含水の多段階マントル融解が苦鉄質ケルマデック弧マグマの金濃縮を制御する

なぜ埋もれた火山が金に重要なのか

最も豊かな既知の金鉱床の一部は陸上ではなく、沈み込み帯上の深海底に存在します。ここでは一つのテクトニックプレートが別のプレートの下に沈み込みます。ニュージーランドのケルマデック弧に沿った海底火山は、異常に金に富む鉱床を保持しますが、これらの火山を供給するマグマに金が多量に含まれる理由は明確ではありませんでした。本研究は弧に広がる若い火山ガラスを採取して解析することで、この謎に挑み、重要なのは海底に近づく前のマントル深部であることを示しました。そこでは水を多く含む繰り返しの融解過程が金を濃縮します。

海の下の隠れたベルトコンベヤー

ケルマデック弧はニュージーランドとトンガの間に約1,300キロメートルにわたって伸びています。ここで太平洋プレートがオーストラリアプレートの下に沈み込み、マグマ生成と海底火山活動を駆動します。多くの海底火山は金属を含む熱い流体を噴出し、一部は中央海嶺よりも金に富む大型硫化物鉱床を有します。著者らは弧の17火山と隣接するハヴァー溝後背弧盆地から66点の新鮮な火山ガラス—急冷したマグマ—を採取しました。これらのガラスは噴出マグマから直接形成されたため、その化学組成はマントルの融解過程や金、銅、銀、セレンなどの金属が地表へ向かう際の挙動を詳細に記録しています。

硫黄と金の綱引き

金は硫黄と結びつくことを好み、マントル深部の微小な硫化物滴の中に隠れることが多い。硫化物が存在する場合、それらは金、銅、銀を捕捉する傾向があり、硫化物が枯渇または存在しない場合には金は不親和元素のように振る舞い、溶融に濃集します。ガラス中の金を他の硫黄愛好元素と比較することで、著者らはほとんどのケルマデックマグマが硫化物滴が融解する温度より高い温度で生成された、温かく水を多く含む溶融体として始まったことを示します。この条件では、少量の硫化物液が高度の融解中に速やかに消費され、金や銅がマグマ中に放出されます。マグマが浅部で冷却・結晶化すると、新たな硫化物や鉄–チタン鉱物が形成され、銅を金や銀より効率的に取り除き、いくつかのマグマを金属に富む熱水系に供給しやすい状態にさらに前処理します。

マントルを一度以上溶かす

ケルマデックのガラスにはマグマ1グラムあたり最大で約6ナノグラムの金が含まれ、金対銅比は典型的な中央海嶺玄武岩や肥沃なマントルよりも有意に高くなっています。通常のマントル源の単発的な融解だけでは、このような値に達するのは難しい。代わりに、化学的パターンは、硫化物と銅が枯渇した後に再び水を含む酸化条件で融解したマントルを示唆します。最初の融解で硫化物液は残留マントルから銅を金より優先的に除去します。その後、部分的に枯渇したマントルが再融解されると、生成するマグマは全体の金属量はマントル融解で生成されうる範囲にとどまる一方で、より高い金対銅比を受け継ぎます。最も強い金の濃縮はケルマデック弧前面の北部区間で見られ、ここでは地球物理学的・地球化学的データも弧前面下に特に枯渇したマントルがあることを示しています。

沈み込むプレートの果たす限られた役割

沈み込むプレートから放出される流体は金属を運ぶ可能性があるため、一つの明白な可能性として金が降下するスラブからマントルウェッジへ直接供給されることが考えられました。研究チームは塩素、バリウム、ウラン、鉛など、スラブ由来流体で高度に移動性を示す元素と金を比較することでこれを検証しました。金はこれらの流体移動性トレーサーと弱い、または一貫しない関連しか示さず、厚い金を多く含む海洋台地が下にある区間が体系的により金を多く産するわけでもありません。これらの観察結果は、スラブ流体が主に水を供給しマントルを酸化して広範な融解と高い硫黄溶解度を促すという役割を果たす一方で、大量の追加的な金を直接運んでいるわけではないことを示唆します。

深部融解から海底の宝へ

本研究は、ケルマデックマグマの顕著な金の肥沃性は主に弧下のマントルの状態と履歴によって制御されていると結論づけます。水を多く含む高温の多段階融解が、すでに枯渇し酸化されたマントルウェッジから、金濃度と金対銅比が海底の優れた鉱床を供給しうるほど高いマグマを生成し得ることを示しています。これは沈み込むプレートや再循環された地殻硫化物から大量の金を直接必要としません。簡潔に言えば、ケルマデック弧下のマントルは含水融解によって一度以上“加熱”され、銅に富む硫化物が除去され、結果として自然に金を強化するマグマを生み出す源となっている—海洋で最も豊かな隠れた鉱床の原料です。

引用: Timm, C., Portnyagin, M., de Ronde, C.E.J. et al. Hydrous multi-stage mantle melting controls gold enrichment in mafic Kermadec arc magmas. Commun Earth Environ 7, 281 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03338-w

キーワード: 沈み込み帯, マントル融解, 金鉱床, ケルマデック弧, 海底火山活動