東京大学(東大)と海洋研究開発機構(JAMSTEC)は3月21日、深海調査研究船「かいれい」を用いて2013年1月に実施した研究航海のおいて、南鳥島周辺の水深5,600m～5,800mの海底より採取した堆積物のコア試料の化学分析を行い、海底表層付近におけるレアアース濃度の鉛直分布を調べた結果、南鳥島南方の調査地点において、海底下3m付近に、最高6,500ppm(0.65%)を超える超高濃度のレアアースを含む堆積物(レアアース泥)が存在し、複数の地点で海底下10m以内の浅い深度からレアアース泥が出現することを発見したと発表した。

同成果はJAMSTEC 海底資源研究プロジェクトの鈴木勝彦主任研究員らと、東大大学院工学系研究科附属エネルギー・資源フロンティアセンターの加藤泰浩 教授(JAMSTEC海底資源研究プロジェクト招聘上席研究員)らによるもの。

レアアースは、先端科学技術を実現する上で必要となる金属ながら、存在量が少なく、かつその埋蔵地も地域的に偏りがあり、日本はそのほとんどを輸入に頼るなど、コスト的な問題や地政学的リスクといった課題などが存在していた。そうした中、加藤教授らの研究グループは、タヒチ沖、ハワイ沖などの太平洋の海底に膨大な量のレアアース泥が存在することを2011年に発見したことを報告していた。

図1 南鳥島の軌跡(右図青線)と予想される地質層序(左図)。地図中、橙色および灰色の円の大きさはレアアース濃度を表す。 また、赤い領域は高濃度のレアアースの堆積が見込まれる海域 (c)JAMSTEC

発見されたレアアース泥は、高濃度のレアアース(600～2,230ppm)を含み、特に世界シェアの大部分を占める中国の陸上鉱床を凌ぐ高い重レアアースの濃度を持つなどの資源として有利な特長を備えており、資源として期待されるほか、2012年にも研究グループは、日本の排他的経済水域(EEZ)内である南鳥島周辺海域にもレアアース泥が存在することを報告していた。しかし、その際の調査では、南鳥島周辺海底下10m以深に1,000ppmを超える高濃度のレアアース泥が存在していることが確認されたものの、堆積物コアの採取地点が2カ所のみであることとコアの回収率が低いことから、その詳細な深度分布や水平方向への広がりについては不明な点が多く残されていたという。

図2 KR13-02調査航海のピストンコア採取地点 (c)JAMSTEC

今回の調査では、南鳥島周辺の海底表層付近におけるレアアース濃度の鉛直分布を確認するため、2013年1月21日から31日に「かいれい」による、南鳥島周辺の調査を実施し、数地点において、最大で海底から20m長のコア試料採取可能な「ピストンコアラー」を用いて海底堆積物のコア試料の採取を行い、中でも3～5kHz前後の周波数の音波を用いた測深機「サブボトムプロファイラー」を用いた事前調査から海底表層付近にレアアース泥が発見される可能性が高いとされる2地点にて、採取したコア試料の鉛直方向のレアアース濃度分布を調べたところ、2地点のうち1地点で海底下3m付近に総レアアース濃度がタヒチ沖に分布するレアアース泥の濃度(1,000～1,500ppm)の4～6倍、ハワイ周辺海域の濃度(600ppm)の10倍に達する6,500ppmを超える超高濃度のレアアース泥が存在することを確認したという。また、別の地点でも5,000ppmに達する高濃度のレアアース泥が海底下8m付近に分布していることを確認したという。

図3 図2のPC4とPC5で採取した堆積物コア。PC4のsec.04およびPC5のsec.02は暗褐色の粘土で、レアアース濃度は低い。一方、PC4のsec.09及びPC5のsec.04は黒褐色の粘土で、レアアース濃度が高い。○は、図4のレアアース濃度のピーク部分 (c)JAMSTEC

研究グループでは、今回の調査以前、南鳥島地域は太平洋プレート上のレアアース濃集海域を通過してから3000万年以上を経過しているため、その間にレアアースを含まない表層泥がレアアース泥の上に10m以上堆積していることを予測していたが、実際の調査からは表層堆積物の被覆が予測より薄く、比較的浅い深度に超高濃度レアアース泥が存在していることが判明したという。また、5,000ppmを超えるような超高濃度のレアアース泥は、レアアース泥層の上部1～2mの位置に出現しており、この理由の1つとして、レアアースを取り込みやすい鉱物が、堆積物中で放出されたレアアースを捕らえ、濃集した可能性が考えられると説明している。

図4 PC4およびPC5の総レアアース濃度の深度分布。PC04では深さ約8m付近に、PC05では約3m付近に高濃度の層が存在する。これは、レアアース泥の出現深度(点線)の下1～2mである (c)JAMSTEC

さらに、今回の調査結果とサブボトムプロファイラーによる地下構造イメージを比べたところ、採取されたコア試料のレアアース濃度のプロファイルや岩相変化とよく対応していることが示され、船上からのサブボトムプロファイラー観測を活用することにより、レアアース泥の出現深度や厚さについての情報を効率的に推定できることが示されたことから、研究グループでは今後、ピストンコアラーによる調査を進める際の有効な手法になるとの期待を示す。

サブボトムプロファイラーによるPC04およびPC05を採取した地点の海底下の地質構造イメージ。基盤のチャート、レアアース泥、表層を覆う粘土が観察される。PC05ではレアアース泥の表面を覆う表層粘土がほとんど確認できない (c)JAMSTEC

なお、研究グループでは今回得られたデータを基に、今後、ほかの地点のコア試料の分析とその検証を進めるとともに、先端の分析機器や解析技術を活用して微小領域の分析や化学状態分析を通じて、レアアースを濃集している鉱物相の特定を行い、レアアース泥の生成プロセスを明らかにしていく予定としている。また、今後の調査航海において、サブボトムプロファイラーによる海底下数十mの地質構造の調査を進めるほか、ピストンコアラーによるコア試料の採取と分析を進め、南鳥島周辺のレアアース資源の分布など、今後の資源開発に必要な科学的知見の取得を進めていく予定としている。