地質ニュｰス564号,6‑15頁,2001年8月
獨楴獵湯杵㈰豊羽鉱床とプレｰト㊥テクトニクス渡辺寧1)て｡はじめに私が地質調査所に採用されたのは今から16年前の1985年のことです.当時の配属先である北海道支所鉱床課は課長1人,課員1人の最小限の人員でした.予算も年間20万円程度の経常研究費しかなかったため,北海道内といえどもおいそれとは出張できない有様でした.鉱床学について何の知識もなかった私は,配属になった6月以降,さしたる目的もなく豊平川沿いのルｰトマッピングを始めました.札幌市内なら日帰りで調査できるからです.
朝8時半に庁舎を出て,2,000分の1のスケｰルでルｰトマップを作り,夕方5時頃に帰庁し,夜は課
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ノ札幌市街
△手稲山
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第1図葦羽鉱山位置図.
長とともにススキノに出勤するという生活でした.
学生時代に堆積岩を見慣れていた私は,来る日も来る日もプロピライト変質を受けた安山岩類を見る羽目になりました.そしてついにその年の9月に豊平川支流の自井川源流部にたどり着きました(第1図).そこでは安山岩溶岩の中に幅数｡mから10cmの方鉛鉱と閃亜鉛鉱を含む石英脈が多数含まれていました.珍しいものを見つけて,喜んでスケッチし,サンプルを取り,川から上がろうとすると,巨大なコンクリｰトの壁が待ち構えていました.
豊中鉱山にたどり着いていたのです.それまで豊羽鉱山が白井川の上流にあることは知っていても,沢の中ばかりを歩いていた私は,自分の見ている岩石が鉱床とどういう関係にあるか気にもしていませんでした.その時に受けた｢どうしてこんな平凡な地層の中に金属元素に富む鉱脈が突然現れるのか｣という印象は未だに強く残っています.私はこの最初の体験のために｢なぜそこに鉱床があるのかP｣という問題に興味を持つようになりました.
2｡豊羽鉱床の特徴
さて札幌市の片隅にあるこの豊羽鉱床(第1図)は,日本を代表する鉛･亜鉛鉱脈鉱床で,金属生産量(亜鉛1,800,000トン,鉛490,000トン;Ohta,2001)ではスカルン型の神岡鉱床と日本一二を競っています.銀の生産量(3,000トン)では紛れもなく日本一です.しかしながら,この鉱床が世界的な鉱床であることを知っている人はそれほど多くはないのではないでしょうか.この鉱床の特徴は,鉱石中にインジウムを多く含むことです.インジウムについては世界生産･埋蔵量の正確なデｰタベｰスはありませんが,埋蔵量,生産量ともに世界一である
1)産総研地圏資源環境研究部門
キｰワｰド:豊羽鉱床,プレｰトテクトニクス,西南北海道,応力場,マグマｰ熱水系,無意根火山
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豊羽鉱床とプレｰト･テクトニクス
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ことは間違いなく,この鉱山から生産されるインジウムのおかげで､日本は世界の中でトップクラスのインジウム生産国一消費国となっています(資源エネルギｰ庁,2000).インジウムは,かつてはメッキや合金の材料として使われてきましたが,酸化物になると透明性と導電性があるため,現在ではパソコンやテレビの液晶ディスプレイなど先端産業にも使われています.
豊羽鉱床の鉱石からインジウムが発見されたのはそう古いことではありません.豊羽鉱床はもともと典型的な方鉛鉱と閃亜鉛鉱を主体とする浅熱水性鉱脈鉱床で,銀を伴うことで知られていました.
ところが鉱床の開発が南東方向に進んで行くにつれて,様々な鉱物が発見されるようになりました.
豊羽の鉱石から初めて錫鉱物を発見したのは,私の課長であった矢島さんで(矢島,1977),｢豊羽鉱｣という錫を含む新鉱物(Ag2FeSn3S8)を記載しています(Yajimaeta五,!991).錫の発見に続いて,インジウム鉱物の存在が太田さんにより報告されました(太田,1980).錫･インジウムとともに黄銅鉱の卓越する部分の発見(吉江ほか,1986),タングス
テン,コバルト,ニッケル,ビスマス,セレン,テルル,ガリウム,バナジウム鉱物の発見により,豊羽鉱床は単なる鉛一亜鉛鉱床ではなく,参金属鉱床の性格を持つことが明らかにされました(0hta,1991).
また鉱化作用をもたらした熱水の温度も,流体包有物の充填温度の検討から約200‑300℃と見積もられていましたが(YajimaandOhta,1979),鉱床の南部では鉱石鉱物の組み合わせと化学組成より,最高で350‑400℃の温度に達していたことが推定されており(Ohta,1991),普通の浅熱水性鉱床の枠には収まらない鉱床であることも判明しました.
もう一つの大きな特徴は鉱化作用が鮮新世〜更新世という地質学的に若い時期に,しかも250万年という長期間にわたって起こっていることです(Sawaie亡a1.,1989).坑内に入られた方は身をもって経験されたと思いますが,鉱床の南東部では未だに岩盤温度が200℃に達しようかという熱さです､この長期間にわたる鉱化作用のおかげで,豊羽鉱床は非常に複雑な形成史をもつに至り,プレｰト･テクトニクスのダイナミズムを肌で感じることのできる鉱床となったわけです.
3.一豊羽鉱床の裂かの形成機構
豊羽鉱床の鉱脈は東西,北西一南東,南北等の走向を示す断層中に胚胎しています(第2図).鉱脈の形成時期は前期と後期の2期に分けられ,後期の鉱脈が前期の鉱脈を切って変位させています(阿古目･原口,1967).この断層系がどのようにして形成したかについては,次の3つの考えが提案されていました.
①右横ずれ断層モデル:北西一南東方向の鉱脈群が東西方向に雁行配列することから,これらの裂かは東西方向の右横ずれ断層運動により形成された(阿古目･原口,1967).
②マグマ貫入モデル:豊羽鉱床を含むこの地域の鉱床は,定山渓に分布する石英藪岩を中心とし,貫入岩の近傍に銅･鉛･亜鉛鉱床が,その外側に金･銀鉱床が分布する.豊羽鉱床の鉱脈はこの石英斑岩が貫入した際にできた割れ目に胚胎した(岡部･番場,1976).
③地域的陥没モデル:豊羽鉱床近傍に分布する中新世の流紋岩や安山岩が貫入･噴出した際に,鉱床地域の隆起や陥没運動が繰り返され,その時にできた正断層に,後に熱水が流れ鉱脈となった(宮島ほか,1971;桑原はか,工983).
私はこれらのモデルを再検討し,豊羽鉱床の鉱脈群は右横ずれ断層がステップオｰバｰする一種のブル･アパｰト堆積盆(写真1)に形成されたと考えました.この説では､断層に沿っての右横ずれ変位と正断層変位が同時に説明できます.そして,この右横ずれ運動は,太平洋フレｰトが千島弧に対して斜めに沈み込んだために生じ,鮮新世にその断層運動が東北日本弧の延長である西南北海道にまで及んだためと考えました(Watanabe,1990a).
豊羽鉱床が日本で最大の鉛･亜鉛鉱脈鉱床になったのは,まさにこの断層帯に位置したためです.しかしこのアイデアでは,なぜ鉱化作用が前期と後期の2時期に分けられ,それぞれ異なる性質の鉱脈を形成したかを説明しません.
その頃,札幌市内の主要な沢を調査し終えた私は,やはり日帰りで札幌近郊の山の調査をしていました.一日のうちに神威岳と空沼岳の2つの山に登り,山頂に露出する安山岩の採取をしたこともあり2001年8月号

一8一
渡辺寧
礼文
第2礼文
長門
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第2図豊羽鉱山鉱脈分布図(豊羽鉱山株式会社概要より).
ます.それらの試料の年代測定をしたところ,面白いことがわかりました.札幌周辺地域では鮮新世から第四紀に安山岩質火山が北西一南東方向に火山列を形成しており,年代によって微妙にその角度が変わることです.この火山列や岩脈の年代による方向の変化はハワイ海山列の方向のゆらぎ(Jacksone亡∂五,1975)とほぼ一致します(第3図;
渡辺,1993a,b).このことは,太平洋フレｰトの移動方向の変化に対応して,西南北海道では水平面内での圧縮応力軸の方位が変化し､マグマを地表に供給した岩脈の方向が変化したことを示唆しま
写真1右横ずれ断層に伴うプル･アパｰトの例(米国サンアンドレアス断層系).プル･アパｰト部では主断層の右横ずれ変位に伴い空隙が形成され,中心部が陥没している.
す.これによると約3〜1.5MaにはN60〜8ポW方向の水平圧縮主応力が約1.2MaにはN300W方向に変化していたことになります.
豊羽鉱床の代表的前期脈である但馬･播磨びが2.9‑1.6Maに,代表的後期脈の出雲びが1.8‑0.5Maに形成されていること(Sawaie亡∂五,1989)と,それぞれの鉱脈に認められる横ずれ変位のセンスから,豊羽鉱床の前期脈･後期脈を胚胎する
裂かは,それぞれの形成時期の広域応力場に対応するN6ポW,N30.Wの水平方向の最大圧縮主応力場で形成されたと考えられます(第4図;
WatanabeandOhta,1995)､
この結果は鉱脈鉱床の形成に関して重要な示唆を含んでいます.豊羽鉱床の後期の鉱液は,過去(前期)に形成された岩盤の割れ目にはほとんど流れておらず,鉱液が上昇する際に活動的な断層のみを通路として利用するということです.このことは断層の活動(地震)に伴って地下深部から鉱液が供給されるとするSibson(1987)の意見を支持します.こうして豊羽鉱床の鉱脈裂かの成因はひとまず解決したように見えます.しかしながら,なぜ豊羽鉱床の前期と後期の鉱化作用で鉱液から沈澱する金属元素の種類が変わったのか,なぜ世界最大級のインジウム鉱床になり得たのか,という難問が残っています.
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百万年収東速度(mm/年)岩脈パタｰン火山岩分布面積主要鉱床の60km21百万年)500鉱化年代

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藻岩火山
11(山岸'腫辺･1986);
N30.N50.N70.N9ぴW0200400
太平洋プレｰトの(km7百万年)
沈み込み方位噴出率(広瀬ほか,2000)
第3図推定される太平洋プレｰトの沈み込みの方向および島弧直交方向での収束速度,札幌周辺地域での火山列の方位,火山噴出物の量,複成火山の岩脈方位分布,主要鉱床の形成時期(Watanabe,投稿中).火山列の名称はIS:石倉山一島松山,SI:積丹岳一漁岳,NY:ニセコｰ羊蹄,ST:札幌岳一樽前山(渡辺,1993b).火山岩の噴出率の見積もりは西南北海道全体について求められたもので(広瀬ほか,2000),鮮新世を一括している.火山岩分布面積は札幌一岩内地域について計算したもの(Watanabe,投稿中)で両者の挙動はほぼ一致している.中新世後期の火山岩については,鮮新世,第四紀の火山岩に広く覆われているため,いずれの計算においても実際の噴出率よりもかなり小さく見積もられている.
圧縮応力
前期鉱化作用疹㈮､､璽
圧縮応力､ぺ1擬ノ■11km＼
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第4図
N6ぴW,N30.W方向の圧縮応力の下で形成される横ずれ断層(上)と豊羽鉱床での前期･後期鉱化作用の生じた鉱脈系(太線)と横ずれのセンス(下).
̲WatanabeandOhta(1995)原図.
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渡辺寧4｡豊羽鉱床の前期｡後期鉱化作用
豊羽鉱床の鉱化作用が前期と後期に分けられる
ことは,鉱脈同士の切断関係からわかっていましたが(阿古目･原口,1967),鉱化作用の性質も大きく異なることを明らかにしたのは矢島･太田両氏の一連の研究です(YajimaandOhta,1979;太田,1980;Ohta,1991).前期に形成された鉱石鉱物
は閃亜鉛鉱･方鉛鉱･黄鉄鉱･赤鉄鉱･菱マンガン鉱ですが,後期にはこれらに加えて,磁硫鉄鉱･黄銅鉱･硫砒鉄鉱･錫石･黄錫鉱･コバルト鉱物･ビスマス鉱物･砒四面銅鉱･四面銅鉱･銀硫塩物等が認められます(Ohta,1991).インジウム鉱物や稀土類鉱物も後期の鉱石に含まれます.
鉱石鉱物の共生関係から,前期の鉱液は後期に比べてより硫黄分圧が高く,磁鉄鉱系列の花開岩類,後期の鉱液はチタン鉄鉱系列の花闇岩類を起源とする鉱液の組成変化に対応することが明らかにされました(第5図;Ohta,1991).このことは,前期はより酸化的,後期はより還元的な熱水から鉱石鉱物が沈澱したことを意味します.Ohta(1991)によると,磁鉄鉱系列の花筒岩質マグマが無意根山下部に貫入し,前期鉱化作用
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温度(oC)
第5図温度一硫黄分圧相関図(Ohta,ユ991原図).
を引き起こしましたが,後期に貫入した花商岩質マグマは,貫入深度がより浅く,豊羽地域に広く分布する砂岩･泥岩層(薄別層)を取り込んだため還元され,部分的にチタン鉄鉱系列の組成を持つようになったと推定しています.後期鉱化作用を特徴づける錫は,還元されたマグマに濃集することから,局所的に形成されたチタン鉄鉱系列のマグマから分別した熱水に錫やインジウムが濃集し,この熱水が天水と混合する場で,鉱石を沈澱したと推定されています(第6図).
南無意根山
酸性変質帯VVV
豊羽鉱床
錫一多金属脈鉛一亜鉛爬北､チ多ン鉄鉱系列マ.､｡･:榊x:::甘'HW｡':･:1:･:1:･:::･::･柵jBi･1｡･S･
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磁鉄鉱系列マグマ

鍵第6図
無意根一豊羽火山熱水系断面図(Ohta,1995を改変).
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5.マグマｰ熱水系の中の豊羽鉱床
その後,私はつくばに転勤し,札幌市内を日帰り調査する事もなくなったため,しばらく豊羽鉱床の研究から遠ざかっていました.ところが,1995年に金属鉱業事業団の依頼で倶知安町近くの熱水変質帯の調査をしていた時のことです.夕方宿に帰って食事していると,テレビのロｰカルニュｰスで,京極町のある沼にイワナが大量に生息しているとの報道していました.この放送では釣り人が殺到するのを避けるために詳しい場所は知らされませんでしたが,早速手持ちの地形図で位置を調べました.そしてこの沼に相当する場所は恐らく無意根山(写真2;第1図)西方の小沼に違いないと見当をつけました.
それからしばらくこの沼が気になっていました.というのは豊羽鉱床の鉱化開始の時期が無意根山溶岩の噴出年代とほぼ一致することから,無意根山を形成した安山岩マグマ活動が豊羽鉱床の鉱化作用をもたらしたと論文で書いていたからです(Watanabe,1990b).無意根山の火山体やそれに伴う熱水系を正確に復元できれば,これまで単体として扱われてきた豊羽鉱床の鉱化作用をより大きな火山の活動史(マグマｰ熱水系)の中で位置付けられます.ひょっとすると前期と後期の鉱化作用がなぜ起こったのか,もっとうまく説明できるかもしれません.
写真2札幌市最肩峰(標高1,461m)無意根山(東方から望む).火山体は後の山体崩壊により,成層火山の形態を示さない.
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その年の秋にこの小沼を訪ねてみました.この沼は無意根山溶岩の西端にあり,円形に近い形態をしていました(写真3).魚影は既にありませんでしたが,湖の周辺には火山岩片からなる湖成堆積物が分布していました｡これを見て私は胸を躍らせました｡これは火山の爆裂孔に違いなく,小さなカルデラ湖があった証拠になるからです.注意深
く沼の縁を調査したところ,安山岩溶岩が熱水変質を蒙り白色化した部分があり,明讐石やクリストバライト,カオリナイトからなる変質岩に黄鉄鉱･辰砂が鉱染しているのが見つかりました.まぎれもな
く蒸気が上昇した通路です.そして地形図に調査地点の場所を書きこんで改めて驚きました.この小沼は札幌市から見ると無意根山の反対側にあり,ここに到達するには中山峠を越え,車で2‑3時間もかかるのですが,豊羽鉱床の南端から水平距離で2‑3kmしか離れていないからです.地質調査所に帰り,早速このことを報告し,翌年からは大掛かりな調査隊が組織されました.資源エネルギｰ庁
鉱業課,金属鉱業事業団の賛同もあり,鉱床探査プロジェクト選定調査の一部｢北海道南部地域無意根山地区｣として立ち上がることとなったのです(通商産業省,1997,1づ98).
その後の調査で,小沼と同様の酸性変質帯は無意根山の西側だけでなく,東側,北側にも発見され(写真4;第7図a),またその外側には地すべりを伴うスメクタイト変質帯が広がっていることが確認されました(通商産業省,1998).岩石,変質岩の鉱物組成･化学組成,流体包有物,安定同位写真3小沼:無意根火山西側に形成された熱水爆裂口.

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渡辺寧
写真4無意根山の東側に広がる酸性変質帯.クリストバ
ライト･ディッカイトからなる.
体,年代のデｰタも蓄積されてきました.これらをもとに,太田さんや私は豊羽鉱床南東側の地熱地帯〜無意根山の下部にマグマの貫入があり,そこから蒸気は直上に上昇して酸性変質帯を作り,鉱液は北方に流れ鉱化作用を起こしたというモデルを現在考えています(第6図).
6｡火山活動･広域応力場と鉱化作用
西南北海道の札幌から岩内にかけての地域には,数多くの安山岩からなる火山が分布し,熱水性鉱床が火山体の近傍に伴われています(渡辺,2000).しかし,その中でも経済的に採掘された鉱床は一握りしかありません.特に中新世後期には多くの火山が形成されているにもかかわらず,それらの火山には経済的に採掘できる規模と品位を持った鉱床は全くと言っていいほどありません.一方,鮮新世の火山体には豊羽鉱床のほか,かつて採掘が行われた手稲･轟･千歳金鉱床,稲倉石･大江
マンカンｰ鉛一亜鉛鉱床が伴われています.
この違いは何に起因するのでしょうか?一つの鍵は火山活動と鉱化作用の時間的関係にあるように思えます.豊羽鉱床のように経済的を鉱床を合むマグマｰ熱水系では,火山活動と鉱化作用の時期にずれが見られます(第7図b).阿女鱒岳火山に伴われる轟鉱床や天狗岳火山に伴われる稲倉石一大江鉱床は,いずれも火山岩噴出後50万年一100万年後にまで鉱化作用が続いています.手稲火山では,奥手稲火山と手稲火山での溶岩の噴出の合間に手稲鉱床の鉱化作用が起こっています.
そして,無意根火山では,溶岩噴出後250万年の長期にわたり豊羽での鉱化熱水作用が続いています(第7図b).一方,小樽にある赤岩火山(第1図)や積丹半島突端の積丹岳火山では,溶岩の噴出と鉱化一勲水活動がほぼ同時期に生じていますが,これらの火山に伴う鉱徴地は採掘するに足る鉱石の量･品位がありません.
JeffHedenquist氏によるニュｰジｰランドの安山岩質活火山,ホワイト島の研究は,非経済的なマグマｰ熱水系がどうして形成するのかの手がかりを与えてくれます.ホワイト島の中央火口から放出される高温(>850℃)の噴気に合ま牟るアエルゾルには,1,000年あたりで10万トンの銅と36トンの金が含まれていることが明らかになっています(Heden‑quistθf∂五,1993;第8図).この噴気活動は少な
くとも1万年間続いたと考えられていますから(GiggenbachandGlasby,1977),合計で少なくとも100万トンの鋼と360トンの金が空中に放出された計算になります.この銅量は別子や足尾鉱山の生産量を上回り,金量としては,菱刈鉱山の埋蔵量を上回ります.一方,ホワイト島で温泉水により運搬され沈澱した銅量は1万年あたり2万トンと見積もられています(Hed㎝quistefa五,1993).これはこの火山から空中に放出された銅量と比べると桁違いに少ない量です.
ホワイト島では,マグマが地表から1kmよりも浅い深度にまで上がってきているために,高温の金属元素に富む蒸気が直接空中に放出されていますが(第8図),鉱床を作るためには,この蒸気が地下を循環している天水に吸収され,鉱化溶液を作る必要があります(HedenquistandLowenstem,1994).そのためには,火山体下部に上昇してきたマグマは地表からある程度の深さのところ(2‑3km以深)で留まり,なおかつマグマから分別した金属元素を含む熱水が地中に留まる必要があります.
マグマが地表に噴出するような環境では,鉱床の形成を望むべくもありません.このため溶岩の噴出時期とほぼ同時に形成された鉱化一熱水系に経済的な鉱床が伴われないと思われます.それではどういう条件の時にマグマは適切な深度に貫入してくれるのでしょうか?
マグマは,地下のマグマ溜まりの圧力が,周囲の岩石の静岩圧よりも岩石の引張強度の分だけ大地質ニュｰス564号

豊羽鉱床とプレｰト･テクトニクス
一13一
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渡辺寧
噴気>850.C10個tCu,360tAu(1万年)
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酸性温泉10tCu､彼｡｡｡､
第8図ホワイト島の火山熱水系の模式断面図(渡辺,きくなれば,マグマ上部の岩石を破壊して噴出します.マグマ溜まりの圧力は,テクトニック応力,マグマの供給量と噴出量に関係しています(Fujii,1983).マグマの供給量が同じ条件では,テクトニック応力の大きい所の方がマグマは噴出しにくくなります.
札幌周辺地域では,このテクトニック応力の大きさは太平洋プレｰトと東北日本弧とのプレｰトの収束速度に関係していると考えています.中新世後期にはこの収束速度は90‑100mm/年であったのが,鮮新世には100mm/年よりも大きくなっています(第3図).中新世後期には安山岩複成火山に伴われる岩脈はほぼ放射状に分布するのに対し,鮮新世のものは西北西一東南東方向に卓越しています.このことは島弧直交方向の水平応力が鮮新世に相対的に強まったことを示します.またプレｰト収束速度の最も大きくなった時期(3.6‑1.5Ma)には火山噴出物の量(ここでは火山岩分布面積で代用します)が低下する傾向が見られます.これらのことはプレｰト収束速度のわずかな増加に伴い,鮮新世に応力場がより圧縮的になったことを示唆します.それに伴い,地殻浅部に上昇してきたマグマが噴出することなく貫入岩となり,熱水を周囲の岩石の割れ目に沿って放出する機会が増えたと考えられます.
一方,島弧横断方向と島弧に平行な方向での応力の差が大きくなることにより,鉱脈形成の場となる横ずれ断層が中新世後期に比べ形成しやすくなったと考えられます.鮮新世に経済的な鉱脈鉱床が集中して形成されたことは(第3図),この応力場の変化に良く対応しており,その中でも豊羽鉱床は最も成功したものであると言えます.鮮新世の末期から島弧直交方向のプレｰト収束速度は急激に減少しており,このことが豊羽鉱床での前期と後期の鉱化作用をもたらしたマグマの貫入深度に影響を与え,結果として鉱化作用の性質を大きく変えることになったのかもしれません.
7｡おわりにこれまで私を含めて多くの人が広大な熱水変質帯を見て,優勢な鉱床発見の期待に胸を躍らせ,結果的には苦渋を味わってきました.しかし,あたり前のことですが,すべてのマグマｰ熱水系に鉱床が伴われる訳ではありません.一つの金属鉱床の形成も深くプレｰトテクトニクスに関連しており,沈み込むプレｰトの微妙な角度や収束速度の変化により,経済的な鉱床が形成されたり,されなかったりします.火山帯でのテクトニクスをきちんと理解すれば,どのマグマｰ熱水系に経済的な鉱床が伴われるのか前もって予想をたてることが可能となり,鉱床探査の効率を向上させることが出来ることでしよう.
謝辞1産総研須藤定久博士には日本の鉱床の金属生産量について教えていただき,清水日奈子さんには一部の図面を作成して頂きました.ここに感謝の意を表します.
引用文献
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学組成から見た東北日本弧北端の島弧火成活動の変遷.地質
地質ニュｰス564号

豊羽鉱床とプレｰト･テクトニクス
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