新たな分析技術で珍しい鉱物の宝庫が発見される

カムチャッカ半島は硫黄の蒸気で覆われ、29の活火山が、この地域を歩くトナカイの群れやサケの川に霞んだ背景を作り出しています。世界で最も地質学的に活発な場所の一つであるカムチャッカは、ロシア東海岸から突き出ており、フロリダの拡大版のような様相を呈しています。ここではまるで錬金術のようなプロセスが起こっています。カムチャッカの火山は、まるで沸騰する大釜のように、原子元素の珍しい組み合わせを混ぜ合わせ、世界のどこにも見られない鉱物を作り出しているのです。

ここ数年、カムチャッカ半島では研究者たちが新たな鉱物をいくつか発見している。「偶然に現れるんです」と、オーストラリアのモナシュ大学の地質学者、ジョエル・ブルッガー氏は語る。彼は2017年にこの半島でナタリヤマリキ石と呼ばれる新鉱物の発見に貢献した。「ただ注意深く見守るだけでいいんです」。研究者たちは通常、こうした発見を意図的に行うわけではない。むしろ、例えば特定の火山に希少金属が異常に高濃度に集まる原因となるような、より広範な地質学的プロセスを研究する中で、偶然に新たな鉱物を発見するのだ。

これらの発見は、現在世界中で起こっている鉱物発見ブームの一環だ。国際鉱物学協会所属のデータベースによると、地質学者や鉱物収集家は2009年以降、平均して年間100種類以上の新しい鉱物の発見を報告している。「過去100年間の探査のレベルを考えると、記述する鉱物がなくなりつつあると思われるかもしれません」と、自身も23種類の新しい鉱物の発見に参加したブルッガー氏は言う。「しかし、発見の数は増えています。」新鉱物として認定されるためには、これらの物質は、1つ以上の元素が固体の形で繰り返し構造に配置された、これまでに見たことのない自然な組み合わせでなければならない。採掘されたダイヤモンドとクォーツはどちらも鉱物だが、繰り返し結晶構造を持たないオパールや、天然ではない合成宝石は鉱物ではない。5,477種類が知られている鉱物のうち、1,000種類以上が過去10年以内に発見された。

研究者は、通常、地質学的に極端な地域、つまり火山でこれらの発見をします。また、毎年、少数の新しい鉱物が隕石から見つかっています。しかし、新しい鉱物の最も豊富な供給源（過去 1 世紀の発見の 3 分の 2）は、鉱山、採石場、その他の資源探査現場であるとアリゾナ大学の地質学者イザベルバートンは述べています。それは、人々がそもそも珍しい地質学的構成を持つ場所で掘削や掘削を行いたがる傾向があるためです。たとえば、鉱山は鉱床にあり、そこでは金、銀、ウランなどの希少元素が、地球の地殻のほとんどの場所よりも数千倍も高い濃度で存在します。「[これにより]通常は見つからない元素を含む化合物を形成する機会が生まれます」とバートン氏は言います。これらの新しい化合物は、希少鉱物に結晶化します。

鉱物の発見を主張するには、標本を構成する原子とその比率を特定する必要があります。しかし、おそらくもっと重要なのは、それらの原子が独自の構造で積み重なっていることを突き止めることです。同じ原子の組み合わせでも異なる結晶構造を形成することがあるため、このステップは非常に重要です。例えば、炭酸カルシウムはカルシウム1、炭素1、酸素3で構成されていますが、方解石やアラゴナイトなど、いくつかの異なる鉱物に組み合わさる可能性があります。

ブルッガー氏は、発見件数の増加は、地質学者がますます小さな標本を調査できるようになった技術の進歩によるものだと指摘する。1世紀前は、発見を確認するには少なくとも米粒大の比較的純粋な鉱物の塊が必要だった。今では、その30分の1の大きさの破片で簡単に確認できる。

例えば、ナタリヤマリカイトの発見は、ごく少量のサンプルに基づいて行われました。まず、ロシアのブルッガーの共同研究者たちは、カムチャッカ半島のアバチャ火山にヘリコプターを着陸させ、噴気孔の一つに石英管を差し込み、硫黄蒸気を採取しました。管の中に凝縮した物質を分析したところ、異常に多量のタリウムが含まれていました。周辺地域にも珍しいタリウム化合物が含まれている可能性があると考えた研究者たちは、噴気孔付近の岩石サンプルを採取し、ブルッガーに渡しました。オーストラリアでは、ブルッガーのチームが顕微鏡を使ってサンプルを調べ、新たな鉱物の可能性がある粒子を探しました。そして、強く集束させたイオンビームを用いて、人間の髪の毛よりも細い、候補となる粒子を岩石から切り出しました。これは繊細な作業でした。「少しでも乱暴に扱うと、爆発してしまいます」とブルッガーは言います。「良い作品のいくつかを台無しにしてしまった。」

研究チームは、赤血球よりも小さいわずか5ミクロン幅の粒子を用いて、この鉱物の構造と組成を確認した。ナタリヤマリカイトは、タリウムとヨウ素の原子がほぼ立方体状に等量配置された、ヨウ化タリウム結晶から構成されている。ブルッガー氏によると、化学者は数十年前からヨウ化タリウムを合成しており、一部の放射線検出器に利用されているという。しかし、自然界でこのような形態のタリウムを見た人は誰もいなかった。

この鉱物は、発見地で最初の火山蒸気を採取した38歳の研究者、ナタリア・マリクにちなんで名付けられました。しかし、注目すべきことに、マリク氏は発見に関する論文の著者ではありません。これは、自分の名前が付けられた鉱物の発見に関する論文を執筆しないという、このコミュニティの伝統に従っているためです。彼らが分析した鉱物は現在、オーストラリアのメルボルンにあるビクトリア博物館に収蔵されていますが、展示するには小さすぎるため、目立ちません。

X線技術の進歩により、研究者たちはより小さな鉱物の粒子もよりよく観察できるようになった。研究者たちは試料にX線を照射し、鉱物の原子にX線がどのように反射するかを測定することで、鉱物の構造を解明する。3D画像を得るには通常、岩石から鉱物を切り出し、複数の方向からX線を照射する必要がある。しかし、ローレンス・バークレー国立研究所の物理学者、田村信道氏は、X線ラウエ微小回折と呼ばれる技術の開発に貢献した。この技術により、科学者は基本的に、X線を片側からしか照射していなくても鉱物の構造全体を観察できる。つまり、他の角度から調べるために鉱物を切り出す必要がなくなり、破壊したくない隕石内の小さな粒子を調べることができると田村氏は話す。5月、彼と彼の同僚は、この方法を用いて、もともとシベリアで発見されたオグニタイトと呼ばれる鉱物を発見したと報告した。彼らのサンプルは幅約50ミクロンで、人間の目にはほとんど見えない。

これらの新しい鉱物は微量にしか存在しないが、単なる収集品以上の価値がある。それらは、火山や鉱床を形成する極端な地質学的プロセスの手がかりである。「ナタリヤマリキテは世界で最も重要な鉱物ではないかもしれないが、その火山で本当に奇妙なことが起こっていることを物語っている」とブルッガー氏は言う。その火山は、これまで研究されたどの火山蒸気よりも少なくとも10倍高いタリウム濃度の噴気を放出している。ブルッガー氏は、遠い昔にタリウムがカムチャッカ沖の海底近くで溶解して濃縮されたと考えている。この深海のタリウムは、近くの沈み込み帯（プレートの境界が別のプレートの下に滑り込む場所）のマントルに落ち込んだと考えられる。数百万年後、火山はタリウムを噴き出し、それがナタリヤマリキテの形で結晶化した。ブルッガー氏のチームは化学実験とコンピューターシミュレーションの両方を使用して、タリウム濃縮のこのモデルが半島の残りの部分の地質と一致するかどうかを調べようとしている。

発見ブームがすぐに終わるとは思わないでください。「実に、元素の組み合わせは数え切れないほど多く、構造も多種多様です」とバートン氏は言います。「現時点では、まだ表面をかすめたに過ぎません。」ほんのわずかな塵の中から何が見つかるかは、誰にも分かりません。

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