることができないため、含まれるガス分子の種類によって天然ガスハイドレートの結晶構造は異なり、自然界では、I型、II型、H型の3種類の存在が確認されている。

天然ガスハイドレートとシリカ鉱物の結晶構造。千葉石の結晶構造はII型

シリカ鉱物の中には、天然ガスハイドレートと組成は異なるが、同様の構造を持つものがあり、例えば、メラノフロジャイトと呼ばれる鉱物は、ケイ素と酸素から構成される骨格構造を持つが、骨格の形状はI型のメタンハイドレートと同一であり、合成物では、II型やH型の骨格構造を持つ高シリカゼオライトが報告されている。

しかし、II型やH型の骨格構造を持つシリカ鉱物は見つかっておらず、研究グループでは、千葉県に分布する堆積岩の地層中の亀裂や細脈から、II型の構造を持つシリカ鉱物を発見、これを千葉石と命名した。千葉石は八面体と立方体の組み合わさった径1～5mmの結晶として見られる。また、同時に、H型の構造を持つシリカ鉱物も発見しており、天然ガスハイドレートと同様、シリカ鉱物でも、3種類の構造が自然界に存在することを世界で初めて確認したという。

(a)が千葉石の結晶、(b)と(c)が結晶の形態

千葉石などが発見された地層は、プレートの沈み込みに伴って形成された、付加体と呼ばれる地質構造の一部であると考えられている。天然ガスハイドレートに含まれるガスには、微生物起源のメタンと、熱分解起源のガスの2種類があるが、プレートの沈み込み境界は、熱分解起源ガスの主要な発生源であるとされる。微生物起源のガスはほぼ純粋なメタンだが、千葉石の中には、メタンのほかに、エタン、プロパン、2-メチルプロパンの4種類の炭化水素分子が含まれていることが確認されており、このガス組成は、熱分解起源の天然ガスハイドレートの特徴と良く一致しているという。

これらのことから、今回発見されたシリカ鉱物は、熱分解起源の天然ガスハイドレートと同じ起源の炭化水素分子を、地層中のより深い場所で結晶構造中に捕獲(記録)したものと見なすことができると研究グループでは説明しており、千葉石は、天然ガスハイドレートの起源や、プレートテクトニクスに伴う地球規模での炭素循環を解明する上で、新たな物証となる可能性を秘めているとしている。