鉱石生成

表層プロセスとは、一般的に環境の作用によって、風化層内に鉱石物質が濃縮される物理的および化学的現象のことです。これには、漂砂鉱床、ラテライト鉱床、残積鉱床または溶脱鉱床が含まれます。 表層鉱床の鉱石形成プロセスには、次のものが含まれます。

• 非鉱石物質の浸食。
• 堆積作用による堆積。これには、選別作用や密度分離（例：砂金鉱床）が含まれる。
• 岩石の酸化または化学的攻撃による風化は、岩石の破片を放出したり、化学的に沈着した粘土、ラテライト、または二次富化物を生成する。
• 海岸環境における低エネルギー環境での堆積。
• 堆積性噴出性堆積物（SEDEX）は、金属を含む塩水から海底に形成される。

鉄鉱石の大部分は、縞状鉄鉱層（BIF）と呼ばれる古代の堆積物から産出される。これらの堆積物は、海底に堆積した酸化鉄鉱物で構成されている。これらの鉱床を形成するには、原生代における酸性で酸素の少ない大気など、海水中に十分な量の鉄が運ばれるという特殊な環境条件が必要となる。

多くの場合、通常の磁鉄鉱鉱物をより加工しやすい赤鉄鉱に変換するには、より最近の風化作用が必要となる。西オーストラリア州ピルバラ地方にある鉄鉱床の中には、砂鉱床と呼ばれる赤鉄鉱の砂礫が堆積して形成されたチャネル鉄鉱床であるものもある。これらは採掘コストが安いため好まれる。

鉛・亜鉛鉱床は一般的に銀を伴い、銀は硫化鉛鉱物である方鉛鉱、または硫化亜鉛鉱物である閃亜鉛鉱の中に含まれている。

鉛および亜鉛鉱床は、深層堆積塩水が海底に噴出することによって形成される（堆積性噴出型鉱床、 SEDEXと呼ばれる）、またはスカルン鉱床中の石灰岩が置換されることによって形成される。スカルン鉱床の中には、海底火山に関連するもの（火山性塊状硫化物鉱床、VMSと呼ばれる）や、花崗岩の準火山貫入岩体の変成帯に存在するものもある。SEDEX型の鉛および亜鉛鉱床の大部分は原生代に形成されたものであるが、カナダとアラスカにはジュラ紀の重要な例も存在する。

炭酸塩置換型鉱床の代表例として、ミシシッピ渓谷型（MVT）鉱床が挙げられる。MVTおよび類似の鉱床は、炭酸塩層が炭化水素によって置換・劣化されることで形成され、これらの炭化水素は鉛の輸送に重要な役割を果たしていると考えられている。

金鉱床は、非常に多様な地質学的プロセスを経て形成されます。鉱床は、一次鉱床、沖積鉱床（砂鉱床）、残積鉱床（ラテライト鉱床）に分類されます。多くの場合、一つの鉱床にはこれら3種類の鉱石が混在しています。

プレートテクトニクスは、金鉱床を生成する根本的なメカニズムである。主要な金鉱床の大部分は、鉱脈型金鉱床と貫入岩関連鉱床の2つの主要なカテゴリーに分類される。

鉱脈型金鉱床（造山性金鉱床とも呼ばれる）は、一般的に高品位で、鉱脈が薄く、断層や鉱脈中に存在します。これらは主に、鉱脈または鉱脈鉱床とも呼ばれる石英脈で構成されており、自然金、硫化金、テルル化金を含んでいます。鉱脈型金鉱床は通常、玄武岩またはタービダイトと呼ばれる堆積岩中に存在しますが、断層内にある場合は、花崗岩などの貫入火成岩中に存在することもあります。

鉱脈型金鉱床は、地質史における造山運動やその他のプレート衝突現象と密接に関連している。ほとんどの鉱脈型金鉱床は、変成作用中の玄武岩の脱水によって変成岩から生成されたと考えられている。金は熱水によって断層に沿って運ばれ、水が冷えすぎて金が溶解状態を維持できなくなると沈殿する。

貫入岩関連金鉱床（Lang & Baker、2001）は、一般的に花崗岩、斑岩、まれに岩脈中に胚胎する。貫入岩関連金鉱床は通常銅も含み、しばしば錫やタングステンと共存し、まれにモリブデン、アンチモン、ウランと共存する。貫入岩関連金鉱床は、マグマに伴う流体中に存在する金（White、2001）と、これらの熱水流体が必然的に母岩に放出されること（Lowenstern、2001）に依存している。スカルン鉱床は、貫入岩関連鉱床のもう一つの形態である。

砂金鉱床は既存の金鉱床を起源とする二次鉱床です。砂金鉱床は河川や小川、海岸における沖積作用によって形成されます。砂金鉱床は重力によって形成され、金の密度によって川底のトラップスポット、あるいは川の曲がり角や岩の裏側など、水流速度が低下する場所に沈みます。砂金鉱床は堆積岩中に見られることが多く、例えば南アフリカのウィットウォーターズランド鉱床のように数十億年前のものもあります。堆積性砂金鉱床は「リード」または「ディープリード」と呼ばれます。

砂鉱床はしばしば化石採掘によって採掘され、砂金採りは人気の娯楽となっている。

ラテライト金鉱床は、既存の金鉱床（砂金鉱床を含む）が長期間にわたる岩盤の風化作用を受けることで形成されます。金は風化した岩石またはレゴリス中の酸化鉄に沈殿し、浸食による再加工によってさらに濃集することがあります。一部のラテライト鉱床は、岩盤の風食によって地表に自然金が残留することで形成されます。

細菌であるCupriavidus metallidurans は、他のほとんどの微生物に対して非常に毒性の高い化合物である四塩化金（III）溶液から金属金を沈殿させることにより、金塊の形成に重要な役割を果たしている。^{[ 8 ]} 同様に、Delftia acidovorans も金塊を形成することができる。^{[ 9 ]}

プラチナとパラジウムは、一般的に超苦鉄質岩中に産出する貴金属です。プラチナとパラジウムの鉱床は、マグマがまだ液状のときに硫化物鉱物を形成するのに十分な硫黄を含む超苦鉄質岩から形成されます。この硫化物鉱物（通常はペントランダイト、黄鉄鉱、黄銅鉱、または磁硫鉄鉱）は、プラチナが親硫元素であり硫化物に濃縮されるため、マグマの大部分と混合することでプラチナを取り込みます。あるいは、プラチナはクロム鉄鉱と共生し、クロム鉄鉱自体の中、またはクロム鉄鉱に付随する硫化物の中に産出します。

硫化物相は、超苦鉄質マグマが硫黄飽和に達したときにのみ形成される。これは一般的に、純粋な分別結晶作用ではほぼ不可能と考えられているため、鉱床生成モデルでは硫黄飽和を説明するために他のプロセスが必要となる。これには、地殻物質、特に硫黄を多く含む母岩や堆積物によるマグマの汚染、マグマの混合、揮発性物質の増減などが含まれる。

プラチナは、ニッケル、銅、クロム、コバルトの鉱床と関連して産出されることが多い。

ニッケル鉱床は一般的に、硫化物またはラテライトの2つの形態で発見される。

硫化物型ニッケル鉱床は、基本的に白金鉱床と同じメカニズムで形成されます。ニッケルは硫化物を好む親硫元素であるため、マグマ中に硫化物相を含む超苦鉄質岩または苦鉄質岩では、硫化ニッケル鉱床が形成される可能性があります。最も良質なニッケル鉱床は、溶岩洞や火山流の底部、特にコマチアイト溶岩の底部に硫化物が蓄積する場所に形成されます。

コマチアイト質ニッケル・銅硫化物鉱床は、硫化物の分離、非混和性、および硫化物堆積物の熱侵食の複合作用によって形成されると考えられている。これらの堆積物は、硫黄飽和を促進するために必要であると考えられている。

カナダのトンプソン帯にあるいくつかの準火山岩床には、マグマの供給口付近で硫化物が沈殿して形成されたニッケル硫化物鉱床が存在する。マグマの流速が噴火口との境界面で低下したため、噴火口付近に硫化物が蓄積した。巨大なヴォイジー湾ニッケル鉱床も、同様のプロセスを経て形成されたと考えられている。

ニッケルラテライト鉱床の形成過程は、超苦鉄質岩または苦鉄質岩が必要となる点を除けば、基本的に金ラテライト鉱床の形成過程と類似している。一般的に、ニッケルラテライト鉱床の形成には、非常に大きなカンラン石含有超苦鉄質貫入岩が必要となる。ラテライトニッケル鉱床で形成される鉱物には、ギブサイトなどがある。

銅は他の多くの金属や鉱床形態と共存して産出する。一般的に、銅は堆積岩中に形成されるか、火成岩と共存する。

世界の主要な銅鉱床は、花崗岩質斑岩銅鉱床と呼ばれる鉱床形態で形成されます。銅は花崗岩の結晶化過程において濃縮され、硫化鉱物である黄銅鉱として形成され、花崗岩とともに地表に運ばれます。

花崗岩が火山として地表に噴出することがあり、その際に花崗岩や火山岩が熱水循環によって冷却される過程で銅鉱化作用が形成される。

堆積性銅は、海洋盆地内の堆積岩中に形成されます。一般的に、これは深海に堆積した深層堆積物からの塩水が海底に流れ込み、銅、そしてしばしば鉛や亜鉛の硫化物を海底に直接沈殿させることによって形成されます。その後、さらに堆積物が堆積して埋没します。これはSEDEX法による亜鉛や鉛の鉱床形成と類似したプロセスですが、炭酸塩岩中に形成される例もいくつか存在します。

銅はしばしば、金、鉛、亜鉛、ニッケルの鉱床と関連付けられる。

ウラン鉱床は通常、放射性花崗岩から産出され、そこでは熱水活動中または地下水の循環中にモナザイトなどの特定の鉱物が溶出する。ウランは酸性条件下で溶解し、この酸性が中和されると沈殿する。一般的にこれは、堆積層の不整合面内の特定の炭素含有堆積物中で起こる。世界の原子力発電の大部分は、このような鉱床のウランを原料としている。

ウランは、ほぼすべての石炭に数ppmの濃度で含まれており、すべての花崗岩にも含まれています。ラドンは放射性ガスであるため、ウラン採掘の際によく問題となります。

ウランは、花崗岩や斑岩などの特定の火成岩にも伴って産出する。オーストラリアのオリンピック・ダム鉱床は、この種のウラン鉱床の一例である。この鉱床には、世界の既知の低コスト回収可能ウラン埋蔵量の40%のうち、オーストラリアが保有する70%が含まれている。

鉱物砂は、チタン、ジルコニウム、トリウムの鉱床として最も多く見られるタイプです。これらは、海岸系内でこれらの重鉱物が集積することによって形成され、漂砂鉱床の一種です。チタンを含む鉱物はイルメナイト、ルチル、ロイコキセンであり、ジルコニウムはジルコンに、トリウムは一般的にモナザイトに含まれています。これらの鉱物は主に花崗岩の岩盤から浸食によって供給され、河川によって海に運ばれ、海岸砂の中に集積します。まれではありますが、重要なことに、金、錫、プラチナの鉱床が海岸の漂砂鉱床に形成されることもあります。

これら3つの金属は、一般的に特定の種類の花崗岩中に、貫入岩に関連する金や銅と同様のメカニズムで形成されます。これらの鉱床の形成過程は本質的に同じであるため、まとめて考察されます。これらの花崗岩に関連するスカルン型鉱化作用は、錫、タングステン、モリブデンの非常に重要な鉱床です。スカルン鉱床は、花崗岩からの鉱化流体が石灰岩などの母岩と反応することによって形成されます。スカルン鉱化作用は、鉛、亜鉛、銅、金、そして場合によってはウランの鉱化作用においても重要です。

グライゼン花崗岩は、錫・モリブデンとトパーズの鉱化作用を示す、これに関連する別の鉱化様式である。

希土類元素、タンタル、リチウムの圧倒的大多数はペグマタイト中に存在します。これらの鉱石の鉱床生成理論は多岐にわたりますが、そのほとんどは変成作用と火成活動に関係しています。^{[ 10 ]}リチウムはペグマタイト中にスポジュメンまたはレピドライトとして存在します。

炭酸塩岩貫入岩は、これらの元素の重要な供給源である。鉱石鉱物は、本質的に炭酸塩岩の特異な鉱物組成の一部を構成する。

リン酸塩は肥料に使用されます。リン鉱石またはリン鉱石は、原生代から現在形成中の環境に至るまでの堆積棚堆積物中に膨大な量存在します。 ^{[ 11 ]}リン酸塩鉱床は、海底に堆積した死んだ海洋生物の骨格に由来すると考えられています。鉄鉱石鉱床や石油と同様に、海洋や環境の特定の条件が地質時代のこれらの鉱床の形成に寄与したと考えられています。

リン酸塩鉱床は、ネフェリン閃長岩、カーボナタイト、およびそれらに関連する岩石などのアルカリ性火成岩からも形成される。この場合、リン酸塩はマグマ性アパタイト、モナザイト、またはその他の希土類リン酸塩中に含まれて存在する。

バナビン類の存在により、ホヤ亜目（Phlebobranchia）に属するAscidia gemmataの血球中のバナジウム濃度は、周囲の海水中の濃度よりも10,000,000倍も高い。同様の生物学的プロセスがバナジウム鉱石の形成に関与した可能性がある。バナジウムは、原油、石炭、オイルシェール、オイルサンドなどの化石燃料鉱床にも存在する。原油中の濃度は、最大1200 ppmに達することが報告されている。 

金やプラチナなどの貴金属、そしてその他多くの希少金属や貴金属は、主に中性子星の衝突、すなわち超新星爆発の極めて重く、質量が大きく、密度の高い残骸同士の衝突によって生成されました。衝突の最終段階では、物理的条件が非常に極限状態となるため、これらの重希土類元素が生成され、宇宙空間に放出されます。 星間塵やガス雲にはこれらの元素が含まれており、太陽系が形成された塵雲にもこれらの元素が含まれていました。

これらの重金属は地球の溶融した核の中心部に落下し、もはやアクセスできません。しかし、地球が形成されてから約 2 億年後、後期の大規模な隕石の衝突が地球に起こりました。地球はすでに冷えて固まり始めていたため、その衝突で発生した物質 (重金属を含む) は核の奥深くに落下するのではなく、地殻の一部となりました。それらは数十億年かけて地質学的プロセスによって処理され、露出しました。これが、現在地球上に存在する多くの元素、そしてすべての重金属の起源であると考えられています。^{[ 12 ] [ 13 ]}