JP5875065B2 - 海底熱水鉱物資源の回収方法及び回収システム - Google Patents

Description

本発明は、海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を回収するための方法及びシステムに関する。

戦後から現在に至るまで日本は金属鉱物等の資源が乏しい国という認識の下、必要となる鉱物等は輸入を頼りに経済発展してきた。しかしながら、鉱物産生国による産出制限や価格の高騰等、経済発展に支障をきたす事態がここ数年騒がれている。こういった背景から世界第６位の排他的経済水域（ＥＥＺ）を有し、かつ鉱床の素となる熱水活動域が５０以上ある日本近海の海底資源が俄然注目を集めるようになった。

海底熱水鉱物をはじめとする海底資源にレアメタルやレアアースが豊富に存在するという基礎科学的な成果に基づいた国内海底資源の賦存量把握に向けた国家戦略は重点化されつつある。しかし、海底熱水鉱物を産出する海底熱水活動域を鉱床として開発して資源を採掘し、実用化へ至るまでの過程は、技術開発、採算性、そして環境影響評価といった非常に巨大な問題を抱えているのが実情である。そのため、実際に海底からの資源回収への取り組みはいくつかのベンチャー企業を除いては皆無である。

海底からの資源回収には、海底に特殊な重機器を配置し、かかる重機器による採掘作業及び鉱物を含む岩石・堆積物の海上への運搬といった一連の作業工程が想定されている（非特許文献１参照）。海底から噴出する熱水をパイプで海上の母船に移送することによって海底鉱物を採取する方法も検討されている（特許文献１，２参照）。

特開平５−２５６０８２号公報 特表２０１０−５３４７７７号公報

独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構「ＪＯＧＭＥＣの海底熱水鉱床の開発に向けた取り込みの状況と国際状況」、金属資源レポート、［online］、2011年11月、［平成24年2月7日検索］、インターネット、２９３−２９４頁<URL:http://mric.jogmec.go.jp/public/kogyojoho/2011-11/MRv41n4-01.pdf>

しかし、非特許文献１に記載の重機器による資源回収では、海底における採掘作業による海底及び海中環境への大きな影響が予想される。また、例えば２００ｍ以深の深海底の熱水域からの鉱物資源回収過程は、実用化へのリスクがいまだ極めて大きい。他方、特許文献１，２に記載の採取方法では、熱水を回収及び処理するための母船を海上に停泊させておく必要があり、持続的に海底鉱物資源を回収するには不向きである。

本発明は、深海熱水活動域の海底下に存在し、産業上非常に重要なレアアースやレアメタルをより多く含む鉱物に富むことが明らかとなった熱水溜まりから、鉱物資源を持続的に回収するのに有用であり、かつ海底及び海中環境への影響が十分に小さい回収方法及び回収システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、以下のとおり、従来のものとは大きく異なる画期的な、海底熱水鉱物資源の回収方法及び回収システムを完成させた。

すなわち、本発明に係る回収方法は海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を回収するためのものであり、
（Ａ）海底面から熱水溜まりにまで至る孔を、海底面上のガイドベースを介して掘削した後、ガイドベースを介して当該掘削孔内にケーシングを設置して熱水井を設ける工程と、
（Ｂ）熱水井の坑口を覆うように鉱物養殖器をガイドベース上に設置し、坑口から噴出する熱水を鉱物養殖器上で海水と接触させることにより鉱物養殖器上に鉱物を析出させる工程と、
（Ｃ）鉱物養殖器上に析出した鉱物を鉱物養殖器とともに回収する工程とを備える。

上記回収方法においては、海底下に存在する熱水溜まりからの熱水が直接海底に噴出する熱水井（人工熱水孔）を、ガイドベースを介して設置する。かかる熱水井及びガイドベースは例えば海洋研究開発機構が運用している地球深部探査船「ちきゅう」によって設置できる。熱水井の坑口を覆うように鉱物養殖器を海中に設置することで、鉱物を多く溶かし込む熱水が鉱物養殖器と接触するとともに低温の海水（例えば１〜４℃）と混ざりあうことにより、急激に冷やされる。これにより、鉱物（例えば、黒鉱、硫化金属鉱物）が鉱物養殖器上に析出する。そして、一定期間（例えば、一年程度）にわたって鉱物を鉱物養殖器上に成長させた後、鉱物を鉱物養殖器ととともに回収する。本発明は鉱物資源を鉱物養殖器上に成長させるという観点から、過去の地球活動ならびに生物活動でできた「遺産」を頼りにする「資源鉱床開発」ではなく、資源を新たにつくり出し、採取するという「資源養殖」に関する技術であるということができる。

熱水井を利用する本発明によれば、重機器を使用するものと比較して海底及び海中環境への影響を極めて軽微に留めることが可能であり、また例えば２００ｍ以深の深海底の熱水域からの鉱物資源回収も可能である。更に熱水井からは熱水活動が続く限り、持続的に熱水が噴出し続けるため、本発明によれば海底下の熱水溜まりから鉱物資源を持続的に回収できる。

上記回収方法は、（Ｄ）鉱物及び鉱物養殖器の回収後、熱水井の坑口を覆うように新たな鉱物養殖器をガイドベース上に設置し、坑口から噴出する熱水を当該鉱物養殖器上で海水と接触させることにより当該鉱物養殖器上に鉱物を析出させる工程と、（Ｅ）当該鉱物養殖器上に析出した鉱物を当該鉱物養殖器とともに回収する工程とを更に備えることが好ましい。これにより、資源を新たにつくり出し、採取し、そしてまた新たにつくり出すことができる。（Ｄ）工程及び（Ｅ）工程からなる一連の作業を、例えば一年毎に繰り返し実施する。鉱物養殖器の交換作業が容易となるように、鉱物養殖器はガイドベースに対して着脱自在であることが好ましい。

本発明において、鉱物養殖器として、海底下からの熱水の冷却及び海水との混合を起こしかつ析出した鉱物を保持し得る構造を有するものを採用することができる。鉱物養殖器は担体を有するものが好ましく、より具体的には格子状の容器及び当該容器に収容された担体からなるものを採用し得る。なお、担体としては、多孔質材料からなるものが好ましく、例えば多孔質のセラミックス等や軽石などが挙げられる。鉱物養殖器は、その上面に鉱物を好適に成長させる観点から、水平方向に広がる上面を有することが好ましい。

熱水井を複数設けた場合、それぞれの坑口を覆うように鉱物養殖器を設置してそれぞれの鉱物養殖器に鉱物を析出させた後、複数の当該鉱物養殖器を船で回収するとともに、それぞれの坑口を覆うように新たな鉱物養殖器を設置すればよい。

本発明に係る回収システムは、海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を回収するためのものであり、海底面から熱水溜まりにまで至る掘削孔及び海底面上のガイドベースを介して当該掘削孔内に設置されたケーシングを有する熱水井と、熱水井の坑口を覆うように設置され、坑口から噴出される熱水が接触する鉱物養殖器とを備える。

上記ガイドベースは長さを調節可能な脚を有することが好ましい。かかる構成を採用することにより、海底面が傾斜していたり凹凸があっても海底面上にガイドベースを適正に設置できる。

本発明によれば、海底及び海中環境への影響が十分に小さく、かつ海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を持続的に回収するのに有用な方法及びシステムが提供される。

本発明に係る回収システムの一実施形態を示す断面図である。 本発明に係るシステムの一部である鉱物養殖器上に黒鉱が析出し成長した状態を示す図である。 ガイドベースから鉱物養殖器を外して回収する様子を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。同一又は対応する構成には同一の符合を付し、重複する説明は省略する。

＜海底熱水鉱物資源回収システム＞
海底熱水鉱物資源回収システムの実施形態について詳細に説明する。図１に示す回収システム５０は、海底面Ｆから熱水溜まりＨにまで至る掘削孔１０ａ及びこの掘削孔１０ａ内に設置されたケーシング１０ｂを有する熱水井１０と、熱水井１０の坑口１０ｃを覆うように設置され、坑口１０ｃから噴出される熱水が接触する鉱物養殖器２０と、鉱物養殖器２０を支持するガイドベース３０と、鉱物養殖器２０の回収時に利用される引き上げシステム４０とを備える。

熱水井１０は、海底面Ｆから海底下の熱水溜まりＨにまで至る。熱水井１０は例えば海洋研究開発機構が運用する地球深部探査船「ちきゅう」によって設置できる。熱水井１０の深さは熱水溜まりＨの位置や岩石の硬度、水深等にもよるが３０〜１０００ｍとすることができる。

鉱物養殖器２０は、坑口１０ｃから噴出される熱水を接触させて鉱物を析出させるためのものである。鉱物養殖器２０は格子状の金属製容器２０ａと、容器２０ａに充填された軽石やセラミック等の多孔質材料からなる担体２０ｂとによって構成される。なお、鉱物養殖器２０は当該構成に限定されるものではなく、網目状に担体を重層した構造、あるいはハニカム構造を持たせることにより海底下から上昇してくる熱水の流域を広げ、熱水自体の冷却及び海水との混合を促進し、かつ大きな流体−固体接触表面積を持つものであればよい。かかる鉱物養殖器を採用することにより鉱物養殖器への鉱物の沈殿が促進する。図２は鉱物養殖器２０上に鉱物が成長して複数のチムニーＣが形成された状態を示すものである。チムニーＣを上方に十分に成長させる観点から、鉱物養殖器２０は水平方向に広がる上面２０ｃを有することが好ましい。

鉱物養殖器２０は、図３に示すようにガイドベース３０に対して着脱自在に設けられていることが好ましい。鉱物養殖器２０は、坑口１０ｃを覆うように鉱物養殖器２０を配置したときにケーシング１０ｂの一部が挿入されるパイプ２１と、パイプ２１と鉱物養殖器２０とを連結する拡径部２２とを有する。ケーシング１０ｂからの熱水はパイプ２１及び拡径部２２を通じて鉱物養殖器２０に流入する。鉱物を含む熱水が鉱物養殖器２０と接触するとともに海水と混ざり合って冷やされ、鉱物が鉱物養殖器２０上に析出する。

ガイドベース３０は、掘削の際にドリルビット及びドリリングパイプが「ちきゅう」等の掘削船に対して垂直に挿入できるように設けられるものであり、さらにドリルビットによって掘削された掘削孔にケーシングパイプ１０ｂを挿入し、固定するために海底面Ｆに設置されるものである。掘削及びケーシングパイプ挿入後にこのガイドベース３０上に鉱物養殖器２０を設置する。ガイドベース３０は長さを調節可能な３本の脚３０ａを有している。脚３０ａの長さを調節することで、海底面Ｆの傾斜や凹凸に対してもドリルビット及びドリリングパイプ、さらにはケーシングパイプを掘削船に対して垂直に海底下に挿入できるようになる。ガイドベース３０は、鉱物養殖器２０の拡径部２２に対応して拡径部３２を上部に有する。ガイドベース３０は衝撃や潮流などで鉱物養殖器２０が外れないように、鉱物養殖器２０に対してロック機構を有してもよい。

引き上げシステム４０は、鉱物養殖器２０の回収時に利用するものである。図３に示すように、引き上げシステム４０は、ワイヤ４５によって鉱物養殖器２０を船体に回収できるような仕組みを有する。

＜海底熱水鉱物資源回収方法＞
次に回収システム５０によって鉱物資源を回収する方法について説明する。本実施形態に係る方法は、以下の工程を備える。
（Ａ）海底面Ｆから熱水溜まりＨにまで至る孔１０ａを、海底面Ｆ上のガイドベース３０を介して掘削した後、ガイドベース３０を介して掘削孔１０ａ内にケーシング１０ｂを設置して熱水井１０を設ける工程。
（Ｂ）熱水井１０の坑口１０ｃを覆うように鉱物養殖器２０をガイドベース３０上に設置し、坑口１０ｃから噴出する熱水（図中の矢印参照）を鉱物養殖器２０上で海水と接触させることにより鉱物養殖器２０上に鉱物を析出させる工程。
（Ｃ）鉱物養殖器２０上に析出した鉱物を鉱物養殖器２０とともに回収する工程（図３参照）。

熱水井１０の坑口１０ｃを覆うように鉱物養殖器２０を海中に設置することで、鉱物を含む熱水が鉱物養殖器２０と接触するとともに海水と混ざり合って冷やされ、鉱物が鉱物養殖器２０上に析出する。析出する鉱物は熱水の含有成分にもよるが、例えば、レアメタルやレアアースに富む黒鉱及び硫化金属鉱物などである。一定期間（例えば、１ヶ月から一年程度）にわたって鉱物を鉱物養殖器２０上に成長させた後、鉱物を鉱物養殖器２０ととともに回収する。

上記回収方法によれば、重機器を使用するものと比較して海底及び海中環境への影響を極めて軽微に留めることが可能であり、また例えば２００ｍ以深の深海底の熱水域からの鉱物資源回収も可能である。更に熱水井１０からは熱水活動が続く限り、持続的に熱水が噴出し続けるため、熱水溜まりＨから鉱物資源を持続的に回収できる。

上記回収方法は、以下の工程を更に有してもよい。
（Ｄ）鉱物及び鉱物養殖器２０の回収後、熱水井１０の坑口１０ｃを覆うように新たな鉱物養殖器をガイドベース３０上に設置し、坑口１０ｃから噴出する熱水を当該鉱物養殖器上で海水と接触させることにより当該鉱物養殖器上に鉱物を析出させる工程。
（Ｅ）当該鉱物養殖器上に析出した鉱物を当該鉱物養殖器とともに回収する工程。

（Ｄ）工程及び（Ｅ）工程からなる一連の作業を、例えば一年毎に繰り返し実施する。鉱物養殖器２０の交換作業が容易となるように、鉱物養殖器２０はガイドベース３０に対して着脱自在であることが好ましい。かかる作業を実施することにより、資源を新たにつくり出し、採取し、そしてまた新たにつくり出すことができる。なお、熱水井１０を複数設けた場合、それぞれの坑口１０ｃを覆うように鉱物養殖器２０を設置してそれぞれの鉱物養殖器２０に鉱物を析出させた後、複数の当該鉱物養殖器２０を船で回収するとともに、それぞれの坑口を覆うように新たな鉱物養殖器２０を設置すればよい。

本実施形態に係る回収方法及び回収システムによれば、海底及び海中環境への影響を十分に小さくすることができる。また、本実施形態によれば、海底下の熱水溜まりＨから鉱物資源を持続的に回収できるので、鉱物を生成している間、回収船を海上に停泊させなくてもよい。

本発明者らは、自然熱水孔の付近に形成されたチムニー（自然熱水孔チムニー）、及び、掘削作業によって人工的に設けられた熱水井の付近に形成されたチムニー（人工熱水孔チムニー）を沖縄トラフの海底から採取し、両者の元素組成を比較した。結果は以下の表１のとおりであった。また、本発明者らの沖縄海底における継続的な観察によると、自然熱水孔に形成されるチムニーと比較して人工熱水孔に形成されるチムニーは成長が著しく速いことが判明している。

本発明によれば、海底及び海中環境への影響を十分に小さくでき、かつ海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を持続的に回収することが可能となる。

１０…熱水井、１０ａ…掘削孔、１０ｂ…ケーシング、１０ｃ…坑口、２０…鉱物養殖器、２０ａ…容器、２０ｂ…担体、３０…ガイドベース、４０…引き上げシステム、５０…回収システム、Ｃ…チムニー、Ｆ…海底面、Ｈ…熱水溜まり。

Claims (15)

1. 海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を回収するための回収方法であって、
   （Ａ）海底面から前記熱水溜まりにまで至る孔を、海底面上のガイドベースを介して掘削した後、前記ガイドベースを介して当該掘削孔内にケーシングを設置して熱水井を設ける工程と、
   （Ｂ）前記熱水井の坑口を覆うように鉱物養殖器を前記ガイドベース上に設置し、前記坑口から噴出する熱水を前記鉱物養殖器上で海水と接触させることにより前記鉱物養殖器上に鉱物を析出させる工程と、
   （Ｃ）前記鉱物養殖器上に析出した鉱物を前記鉱物養殖器とともに回収する工程と、
   を備える回収方法。
2. （Ｄ）鉱物及び鉱物養殖器の回収後、前記熱水井の坑口を覆うように新たな鉱物養殖器を前記ガイドベース上に設置し、前記坑口から噴出する熱水を当該鉱物養殖器上で海水と接触させることにより当該鉱物養殖器上に鉱物を析出させる工程と、
   （Ｅ）当該鉱物養殖器上に析出した鉱物を当該鉱物養殖器とともに回収する工程と、
   を更に備える、請求項１に記載の回収方法。
3. （Ｄ）工程及び（Ｅ）工程からなる一連の作業を繰り返し実施する、請求項２に記載の回収方法。
4. 前記鉱物養殖器は前記ガイドベースに対して着脱自在である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回収方法。
5. 前記鉱物養殖器は、海底下からの熱水の冷却及び海水との混合を起こしかつ析出した鉱物を保持し得る構造を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回収方法。
6. 前記鉱物養殖器は担体を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回収方法。
7. 前記鉱物養殖器は水平方向に広がる上面を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回収方法。
8. 前記熱水井を複数設け、それぞれの坑口を覆うように鉱物養殖器を設置してそれぞれの鉱物養殖器に鉱物を析出させた後、複数の当該鉱物養殖器を船で回収するとともに、それぞれの坑口を覆うように新たな鉱物養殖器を設置する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の回収方法。
9. 海底下に存在する熱水溜まりから鉱物資源を回収するための回収システムであって、
   海底面から前記熱水溜まりにまで至る掘削孔及び海底面上のガイドベースを介して当該掘削孔内に設置されたケーシングを有する熱水井と、
   前記熱水井の坑口を覆うように設置され、前記坑口から噴出される熱水が接触する鉱物養殖器と、
   を備える回収システム。
10. 前記鉱物養殖器は前記ガイドベースに対して着脱自在である、請求項９に記載の回収システム。
11. 前記鉱物養殖器は、海底下からの熱水の冷却及び海水との混合を起こしかつ析出した鉱物を保持し得る構造を有する、請求項９又は１０に記載の回収システム。
12. 前記鉱物養殖器は担体を有する、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の回収システム。
13. 前記鉱物養殖器は水平方向に広がる上面を有する、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の回収システム。
14. 前記鉱物養殖器は、格子状の容器及び当該容器に収容された担体からなる、請求項９〜１３のいずれか一項に記載の回収システム。
15. 前記ガイドベースは長さを調節可能な脚を有する、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の回収システム。

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