博士（理学）今井 兄 学位論文題名

     博士（理学）今井   兄 学位論文題名

Porphyry Copper‑Gold Deposits of Western Pacific : Genesis, Evolution of Hydrothermal System, and       Island Arc IVIetallogeny

（西太平洋地域の斑岩銅金鉱床：成因、熱水 系のエボリューション、島弧メ夕口ジェニ―）

学位論文内容の要旨

斑 岩 銅鉱 床は 、火 山体 下 の地 下浅 所に 貫 入した含水の中 性〜珪長質マグマから放出 され た 鉱化流体によって生成される 熱水成鉱床である。本研究 では、斑岩銅鉱床における以下 の 問 題に つい て、 西太平洋地 域に分布する諸鉱床を例に 明らかにした。すなわち、1）斑 岩 銅 鉱床 をも たら す貫入岩の 岩石学的特性、2）マグマが 貫入し固結した直後に発達 する 最 も 初期 の熱 水系 、3）冷 却に 伴 い発 達す る浅 熱水 系 ヘ至 るま での 熱水系の進化、 そし て4） 斑岩 銅 鉱床 を生成する 島弧の特性、以上を解明する ため、マレーシア、サバ州 のキ ナ バル山貫入複合岩体に伴われ るマムート鉱床と、フイリ ピン西ルゾン弧の、サントトー マ スII、 レパ ント ファ ー サウ スイ ース ト(FSE)、デ イ ゾン 鉱床 をは じめとする諸鉱 床お よ び ピ ナ ッ ボ 火 山 の1991年 噴 火 の 際 の 噴 出 物 を 対 象 と し て 、本 研究 は 遂行 され た。

  斑 岩銅 鉱床 をも たらすマグ マ／貫入岩は次のような重 要な特徴を示す：1）マグマ は貫 入 時 には 水を 主成 分とする流 体相に飽和、分相していた 、そして2）極めて高い酸化 状態 に おかれていた。そしてこのよ うな状態下ではマグマ中、 およびマグマから分相した水を 主 成分とする流体相中に、硫黄 は酸化種として溶存してい る。含水マグマからの水を主成 分 と する 流体 相の 分相は、1）減圧、すなわちマグマの地 殻浅所への上昇、貫入によ って 飽 和 する 場合 と、2）マグマ の固結、結晶化の進行に伴っ て飽和する場合があるが、 西太 平 洋地域の斑岩銅金鉱床の生成 に関与した鉱化流体の発生 においては前者が重要であり、

貫 入したマグマ柱中を上昇する 流体相によって鉱床構成元 素が移動、濃集する。火山体下 と ぃ う地 殻浅 所で の高温の水 を主成分とする流体相は、 濃厚塩水と希薄気相の不混和 な2 相 流体であるが、このために生 じる濃厚塩水が斑岩銅鉱床 の鉱化流体として決定的に重要 で ある。これは、銅などの親銅 元素、ナトリウムやカリウ ムとぃったアルカリ元素は水を 主 とする流体櫓に5よ、塩素の モル濃度に比例してマグマか ら流体相に分配されるからであ る 。このような、濃厚塩水を含 む、水を主成分とする流体 相の存在、高い酸化度をはじめ と した、マグマと、マグマから 分相した流体相との相互作 用の結果は、さまざまな岩石学 的 、鉱物化学的な特徴により解 析が可能である。すなわち、斑岩銅鉱床を伴う貫入岩では、

鉱 化 作用 を伴 わな いものに比 ぺて、1）角閃石や黒雲母な どの含水マフイック珪酸塩 鉱物 が 高 いXMヨを 持つ （高い酸素 分圧を示す）、2）斑岩の斑 晶角閃石には半樹枝状のト レモ ラ 閃石の縁が発達する（トレモ ラ閃石に対し角閃石圧力計 を応用して見積もられるような 低 圧 のも とで のCa角閃石の出 現のためには固結時に水に 飽和していることを示す）、3）

‑ 69一

斑 晶角閃石の中心部と縁のトレ モラ閃石との間には、シリ カ、アルミニウム含有量におい て 組 成ギ ャッ プが 見ら れる（角閃石圧力計 を応用して急激な圧力低下を 示す）、4）黒雲 母 、燐灰石などの含水鉱物では 水の席を塩素および沸素が 置換している（濃厚塩水の存在 を 示 す） 、5）燐 灰石 では硫黄をある程度含 有するものが存在（マグマ 中に硫黄が酸化種 と し て溶 存し てい るこ とを示す）、そして6）変質作用を蒙っていない 場合でも石基のア ル カリ元素の含有量が高くなっ ている（マグマ柱中を上昇する流体相によるア´レカリ元素 の 移 動、 濃集 を示 す） 。これに対し、鉱化 作用を伴わない岩体では7） 輝石が斑晶ないし 微 斑 晶と して 存在 する （低い水の分圧を示 す）、8）特に鉱化作用後の 貫入岩体では顕著 に 石基がアルカリ元素に枯渇し てアルミナスになっている （流体相によルアルカル元素が 抽 出された残存マグマと解釈さ れる）。

  貫 入し たマ グマ が冷 却 、固 結し 、サ ブ ソリ ダスの環境下に入ると、 濃厚塩水である熱 水 溶液と固結した貫入岩体（お よび周辺の岩石）との間で の相互作用により、熱水変質作 用 と鉱石鉱物の沈殿が引き続い て起こる。斑岩銅鉱床にお いては熟水成黒雲母の生成で特 徴 づけられるカリウム質変質が 、最も重要な、初期の変質 作用であるが、これは、温度低 下 に伴い、岩石と熱水溶液との 間でのアルカリ元素（ナト リウムとカルウム）の分配比の 変 化によって、カリウムが岩石 に付加され、ナトリウムが熱水溶液に分配されることによっ て 生じると考えられる。この貫 入岩体固結直後の初期の熱 水系において沈殿した銅ー鉄硫 化 物を主とする鉱石鉱物の組合 せには、現在観察される黄 銅鉱ではなくて、初生的には中 間 固 溶体 （iss)が 含ま れ てい たと 考え ら れる が、これらの銅ー鉄硫化 物の沈殿が、マグ マ および分相した流体相に酸化 種として存在した硫黄の一 部が還元種に転換することによ り 促 進さ れる こと に起 因する。これは、流 体相中に主としてS02として 存在していた硫黄 が 水和自己酸化還元反応するこ とによって、濃厚塩水から なる熱水中に硫酸根と硫化水素 を 生じるためであると考えられ る。熱水溶液中の鉄の大部 分が熱水中の硫化水素を生じる 以 前に酸化物として沈殿した場 合には、銅ー鉄硫化物鉱物 組合せは現在は主に黄銅鉱十斑 銅 鉱（初生的には1SS+斑銅鉱固 溶体）からなるのに対し、 熟水溶液中の鉄が熱水中の硫化 水 素を生じる以前に酸化物とし て沈殿しない場合には、銅 ー鉄硫化物鉱物組合せは現在は 主 に 黄 銅 鉱 十 磁 硫 鉄 鉱 土 キ ュ ー バ 鉱 （ 初 生 的 に はiss土 磁 硫 鉄 鉱 ） か ら な る 。   斑岩銅鉱床には、しばしば浅 熱水系の鉱化作用が重複す るが、これは多くの場合、硫酸 酸 性／高硫化型の鉱物組合せ、 すなわち黄鉄鉱土硫ひ銅鉱 土輝安鉱などからなり、これを 取 り囲んで、またはブランケッ ト状に覆う累進粘土化（ア ドヴァンストアージリック）変 質 帯をともなっている。硫化鉱 物（および随伴する硫酸塩 鉱物）の硫黄同位体比のシステ マ テイクッスは、高温で生成し た斑岩銅鉱床から重複する 浅熱水系鉱化作用まで、一連の 熱 水系の温度低下によるエボリ ューションで生じたことを 示す。このような重複がみられ る 斑岩銅鉱床では、しばしばダ イアトリーム、角れきパイ プ、そして斑岩銅鉱床全体また は 一部を横断するように裂か群 が発達して、初期に形成さ れた斑岩銅鉱床が大きく破壊さ れ ていることがある。このよう な重複している浅熱水系の 鉱化流体は、流体包有物の観察 結 果によると、気相包有物が非 常に卓越することが多く、 圧カー温度勾配に対して、ガス 圧 が過剰になっていると推定さ れる。これは、斑岩銅鉱床 形成時の熱水系の熱構造が、ダ イ アトリーム、角れきパイプ、 裂か群の発達により破壊さ れることにより、初期の岩圧下 に 近 い 温 度 一 圧 カ か ら 、 静 水 圧 下 の 浅 熟 水 系 へ 移 行 し て い く 過 程 と 考 え ら れ る 。   西ルゾン弧の斑岩銅鉱床は、 マニラ海溝における東向き の沈み込みに由来する含水火成 活 動 に伴 われ て生 成し て いる 。生 成の 年 代は ロボ／ボネン鉱床（10.5土0.4Ma)、サント ニ ー ニ ヨ(9.5土0.3Ma)、 タ イ サ ン(7.3土0.2Ma)、 デ イ ゾ ン(2.5土0.2Ma)、ブ ラッ ク マ ウ ンテ ン(2.1土O.IMa)、サ ント トー マ スII（1.5士0.4Ma)と求められ た。1991年6月に 噴 火したピナツボ火山からの噴 出物のデイサイトは、上述 のような斑岩銅鉱床を形成した 貫 入岩が持つ特徴を有しており 、斑岩銅鉱床生成のポテン シャルを持った現世の火成活動

ー 70―

の例であると推察される。これらの斑岩銅鉱床は約lOMaから現在に至るまで西ルゾン弧 において生成されている、と考えられるが、これら斑岩銅鉱床の列は約lOMaから現世ま で、海溝に対して移動しておらず、火成活動の列で基盤が上昇している。これは斑岩銅鉱 床をもたない島弧で浅熱水鉱床、火成活動が時代とともに海溝側ヘ移動していくこと、火 成活動列において基盤が沈降しているのとは対照的である。斑岩銅鉱床生成のメタロジェ ニーとしては、オブリーク沈み込み、島弧にほぽ並行な横ずれ断層の発達、火成活動列で の基盤の上昇、が挙げられ、地殻浅所に高度に酸化した含水マグマが貫入、定置すること が本質的に重要であると結論される。

‑ 71一

学位論文審査の要旨

学 位 論 文 題 名

Porphyry Copper

―

：

，

，

一

    Island Arc Metallogeny

（ 西 太 平 洋 地 域 の 斑 岩 銅 金 鉱 床 ： 成 因 、 熱 水

系 の エ ボ リ ュ ー シ ョ ン 、 島 弧 メ 夕 口 ジ ェ ニ − ）

  斑岩 銅鉱 床はCu，Au，Moの重 要な 供給 源で あり 、火 山体下の地下濁折に貫入した含水の中 性 〜珪長質マグマから放出された鉱化流体によって生成 される熱水性鉱床である。著者は、斑 岩 銅鉱床における以下の問題について、西太平洋地域に 分布する諸鉱床を例に明らかにした。

す なわ ち、1）斑 岩銅 鉱床 をも たら す貫 入岩 の岩 石学 的特性、2）マグマが貫入し固結した直 後に発達する 最も初期の熱水系、3）冷却 に伴い発達する浅熱水系へ至るまでの熱水系の進化、

そして4）斑岩銅鉱床を生成する島弧の特 性。

  斑岩 銅鉱 床を もた らす マ グマ／貫入岩は次のような重要な特徴を示す：1）マグマは貫入時 に は水 を主 成分 とす る流 体 相に飽和、分相していた。そして2）極めて高い酸化状態におかれ て いた。このような状態下ではマグマ中、およびマグマ から分相した水を主成分とする流体相 中に、硫黄は 酸化種として溶存している。含水マグマからの水を主成分とする流体相の分相は、

1） 減圧 、す なわ ちマ グマ の地 殻浅 所へ の上 昇、 貫入 によって飽和する場合と、2）マグマの 固 結、結晶化の進行に伴って飽和する場合があるが、西 太平洋地域の斑岩銅金鉱床の生成に関 与した鉱化流 体の発生においてiま前者が 重要であり、貫入したマグマ柱中を上昇する流体相に よ って鉱床構成元素が移動、濃集する。火山体下という 地殻浅所での高温の水を主成分とする 流 体相 は、 濃厚 塩水 と希 薄 気相の不混和な2相流体であ るが、このために生じる濃厚塩水が斑 岩 銅鉱 床の 鉱化 流体 とし て 決定 的に 重要 であ る。 これ は、 銅な どの 親銅 元素 、NaやKといっ た アルカリ元素は水を主とする流体相には、塩素のモル 濃度に比例してマグマから流体相に分 配されるから である。

  斑岩 銅鉱 床を 伴う 貫入 岩 は、鉱化作用を伴わないものに比べて、1）角閃石や黒雲母などの 含 水マ フイ ック 珪酸 塩鉱 物 が高 いXMを持 つ（ 高い 酸素 分圧 を示 す） 、2） 斑岩 の斑晶角閃石 には半樹枝状 のトレモラ閃石の縁が発達する（固結時に水に飽和）、3）斑晶角閃石の中´己丶部 と 縁のトレモラ閃石との間には、Si、Al含有量において 組成ギャップが見られる（急激な圧力

三 英

治

舜 忠

大

原 井

枝

石 宇

松

授 授

授

教

教 教

助

査 査

査

主 副

副

低下）、4 ）黒雲母、燐灰石などの含水鉱物では水の席を塩素および沸素が置換している（濃 厚塩水の存在）、5 ）燐灰石は硫黄をある程度含有する（マグマ中の硫黄が酸化種）、6 ）変 質作用を蒙っていない場合でも石基のアルカリ元素の含有量が高い（流体相によるアルカリ元 素の移動、濃集）。これに対し、鉱化作用を伴わない岩体では

）輝石が斑晶ないし微斑晶と して存在する（低い水の分圧）、

）鉱化作用後の貫入岩体では、特に顕著に石基がアルカリ 元素に枯渇してアルミナスになっている（流体相によルアルカリ元素が抽出された残存マグ マ）。

後マグマ期に入ると、濃厚塩水と岩石との反応により熱水変質作用と鉱石鉱物の沈殿が起こ る。カリウム質変質が、最も重要な初期の変質作用であるが、これは、温度低下に伴い、岩石 と熱水溶液との間でのアルカリ元素の分配比の変化によって、K が岩石に付加され、Na が熱 水溶液に分配されて生じる。この時期の銅―鉄硫化物は、中間固溶体(iSs) を含む銅一鉄硫化 物であるが、その沈殿はマグマおよび分相した流体相に酸化種として存在した硫黄の嘲澗 元種に転換することにより促進される。これは、流体相中に主としてS02 として存在していた 硫黄が水和自己酸化還元反応することによって、濃厚塩水からなる熱水中に硫酸根と硫化水素 を生じるためである。熱水溶液中の鉄の大部分が熱水中の硫化水素を生じる以前に酸化物とし て沈殿した場合には、銅ー鉄硫化物鉱物組合せは現在は主に黄銅鉱十斑銅鉱（初生的にはis s+

斑銅鉱固溶体）からなるのに対し、熱水溶液中の鉄が熱水中の硫化水素を生じる以前に酸化物 として沈殿しない場合には、銅一鉄硫化物鉱物組合せは現在は主に黄銅鉱墹繃鉄鉱土キュー バ鉱（初生的には1SS 土磁硫鉄鉱）からなる。

上記の初期斑岩銅鉱床には、浅熱水系の鉱化作用が重複するがこれは多くの場合、硫酸酸 性腐硫化型の鉱物組合せ、すなわち黄鉄鉱土硫ひ銅鉱土輝安鉱などからなり、これを取り囲ん で、またはプランケッ卜状に覆う累進粘土化

変質帯をともなう。また、

ダイアトリーム、角れきバイプ、そして斑岩銅鉱床全体または一部を横断するように裂か群が 発達して、初期に形成された斑岩銅鉱床が大きく破壊されている。この重複している浅熱水系 の鉱化流体は、流体包有物の観察結果によると、気相包有物が非常に卓越することが多く、圧 力→温度勾配に対して、ガス圧が過剰になっている。これは、斑岩銅鉱床形成時の熱水系の熱 構造が、ダイアトリーム、角れきバイプ丶裂か群の発達により破壊されることにより、初期の 岩 圧下 に近 い温 度ー圧カから、静水圧下の浅熱水系へ移行していく過程と考えられる。

西ルゾン弧の斑岩銅鉱床は、マニラ海溝における東向きの沈み込みに由来する含水火成活動

に 伴わ れて 生成 している。生成の年代を6 鉱床で求めた(10.5 〜1.5Ma ）。1991 年6 月に噴

火したピナッポ火山からの噴出物のデイサイ卜は、上述のような斑岩銅鉱床を形成した貫7 岩

が持つ特徴を有しており、斑岩銅鉱床生成のポテンシャルを持った現世の火成活動の例である

と推察される。斑岩銅鉱床生成のメ夕口ジ工二ーとしては、オプリーク沈み込み、島弧にほぽ

並行な横ずれ断層の発達、火成活動列での基盤の上昇、が挙げられ、地殻浅所に高度に酸化し

た 含 水 マ グ マ が 貫 入 、 定 置 す る こ と が 本 質 的 に 重 要 で あ る と 結 論 さ れ る 。

本論文は、著者が卒業研究（マムート鉱床）以来12 余年の長きにわたり実施した西太平洋

地域の斑岩型鉱床の研究を集大成したものである。特に造岩鉱物、造鉱鉱物の解析から、その

生成過程を克明に画き、かつ広域的な祝点からもその生成場を考察した。よって著者は、北海

道大学博士（理学）の学位を授与される資格あるものと認める。