海底レアアース資源はどこにある？
～レアアースの成因研究、調査の歴史と課題～

日本は「特異な場」に位置している

海底地形図を覗いてみましょう（図１）。日本列島は、北半球の中緯度、ユーラシア大陸の東縁に位置し、その周りをプレートの沈み込み境界に取り囲まれています。目につくのは、日本海溝、伊豆マリアナ海溝そして南海トラフといった深い溝状の海底地形です。これらはプレートの沈み込みに伴ってできた海溝と呼ばれるものです。海溝に沿ってプレートが日本列島に沈みこむことで、巨大地震が起こり、火山が噴火するなど、日本は地球上で最も地殻変動が激しい場所の一つとされています。このような地震や火山は何も陸上だけに起こるのでなく、例えば、沖縄トラフや伊豆小笠原海域と呼ばれる海底においても海底火山が噴火を起こしています。これら海底火山によって熱せられた水が岩石から金属を溶かしだします。こうして銅や鉛、亜鉛や金などの有用な金属を含む熱水が地下の深い場所から移動して海底の浅いところで冷やされて海底熱水鉱床となり、海底下に分布しています（図１と2）。

他方、あまり知られていませんが、地球上でも最も地殻変動が静かな場所も実は日本にあるのです。それは東京から海溝をこえ、はるか1,950km沖に位置する南鳥島です（図１）。南鳥島は地質年代が最も古い太平洋プレートの上に位置しています。地震や火山といった地殻活動はここでは全く起きていません。この周辺には水深5,000mを超えるような深い海底の平原が広がり、そこから富士山よりも高い4,000m以上の巨大な海山の山頂が海面上に現れているのが南鳥島です。図１に示されているように、南鳥島周辺では海面に出ていない海底海山が多数あり、それらはコバルトリッチクラストに覆われ、そのふもとの海底の平原にはマンガンノジュール、レアアース泥といった全く異なる鉱物資源が分布しています。（図1、2）。深海底の表面を覆うマンガンノジュールと、その下に層をなして存在するのが、レアアースが濃縮したレアアース泥です。したがって、レアアース泥は、世界中の鉱物資源の中でも最も水深の深い場所にできた鉱物資源です。

図２を見てください。赤い枠で示した活発な海底火山活動が生じる島孤や背弧といった海域にみられる海底熱水鉱床はプレートが沈み込むところに作られることは記したとおりですが、その逆に、紫で示す安定したプレートの上の深海底で数千万年の歳月をかけてゆっくりと作られるコバルトリッチクラスやマンガンノジュールといったように全く異なる成因の資源が認められます。今回紹介したいレアアース泥は後者の安定した海底に存在します。特筆したいのは、地殻変動の活発な海底と逆に安定した海底でできる鉱物資源のすべてがEEZ内に存在するのは世界でも日本だけです。つまり、日本は海底鉱物資源に富んだ国だということです。

注目される深海レアアース泥

レアアースは、ハイテク製品の生産に不可欠な産業のビタミンと呼ばれる物質で、取り分け地球温暖化に伴い需要が増える電気自動車や洋上風力発電などにおいてもその需要は急増するとされている金属資源です。しかしながら、レアアースの供給に関しては、現在、採掘と製錬の大部分を中国が占めていることから中国政府の政治的判断次第で供給が変動するなどの地政学的リスクの高い鉱物資源です。最近では中国による戦略的な供給規制強化もあって、国内の産業界もレアアース資源の安定供給については大いに注目しているところです。

貴重な資源としてのレアアースは、現在その全てが陸上の鉱山から産出されています。しかし、今，海のレアアースが注目されています。90年代後半から、大陸からはるかに離れた水深5,000mを超える太平洋の深海底を覆う泥質の堆積物（遠洋性堆積物）中にレアアースが濃縮されて含まれることが明らかにされてきました（図3）[1] [2]、研究が進展するにつれ、その存在は、太平洋だけでなく、インド洋などを含む[3]、深海底を覆った世界中の遠洋性堆積物中に含まれていることが分かってきました[2]。このレアアースに富んだ堆積物を「レアアース泥」と呼びます[2]。ただし、同じようにみえる遠洋性堆積物中の中でもレアアースの含有量については必ずしも一様でなく、海域によって、また堆積した地質時代によって、その含有率にバラつきがあることが分かってきました[2][3]。そのなかでも、南鳥島周辺の日本のEEZ、水深5,000m以深の堆積物のレアアースの含有量が高いことが知られるようになりました[4]。

こうした基礎研究の成果を踏まえ、内閣府は、学術研究から社会実装までの一気通貫を掲げる戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）を立ち上げ、国産のレアアースの開発、利用（産業化）を促進するための枠組みを構築しました。具体的には、2014年度から2018年度までは「次世代海洋調査技術」[5]、2018年度から2022年度までは「革新的海底資源調査技術」[6]として実施し、2023年度からはより本格的に「海洋安全保障プラットフォーム構築」[7]（以下「SIP海洋プロジェクト」）として、国産のレアアース泥採鉱に向けた海底鉱区の設定のための基礎調査と資源量の精査、採鉱に必要とされる採鉱機器や生産システムの開発、採鉱に伴う環境影響評価を含めた研究開発などに取り組むとともに、さらに本格的な産業化に向けた生産システム開発に向けた研究開発が現在進められています。

レアアース泥はどうしてできるか？（成因について）

なぜレアアースが深海の遠洋性堆積物に濃集しているのでしょうか？その前に、陸上鉱山の例をみてみましょう。レアアース（希土類）は地球内部の物質中に一定量が含まれる金属ですが、希土（きど）という言葉と反して決して希（まれ）というわけではありません。

陸上のレアアース鉱床のうち、まず、マグマ活動によるレアアースの形成プロセスについて説明します。レアアースは、地殻の岩石が溶けてマグマとして発達するプロセスで濃縮されていきます。火山の深部にあるマグマ溜まりの中では、地殻物質が融けて対流するうちに、温度が下がると結晶が落ちてきます。この時、レアアースはイオン半径が大きいなどの理由で結晶（鉱物）に取り込まれにくいため、残液に取り残されます。こうして濃集したレアアースは最後に冷えて固まった岩石の中に入ります。これがマグマ性のレアアース鉱床で、その過程で軽レアアースが残液により残りやすい性質があるために、軽レアアースに富んだ鉱床となります。この時、レアアースなどと似たような性質を持つトリウムやウランなどの放射性物質も残液に濃縮するため、レアアースと一緒に含まれ、分離や精製などの処理過程において大きな環境課題となっています。

陸上のレアアース鉱床には、イオン吸着性鉱床という風化した岩石が重要な役割を果たす鉱床があります。風化した花崗岩が粘土鉱物となり、この粘土鉱物が風化によって鉱物から溶け出したレアアースを効率的に吸着します。こうして高濃度のレアアースをもつようになった粘土鉱物が鉱床を形成するようになります。粘土鉱物が重レアアースを吸着しやすい性質があるため、重レアアースに富んだ良質の鉱床として中国やミャンマーで採鉱されています。

一方、海水中のレアアースはその成因が異なります。海中のレアアースは、陸上の岩石が侵食され風化し流されて海に流れ込んだものが主な起源ですが、他に海底の熱水活動などによって岩石から海水中で溶け出したものもあります。海水中のレアアースは、海水に含まれる鉄の酸化物に吸着され、海底に沈降します。こうして海底に沈降したレアアースは、長い時間をかけて、主に魚の骨や歯など生物起源のアパタイトに取り込まれます（図4）[8][9]。このアパタイトは別名燐灰石（リン酸カルシウム）とも呼ばれる鉱物で、人体で骨や歯も主にこのアパタイトで構成されます。このことから、アパタイトが多く堆積している層にレアアースが濃集し、レアアース泥となります。ここで特筆したいのは、レアアース泥は、陸域の鉱脈鉱床とは異なりトリウムやウランの含有量が極めて少なく、さらに、ヒ素や水銀などの有害金属を含んでいないというある意味で環境にやさしいクリーンなレアアース資源であるということです[2][3][4]。

レアアース泥が陸に近い海や浅い海ではなく、南鳥島周辺のように陸から遠く離れた深海に存在していることにも理由があります。陸に近い海では河川や風によって供給される砂や泥が多く、また炭酸カルシウムでできた海棲の生物の殻や遺骸がたくさん堆積します。従って、近海では、陸地や海棲生物などからもたらされる大量の堆積物によって、アパタイトが希釈されて薄まってしまうために相対的に堆積物中のレアアースの濃度が低くなってしまいます。逆に、太平洋の遠洋性堆積物の場合、陸域から離れていることで風塵のような風成の堆積物が少ない上に、水深4,500mを超えると、水圧により炭酸カルシウムが海水中に溶解してしまいます（この水深を炭酸塩補償深度といいます）。そのため、炭酸カルシウムからなるプランクトンなどの殻は水中に溶けてしまい堆積物に入らないため、浅海域で見られるようなレアアースの希釈効果もなくなってしまいます。結果として、深海底ではレアアースが濃縮したレアアース泥が形成されることになります（図5）[10]。

しかし、レアアース泥の成因については、海底の地殻活動や生物活動、深層流、海水の酸素濃度、海底地形など海の状態の変遷の歴史や地球の環境変動が深く関わっていることもあり、その成因については未だ謎も多く、今後の研究の進展が待たれています。

南鳥島周辺でのこれまでのレアアース泥調査の経緯

ここでは、これまでの研究の歴史を振り返ってみたいと思います。南鳥島周辺海域における高濃度のレアアースを含むレアアース泥の存在については、2013年にJAMSTEC・東大のプレスリリース後 [11]、科学論文としてIijima et al (2016) [4]などで公表されています。また、こうした学術研究とは別に、将来のレアアースとしての資源化ポテンシャルの検討を目的とし、2013年度から2015年度まで、エネルギー・金属鉱物資源機構（以下「JOGMEC」）が南鳥島周辺EEZ海域を広くカバーする調査を実施しております。この調査に基づき、JOGMECは有望なレアアース濃縮域を特定し、その概略資源量の把握に努めるとともに、将来の開発・生産を念頭に、レアアース泥の採泥技術、大水深からの揚泥技術について広範な技術分野の調査および研究結果についての報告書にまとめ発表しています[12]。JOGMECの調査データ等とそれまでに得ていた科学的知見を利用し、2014年度からは内閣府が第1期SIP海洋プロジェクト「次世代海洋資源調査技術」を開始しました。

他方、Takaya et al. (2018) [13] によって南鳥島周辺のレアアース（酸化物換算）の資源量約1,600万トンが公表されています。この値はメディア等でしばしば引用されますが、あくまで初期の調査結果に基づく速報値であり、公表された資源量については、サンプル間隔の粗さや後述されるように側方（水平方向）への分布の様子、さらに採鉱技術が未確立であることもあり、世界的な資源量の評価リスト、例えば、米国地質調査所（USGS）の世界資源量評価の中には含まれていません。その後、SIP海洋プロジェクトでは、別の海域でより有望な海域を見つけ、後述するように精緻な調査と最新のデータ処理により地質モデルを構築し、正確な資源量を見積もっています。

一般に資源量といった場合、調査地域の地質調査（踏査）から始まり、物理探査から有望な地域を絞り込み、試錐調査としてボーリングコアを採取、採取したコア試料の鉱物の種類や対象メタルの含有量を調べるなど、地質調査、物理・電気探査、試錐調査の結果を統合し、鉱床＝鉱石に富んだ岩体の三次元的な形状や鉱床分布のモデル化をした上で鉱石の埋蔵量や含有量を計算し資源量の推定を行います。

図6　（a）海底広域研究船「かいめい」によって海底から引き上げられたジャイアントピストンコアラー　(b) ジャイアントピストンコアラーで採取されたコア試料（１m毎に切断されで、全体で10m弱の長さ）

海洋の場合は、基本的には、陸域のそれに準じた方法を取ることになりますが、水中は光が届かず、電波が通じない暗黒の世界です。このため、踏査による地質調査、物理・電気探査ができませんので、代わりに音波による高解像度音波探索を行うことになります。但し、音波は電波と比べて伝わる速度が著しく遅いので、信号音が水中を伝わるだけでも時間がかかります。例えば、水深5~6,000mでは、洋上の調査船舶から音源を出し海底面から反射し帰ってくるまでに８秒もかかってしまいます。また、調査船舶から発射される音源は広く拡散するので、音波が海底で反射する際には、広がった音波からの反射による位置の誤差が大きくなってしまいます。従って、水深5~6,000mの深い海底を探査するには、船上からの高解像度音波探索では精度が著しく劣ることになります。その為に、SIP海洋プロジェクトでは、海底面に近い深海に測深器を曳航する深海曳航機もしくはAUV（自律型海中ロボット）を導入し、海底面からの高度数十〜200mを保ち、低速で走らせるなどの手法で音響探査を行なっております。実際には、自律型無人探査機（AUV「しんりゅう6000」、図7）を使った音響測器（サブボトムプロファイラー：SBPやサイドスキャンソナー：SSS）を利用した調査を進めています。これまでは調査船に装備されたSBPを用いて、レアアース泥の確認に向けた海底下の地層の調査は行われてきましたが [14]、AUVによる調査は空間分解能＝地層構造の解像度が大きく改善されており、海底面下の地質構造調査技術を高度化した成果です（図8）[15]。

その結果、高精度音響探査データが少なかった初期には、レアアース泥は水平に層をなし均質な厚さで広く分布すると考えられていましたが [16]、実際に得られたデータでは、海底下のレアアース泥の水平方向の広がりは決して均質ではなく凹凸に変化し、ときには、侵食され、海底下のレアアース泥層の深度や層の厚さも側方に複雑に変化することが分かりました。つまり、正確な資源量の把握や開発可能な場所を絞り込むためにも、海底下に分布する泥の層の側方変化を詳細に調べ、多くのピストンコアを採取し確認する必要があることが分かりました。このために、SIP海洋プロジェクトでは、有望海域において高解像度の音響探査を実施するとともに緻密な地点間隔でのピストンコア採取を行なってきました。こうして得られたデータを用いて、産業技術総合研究所、京都大学、高知大学などと共同でレアアース泥の三次元的な形状やレアアースの分布を地球統計学に基づくモデルを構築し正確な資源量の推定にも取り組んでいます。この取り組みに基づき、堆積層の丁寧な分類など堆積構造の解析結果や多くの試料での化学分析の結果を含めてみると南鳥島周辺の海域にはネオジムやジスプロシウムなどの有用な中重希土類に富み、十分に産業的規模の開発ができる資源量があることが確認できました。しかし、具体的な資源量や場所、品位などについての仔細については経済安全保障上の理由で公開を控えております。

レアアース泥開発の課題

レアアース泥の開発における課題の一つには、超深海からどのようにレアアース泥を連続的に採鉱できるのかという採鉱システムがあります。これまでに、JAMSTECの地球深部探査船「ちきゅう」を用いて、レアアース泥採鉱を可能にする技術の研究開発に着手し、既に2022年5月には水深2,470mの地点における実海域試験による海底堆積物の揚泥試験には成功しております [17]。この試験で用いた採鉱装置は南鳥島海域水深約6,000mの海底下に存在するレアアース泥を採鉱することを念頭に設計されたものです。試験に使用する採鉱装置は、当初より環境に配慮した閉鎖系循環方式を採用した設計となっており、一般的に採鉱時に生成する堆積物プルーム（濁り）などの生成は極力抑えられる仕組みとなっています（図9、10）。いよいよ2026年1月に南鳥島の深海底から実際にレアアース泥を採鉱するためのパイプ接続を含めた採鉱システム全体の試験を南鳥島沖で行う予定です。同時に、試験期間には海洋環境への影響を評価するため、SIP海洋プロジェクトによって発行された国際標準（ISO）規格に則った[18]環境影響評価を実施します。環境影響評価については、事前（ベースライン調査）、採鉱試験中及び採鉱試験後の３つの時期にそれぞれ行うことになります。既に最初の採鉱試験前のベースライン調査として、「江戸っ子１号」などを使用した環境モニタリングの事前調査が実施されており、今回の試験では、実際の採鉱機器を動かしながらの環境影響評価の観測となります(図9)。このように、開発技術としての採鉱装置の設計の段階から環境への影響評価について配慮する研究開発を進めると共に、運用においては「環境配慮ガイドライン」の作成・検証や、また、ベースライン調査や採鉱試験中の観測、その後の観測などをしっかりと計画に組み込むなどしながら環境への影響をできる限り少なくできる「環境にやさしい」技術開発と運用の両面での研究開発を進めていきます。

最後になりますが、これまで述べたように、海底探査や環境影響評価などレアアース泥に関わる技術開発は日進月歩であり、科学的な研究開発の成果を利用して、多くの知見がSIP海洋プロジェクトに蓄積してきました。今後さらに技術開発が進むことで社会実装がなされ、より多くの成果がスピンオフされ、産業界にもたらされることが期待されております。