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海底熱水鉱床の初期形成プロセスに微生物活動が寄与

 
―海底下鉱床形成モデルを書き換える可能性―

公開日:2020.10.14

 

研究成果 工学

1. 発表のポイント
◆ 中部沖縄トラフ海底熱水鉱床から、極めて低い硫黄同位体比組成を示す黄鉄鉱粒子を発見した。
◆ 硫黄同位体比の値から、微生物活動による海水の硫酸還元プロセスにより生成された硫黄を材料としていることが明らかとなった。
◆ 海底熱水鉱床の初期形成プロセスの一部は、微生物活動によって誘発・促進されていることが明らかとなった。

2.概要
 国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長 松永 是)海洋機能利用部門海底資源センターの野崎達生グループリーダー代理らは、国立大学法人神戸大学、学校法人千葉工業大学、国立大学法人東北大学、国立大学法人九州大学と共同で、中部沖縄トラフの海底熱水鉱床(※1)から採取された試料(図1、2)を詳細に分析した結果、極めて低い硫黄同位体比組成(d34S)(※2)を持つ黄鉄鉱(FeS2)粒子を発見し、微生物活動に由来するものであることを明らかにしました。
 これまで、海底熱水鉱床を構成する硫化鉱物の沈殿や酸化・溶解に数多の微生物活動が関与しているであろうことは推測されていましたが、鉱床の形成プロセスと照らし合わせてその特定が試みられたことはありませんでした。そこで本研究では、地球深部探査船「ちきゅう」の航海で得られた掘削コア(※3)および熱水噴出孔のチムニー(※4)試料を対象として、詳細な顕微鏡観察や鉱物組成測定、局所硫黄同位体分析を実施しました。
 掘削コア試料に含まれる黄鉄鉱粒子は、熱水活動の重複によって鉱化作用が進む(鉱床が成長する)につれて、フランボイダル(※5)、コロフォーム(※6)、自形(※7)の組織・形状を示します(図3、4)。これらの黄鉄鉱粒子について、二次イオン質量分析装置(SIMS)を用いた局所硫黄同位体分析を行った結果、フランボイダル黄鉄鉱は最低で–38.9‰(パーミル:千分率)という極めて低い同位体比組成を有し、フランボイダル⇒コロフォーム⇒自形と組織・形状が変わるにつれて、高い硫黄同位体比組成に漸移することがわかりました(図5、6)。
 このような大きな硫黄の同位体分別を起こし得るメカニズムは、硫酸還元バクテリアによる海水の硫酸還元プロセスしか知られていません。また、低い硫黄同位体比組成を持つフランボイダル黄鉄鉱は、鉱化作用が進むにつれて海底熱水鉱床を構成する黄銅鉱(CuFeS2)、方鉛鉱(PbS)、閃亜鉛鉱(ZnS)などの他の硫化鉱物(※8)によってしばしば置換されています(図4)。したがって、フランボイダル黄鉄鉱は海底熱水鉱床を構成する硫化鉱物の出発物質・核として機能しており、鉄や硫黄などの材料を供給していると考えられます。この初期出発物質であるフランボイダル黄鉄鉱は、微生物による硫酸還元プロセスを経た硫黄を材料としていることから、海底熱水鉱床の初期形成プロセスには海底下の微生物活動が重要な役割をしており、鉱床生成を誘発・促進していると考えられます。
 今後、他の海域の掘削コア試料や33S・36Sも含めたマルチ硫黄同位体分析を行い、海底熱水鉱床生成と微生物活動寄与の詳細を解明していく予定です。
 本成果は、米国のThe Geological Society of America(GSA)が発行する学術雑誌「Geology」に10月7日付けで掲載されました。

図1 本研究に用いた試料の採取位置図。伊是名海穴の掘削コア試料はハクレイサイトから、伊平屋北海丘の掘削コア・チムニー試料はオリジナルサイトから採取された。

図2 本研究に用いた伊是名海穴ハクレイサイトおよび伊平屋北海丘オリジナルサイトの掘削コア試料断面写真。

図3 成熟度・鉱化ステージに応じて様々な組織・形状を示す黄鉄鉱粒子。A~Cは伊是名海穴の掘削コア試料、Dは伊平屋北海丘の掘削コア試料、E・Fは伊平屋北海丘のチムニー試料。

図4 フランボイダル黄鉄鉱が、黄銅鉱や方鉛鉱に置換されている様子を示す後方電子散乱画像。試料は伊平屋北海丘の掘削コア試料。

図5 二次イオン質量分析装置により測定した各黄鉄鉱粒子の硫黄同位体比組成の例。A・Bは伊是名海穴の掘削コア試料、Cは伊平屋北海丘の掘削コア試料、Dは伊平屋北海丘のチムニー試料。

図6 黄鉄鉱粒子の硫黄同位体比組成(34S)のヒストグラム。nは分析した黄鉄鉱粒子の数。

論文情報

タイトル:Microbial sulfate reduction plays an important role at the initial stage of subseafloor sulfide mineralization
著者名:野崎達生、長瀬敏郎、牛久保孝行、清水健二、石橋純一郎、地球深部探査船「ちきゅう」第909次航海乗船研究者
掲載誌:Geology
DOI:10.1130/G47943.1

補足説明

※1 海底熱水鉱床:海底火山活動に伴って湧出する熱水から沈殿した鉱床。鉱床とは、資源として利用できる元素や石油・天然ガスなどが濃縮している場所で、採掘して採算が取れるものを指す。したがって、商業開発に至っていない海底熱水鉱床を『鉱床』と記すのは語弊があるが、Seafloor hydrothermal depositに相当する他の適当な訳語が存在しないため、海底熱水鉱床という用語を使用した。
※2 硫黄同位体比組成(d34S): 試料の34S/32Sから標準物質の34S/32Sの差分を取り、それを標準物質の34S/32Sで割り算して、1000を掛けたもの(=千分率を取ったもの)。式で表すと
d34S = ((34S/32S)sample-(34S/32S)standard))/((34S/32S)standard) x 1000
標準物質として、本研究ではVienna-Canyon Diablo Troilite(VCDT)を使用している。d34Sの単位はパーミル(‰:千分率)(参考;パーセント、%:百分率)。
※3 掘削コア:掘削作業により得られた柱状地質試料のこと。通常の掘削作業で使用されるドリルビットとは形状が異なり、真ん中に穴が開いているコアビットを用いて掘削することで、穴の開いた部分に円柱状の岩石が入り込んでいき、それが掘削コア試料としてとして回収される。
※4 チムニー: 海底の熱水活動によって供給された金属元素が、海底面上で硫化鉱物、酸化鉱物、珪酸塩鉱物、硫酸塩鉱物などとして沈殿し、熱水噴出孔の周囲に形成される煙突状の鉱体。チムニー(chimney)とは英語で煙突を意味する。
※5 フランボイダル組織:顕微鏡的な球状鉱物の集合(framboid)した組織。
※6 コロフォーム組織:微粒子が同心円縞状に沈積した鉱物組織。Colloidal組織ともいわれ、コロイドからの沈殿組織であるが、溶液から直接結晶化が進んでこの組織ができる場合もある。集合形態により、ぶどう状・腎臓状・乳房状などとなり、低温生成の鉱物に多い。
※7 自形:鉱物固有の結晶面がよく発達している形を形容する語。対義語は他形。
※8 硫化鉱物:鉱物の分類上で、硫黄と結合している鉱物群。本研究に用いた掘削コアおよびチムニー試料は、主に黄銅鉱(CuFeS2)、閃亜鉛鉱(ZnS)、方鉛鉱(PbS)、黄鉄鉱(FeS2)などから構成される。

研究に関するお問い合わせ先

理学研究院 石橋純一郎 准教授

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